ATPasa

Las ATPasas ( EC 3.6.1.3 , A denosina 5'- Tri P fosfatasa , adenilpirofosfatasa, ATP monofosfatasa, trifosfatasa, ATP hidrolasa, adenosina trifosfatasa) son una clase de enzimas que catalizan la descomposición del ATP en ADP y un ion fosfato libre ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} o la reacción inversa. Esta ^reacción de desfosforilación libera energía , que la enzima (en la mayoría de los casos) aprovecha para impulsar otras reacciones químicas que de otro modo no ocurrirían. Este proceso se utiliza ampliamente en todas las formas de vida conocidas .

Algunas de estas enzimas son proteínas de membrana integrales (ancladas en las membranas biológicas ) y transportan solutos a través de la membrana, generalmente en contra de su gradiente de concentración. Estas se denominan ATPasas transmembrana.

Las ATPasas transmembrana importan metabolitos necesarios para el metabolismo celular y exportan toxinas, desechos y solutos que pueden obstaculizar los procesos celulares. Un ejemplo importante es la bomba de sodio-potasio (Na ⁺ /K ⁺ ATPasa) que mantiene el potencial de membrana celular . Otro ejemplo es la ATPasa de hidrógeno-potasio (H ⁺ /K ⁺ ATPasa o bomba de protones gástrica) que acidifica el contenido del estómago. La ATPasa está genéticamente conservada en los animales; por lo tanto, los cardenólidos , esteroides tóxicos producidos por las plantas que actúan sobre las ATPasas, constituyen toxinas animales generales y eficaces que actúan de forma dosis-dependiente. ^{[ 7 ]}

Además de los intercambiadores, otras categorías de ATPasa transmembrana incluyen cotransportadores y bombas (aunque algunos intercambiadores también son bombas). Algunos de estos, como la Na ⁺ /K ⁺ ATPasa, provocan un flujo neto de carga, pero otros no. Estos se denominan transportadores electrogénicos y transportadores electroneutrales, respectivamente. ^{[ 8 ]} Las variantes genéticas en las ATPasas dan lugar a un amplio espectro de enfermedades humanas, desde enfermedades prenatales hasta enfermedades de aparición tardía. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los motivos Walker son un motivo de secuencia proteica característico para la unión e hidrólisis de nucleótidos. Más allá de esta función general, los motivos Walker se encuentran en casi todas las ATPasas naturales, con la notable excepción de las tirosina quinasas . ^{[ 11 ]} Los motivos Walker suelen formar una lámina beta -giro- hélice alfa que se autoorganiza como un nido (motivo estructural proteico) . Se cree que esto se debe a que las ATPasas modernas evolucionaron a partir de pequeños péptidos de unión a NTP que debían autoorganizarse. ^{[ 12 ]}

El diseño de proteínas ha logrado replicar la función ATPasa (aunque de forma débil) sin utilizar secuencias ni estructuras de ATPasas naturales. Es importante destacar que, si bien todas las ATPasas naturales poseen cierta estructura de lámina beta, la "ATPasa Alternativa" diseñada carece de dicha estructura, lo que demuestra que esta función esencial para la vida es posible con secuencias y estructuras que no se encuentran en la naturaleza. ^{[ 13 ]}

La ATPasa (también llamada F _o F ₁ -ATP sintasa) es un complejo de transferencia de carga que cataliza el ATP para realizar la síntesis de ATP moviendo iones a través de la membrana. ^{[ 14 ]}

El acoplamiento de la hidrólisis y el transporte de ATP es una reacción química en la que se transporta un número fijo de moléculas de soluto por cada molécula de ATP hidrolizada; para el intercambiador Na ⁺ /K ⁺ , esto significa que se transportan tres iones Na ⁺ fuera de la célula y dos iones K+ dentro por cada molécula de ATP hidrolizada.

Las ATPasas transmembrana utilizan la energía potencial química del ATP realizando trabajo mecánico: transportan solutos en la dirección opuesta a su dirección de movimiento termodinámicamente preferida, es decir, desde el lado de la membrana con baja concentración al lado con alta concentración. Este proceso se denomina transporte activo .

Por ejemplo, la inhibición de las H ⁺ -ATPasas vesiculares daría como resultado un aumento del pH dentro de las vesículas y una disminución del pH del citoplasma.

