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¿Qué precedió a la ATP sintasa?


La ATP sintasa es omnipresente a lo largo de la vida en la tierra y, por lo tanto, probablemente evolucionó dentro del último ancestro común universal (LUCA) antes de que ese linaje se diversificara en los diversos reinos de la vida.

Se sugiere que los dominios funcionales que comprenden el complejo ATP sintasa se improvisaron a partir de subunidades preexistentes, cada una con una actividad relacionada (por ejemplo, la unión de un motor de protones con una ADN Helicasa con actividad ATPasa), lo que parece razonable. aunque un poco vago en los detalles.

El hecho de que surgiera una ATP sintasa primitiva sugiere que el ATP ya tenía un papel central en el metabolismo celular y, por lo tanto, plantea la pregunta, ¿qué precedió a la ATP sintasa en el papel de generar ATP en la célula LUCA?


Hay procesos metabólicos en los que el ATP se sintetiza sin la participación de la ATP sintasa. Los mejores ejemplos son, de hecho, dos pasos en la vía glucolítica, catalizados por fosfoglicerato quinasa y piruvato quinasa. Por eso, en ausencia de un metabolismo aeróbico, muchos organismos (como la levadura, por ejemplo) pueden crecer con bastante alegría, produciendo dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se metaboliza.

Es de suponer que este proceso es lo que permitió al ATP ganar su papel central en el metabolismo energético sin necesidad de una ATP sintasa.


No sabemos mucho sobre la evolución temprana de la vida. Sin embargo, se cree que las moléculas energéticas (análogas al ATP) pueden haber evolucionado antes que todo lo demás. Estas moléculas energéticas pueden haber impulsado diferentes reacciones metabólicas (que no necesitan ser catalizadas por grandes enzimas proteicas). Además, se cree que las formas de vida primitivas habrían utilizado gradientes químicos naturales para obtener la energía.

Puedes echar un vistazo a este artículo. Estoy pegando la lista de referencias / menciones de lectura recomendadas en este artículo para que pueda buscarlas individualmente incluso si este artículo ya no es accesible.


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ATP sintasa

ATP sintasa (EC 7.1.2.2) là tên của loại enzima có khả năng tổng hợp adenosina trifosfato (ATP) từ adenosina difosfato (ADP) và fosfato vô cơ (Pi) đồng thời tích trữ năng lượng. Năng lượng này thường ở dạng proton di chuyển được nhờ chênh lệch hoá thẩm, như từ lumen của thylakoid vào chất nền lục lạp hay từ khoảng không giữa hai màong tiất và và Phản ứng tổng quát khi tổng hợp ATP là:

Enzima này có vai trò quan trọng luego chốt trong gần như tất cả các cơ thể sống vì ATP là đơn vị năng lượng thông dụng trong các cơ thể sống. Kháng sinh oligomicina ức chế tiểu đơn vị FO của ATP sintasa.

ATP sintasa nhìn chung là một chu trình tổng hợp ATP từ ADP.


Mitocondrias: producción de ATP y más

Las mitocondrias se originaron a partir de una antigua alfa-proteobacteria engullida por un ancestro eucariota y han coevolucionado con el huésped durante un largo período de tiempo [1]. Las mitocondrias han adquirido muchas funciones a lo largo de esta larga historia de evolución y participan en numerosos procesos biológicos [2]. Las mitocondrias son más conocidas como las centrales eléctricas de la célula que producen ATP a través de la fosforilación oxidativa (OXPHOS). La síntesis de ATP mitocondrial involucra enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), complejos de cadena de transporte de electrones y ATP sintasa, en la que la acetil-coenzima A (CoA) derivada de moléculas de alimentos se oxida para producir ATP. Durante las reacciones bioenergéticas, las mitocondrias también producen otras moléculas fisiológicamente importantes como las especies reactivas de oxígeno [3] (Figura 1). Además, la función biosintética de las mitocondrias tiene implicaciones de gran alcance en las respuestas al estrés y las enfermedades [4-6]. En este sentido, la evidencia creciente muestra que las mitocondrias juegan un papel esencial en las vías de señalización celular, la regulación de genes, la muerte celular y muchas otras funciones [2, 3, 7] (Figura 1). Por lo tanto, comprender cómo las disfunciones mitocondriales contribuyen a las enfermedades humanas es un desafío y requiere un conocimiento a nivel de sistemas de la biología mitocondrial.