Todas las ATPasas comparten una estructura básica común. Cada ATPasa rotatoria se compone de dos componentes principales: F _o /A ₀ /V ₀ y F ₁ /A ₁ /V ₁ . Estos están conectados por 1-3 tallos para mantener la estabilidad, controlar la rotación e impedir que giren en sentido contrario. Un tallo se utiliza para transmitir el par motor. ^{[ 15 ]} El número de tallos periféricos depende del tipo de ATPasa: las F-ATPasas tienen uno, las A-ATPasas tienen dos y las V-ATPasas tienen tres. El dominio catalítico F ₁ se encuentra en el lado N (lado negativo) de la membrana y participa en la síntesis y degradación del ATP, así como en la fosforilación oxidativa . El dominio transmembrana F _o participa en el movimiento de iones a través de la membrana. ^{[ 14 ]}

La ATPasa F₁F₂ _bacteriana consta del dominio soluble F₁ y el dominio transmembrana F₁ _{, compuesto} por varias subunidades con estequiometría variable. Dos subunidades, γ y ε, forman el tallo central y se unen a F₁ . _{F₁ contiene} un _oligómero de la subunidad c en forma de anillo (anillo c). La subunidad α se encuentra cerca de la subunidad β₂ _{y forma el tallo que conecta las subunidades transmembrana con las subunidades α₃β₃ y δ. Las} ATP sintasas F son idénticas en apariencia y función , excepto la ATP sintasa F₁F₂ mitocondrial _, que contiene entre 7 y 9 subunidades adicionales. ^{[ 14 ]}

El potencial electroquímico es lo que provoca que el anillo c gire en sentido horario para la síntesis de ATP. Esto hace que el tallo central y el dominio catalítico cambien de forma. La rotación del anillo c produce tres moléculas de ATP, lo que a su vez provoca que los iones H ⁺ se muevan del lado P (lado positivo) de la membrana al lado N (lado negativo). La rotación del anillo c en sentido antihorario es impulsada por la hidrólisis del ATP y los iones se mueven del lado N al lado P, lo que ayuda a generar potencial electroquímico. ^{[ 14 ]}

La ATP sintasa de las mitocondrias y los cloroplastos es una enzima anabólica que aprovecha la energía de un gradiente de protones transmembrana como fuente de energía para añadir un grupo fosfato inorgánico a una molécula de adenosín difosfato (ADP) y formar una molécula de adenosín trifosfato (ATP).

Esta enzima actúa cuando un protón se desplaza a favor del gradiente de concentración, lo que le confiere un movimiento giratorio. Este movimiento giratorio único une el ADP y el fosfato para crear ATP.

La ATP sintasa también puede funcionar a la inversa, es decir, utilizar la energía liberada por la hidrólisis del ATP para bombear protones en contra de su gradiente electroquímico.

Existen diferentes tipos de ATPasas, que pueden diferir en su función (síntesis y/o hidrólisis de ATP), su estructura (las ATPasas F, V y A contienen motores rotatorios) y el tipo de iones que transportan.

• ATPasas rotatorias ^{[ 16 ] [ 17 ]}
  • Las F-ATPasas (F1FO-ATPasas) en las mitocondrias , los cloroplastos y las membranas plasmáticas bacterianas son los principales productores de ATP, utilizando el gradiente de protones generado por la fosforilación oxidativa (mitocondrias) o la fotosíntesis (cloroplastos). ^{[ 18 ]}
    • Las F-ATPasas que carecen de una subunidad delta/OSCP transportan iones de sodio. Se propone que se las denomine N-ATPasas , ya que parecen formar un grupo distinto que se diferencia más de las F-ATPasas habituales que las A-ATPasas de las V-ATPasas. ^{[ 19 ]}
  • Las V-ATPasas (V1VO-ATPasas) se encuentran principalmente en las vacuolas eucariotas, donde catalizan la hidrólisis de ATP para transportar solutos y disminuir el pH en orgánulos como la bomba de protones del lisosoma.
  • Las A-ATPasas (A1AO-ATPasas) se encuentran en las arqueas y algunas bacterias extremófilas. Su estructura es similar a la de las V-ATPasas, pero funcionan como las F-ATPasas, principalmente como ATP sintasas.
  • Existen muchos homólogos que no necesariamente son rotacionales. Véase ATP sintasa §  Evolución .
• Las P-ATPasas (E1E2-ATPasas) se encuentran en bacterias, hongos y en las membranas plasmáticas y orgánulos eucariotas, y su función es transportar una variedad de iones diferentes a través de las membranas.
• Las E-ATPasas son enzimas de la superficie celular que hidrolizan diversos NTP, incluido el ATP extracelular. Algunos ejemplos son las ecto-ATPasas, las CD39 y las ecto-ATP/Dasas, todas ellas pertenecientes a la superfamilia " GDA1 CD39 ". ^{[ 20 ]}
• Las proteínas AAA son una familia de NTPasas con bucle P en forma de anillo .

• ATP sintasa
• subunidades alfa/beta de la ATP sintasa
• Proteínas AAA
• P-ATPasa

• "ATP sintasa: una espléndida máquina molecular"
• ATPasa en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
• Estructuras de ATPasas obtenidas mediante microscopía electrónica del EM Data Bank (EMDB).