Durante la bioenergética mitocondrial, la acetil-CoA convertida a partir de moléculas de alimentos se oxida para producir ATP. Además de la producción de ATP, las mitocondrias desempeñan un papel esencial en la señalización celular, incluida la detección de nutrientes, la señalización redox, la muerte celular y muchas otras funciones [3, 7]. Tenga en cuenta que las vías biosintéticas en las mitocondrias [4] se omiten en el diagrama. ADP, AMP difosfato de adenosina, monofosfato de adenosina CoA, coenzima A ETC, cadena de transporte de electrones TCA, ácido tricarboxílico.

En los mamíferos, además de las 13 proteínas producidas en las mitocondrias, más de 1.000 proteínas codificadas en el núcleo y sintetizadas en el citosol se dirigen a las mitocondrias [8]. Las mutaciones en genes relacionados con las mitocondrias pueden alterar la regulación de la expresión génica mitocondrial normal y otras funciones y se consideran causas comunes de trastornos y enfermedades mitocondriales [5, 6, 9]. Para comprender cómo se relacionan los genotipos con los fenotipos de enfermedades relacionadas con las mitocondrias, los investigadores a menudo necesitan caracterizar un conjunto de parámetros de las mitocondrias enfermas [10]. Entre estos parámetros, el nivel de producción de ATP está relacionado de manera inminente con el fallo energético resultante de disfunciones mitocondriales. La insuficiencia energética puede ser la base de muchas enfermedades hereditarias y degenerativas [11] y puede manifestarse en una amplia gama de edades y órganos [9].

Por lo tanto, comprender las causas y consecuencias de la falla energética es esencial para abordar las enfermedades bioenergéticas y requiere un análisis cuantitativo del nivel de ATP celular. El ATP se produce tanto por glucólisis en el citoplasma como por OXPHOS en las mitocondrias. Sin embargo, poca evidencia demuestra las consecuencias de los niveles de ATP desregulados en las células y su relevancia directa en las enfermedades mitocondriales. No hace falta decir que carecemos de una imagen clara de cómo los niveles de ATP desregulados son un puente entre los genotipos y las enfermedades mitocondriales. Los avances en esta área de investigación pueden proporcionar nuevas herramientas terapéuticas para la intervención con enfermedades relevantes.


los ATP5F1D El gen está ubicado en el brazo p del cromosoma 19 en la posición 13.3 y se extiende por 3.075 pares de bases. [8] El ATP5F1D El gen produce una proteína de 17,5 kDa compuesta por 168 aminoácidos. [9] [10] La proteína codificada es una subunidad de la ATP sintasa mitocondrial (Complejo V), que se compone de dos complejos de múltiples subunidades enlazadas: el núcleo catalítico soluble, F1, y el componente que atraviesa la membrana, Fo, que comprende el canal de protones. La porción catalítica de la ATP sintasa mitocondrial consta de 5 subunidades diferentes (alfa, beta, gamma, delta y épsilon) ensambladas con una estequiometría de 3 alfa, 3 beta y un único representante de los otros 3. El canal de protones consta de tres subunidades principales (a, b, c). Este gen codifica la subunidad delta del núcleo catalítico. Alternativamente, se han identificado variantes de transcripciones empalmadas que codifican la misma isoforma. [8] Se sabe que la estructura de la proteína se asemeja a una estructura de 'piruleta' debido a la unión de la unidad catalítica F1 a la membrana interna mitocondrial por la unidad F0. [11]

Este gen codifica una subunidad de la ATP sintasa mitocondrial (Complejo V) de la cadena respiratoria mitocondrial, que es necesaria para la catálisis de la síntesis de ATP. Utilizando un gradiente electroquímico de protones producido por los complejos de transporte de electrones de la cadena respiratoria, la sintasa convierte el ADP en ATP a través de la membrana interna durante la fosforilación oxidativa. [8] Las ATPasas de tipo F constan de dos dominios estructurales, F1 y F0, que contribuyen a la catálisis. El dominio F1 contiene un núcleo catalítico extramembranoso y el dominio F0 contiene el canal de protones de membrana unido por un tallo central y periférico. Durante la catálisis, la renovación de ATP en el dominio catalítico de F1 se acopla mediante un mecanismo rotatorio de las subunidades centrales del tallo al transporte de protones. La proteína codificada es parte del dominio F1 complejo y del tallo central que es parte del elemento rotatorio complejo. La rotación del tallo central contra las subunidades alfa3beta3 circundantes conduce a la hidrólisis de ATP en tres sitios catalíticos separados en las subunidades beta. [5] [6]

Mutaciones de ATP5F1D se han asociado con trastornos mitocondriales infantiles con fenotipos como descompensaciones episódicas, acidosis láctica e hiperamonemia acompañadas de cetoacidosis o hipoglucemia. Mutaciones bialélicas de c.245C & gtT y c.317T & gtG en ATP5F1D se demostró que causaban un trastorno metabólico con tales fenotipos debido a una disfunción mitocondrial en dos individuos no emparentados. [12] Mutaciones de ATP5F1D También se ha descubierto que la disminución de la expresión de la proteína da como resultado una disfunción sináptica de las mitocondrias que podría desempeñar un papel esencial en la patogénesis de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). [13]

Entre los dos componentes, CF1, el núcleo catalítico, y CF0, el canal de protones de la membrana de la ATPasa de tipo F, ATP5F1D está asociado con el núcleo catalítico. El núcleo catalítico está compuesto por cinco subunidades diferentes, incluidas las subunidades alfa, beta, gamma, delta y épsilon. La proteína tiene interacciones adicionales con ATP5I, ATP5O, PUS1, NDUFB5, GTPBP6, ATP5L, ATP5J y otros. [14] [5] [6]

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Este artículo incorpora texto de la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos, que es de dominio público.


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Produce ATP a partir de ADP en presencia de un gradiente de protones a través de la membrana. Se cree que la cadena gamma es importante para regular la actividad de la ATPasa y el flujo de protones a través de la CF0 complejo.

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      GO - Proceso biológico i

        Fuente: GO_Central & # xd & ltp> Inferido de Aspecto biológico del ancestro & lt / p> & # xd & # xd & ltp> Un tipo de evidencia filogenética por la cual un aspecto de un descendiente se infiere a través de la caracterización de un aspecto de un gen ancestral. & Lt / p> & # xd & # xd & ltp> Más información en la & lta href = "http://geneontology.org/page/guide-go-evidence-codes#iba"> Guía de códigos de pruebas de GO & lt / a> & lt / p > & # xd Inferido a partir del aspecto biológico del antepasado i

          & ltp> UniProtKB Las palabras clave constituyen un & lta href = "http://www.uniprot.org/keywords"> vocabulario controlado & lt / a> con una estructura jerárquica. Las palabras clave resumen el contenido de una entrada de UniProtKB y facilitan la búsqueda de proteínas de interés. & Ltp> & lta href = '/ help / keywords' target = '_ top'> Más. & lt / a> & lt / p> Palabras clave i

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          Bases de datos de familias / grupos de proteínas

          Base de datos de clasificación de transporte


          LA OPINIÓN DE UN BIOQUÍMICO VEGETAL DE H + -ATPasas Y SINTASIS ATP.

          Mi fascinación de veinticinco años por las ATPasas de membrana surgió de mis experiencias en los laboratorios de André Jagendorf y Efraim Racker. André me presentó la fosforilación fotosintética y Ef, a cuya memoria está dedicado este artículo, me convenció de que las ATPasas tenían mucho que ver con la síntesis de ATP. Se ha logrado un progreso asombroso en el campo H + -ATPase en solo dos décadas. A principios de la década de 1970, se reconoció en general que la síntesis de ATP oxidativo y fotosintético estaba catalizada por enzimas de membrana que podían actuar como H + -ATPasas y que el intermediario común entre el transporte de electrones y la fosforilación es el gradiente electroquímico de protones. En ese momento, se había demostrado que una actividad de ATPasa estimulada por cationes estaba asociada con preparaciones de membrana plasmática de raíces de plantas. Se desconocían las ATPasas endomembrana o vacuolar. La aplicación de métodos bioquímicos mejorados para el aislamiento y purificación de membranas, así como las reconstituciones de proteínas de membrana, llevó rápidamente a la conclusión de que hay tres clases principales de H + -ATPasas de membrana, P, V y F. P-ATPasas, que no serán considerados más adelante en este artículo, se fosforilan durante su ciclo catalítico y tienen una composición de polipéptidos mucho más simple que las V- o F-ATPasas. La H + -ATPasa de la membrana plasmática de células vegetales, levaduras y fúngicas es un ejemplo de esta clase de enzimas (véase Pedersen y Carafoli, 1987, para una comparación de las ATPasas de la membrana plasmática). El análisis bioquímico y de secuenciación de genes ha revelado que las ATPasas V y F se parecen entre sí estructuralmente, pero son distintas en función y origen. La 'V' significa vacuolar y la 'F' para F1Fo. F1 fue el primer factor aislado de las mitocondrias cardíacas bovinas que se mostró necesario para la fosforilación oxidativa. Fo se llamó así porque es un factor que confiere sensibilidad a la oligomicina a la F1 soluble. Otras F-ATPasas a menudo se nombran para indicar sus fuentes. Por ejemplo, el cloroplasto F1 se denota como CF1 (ver Racker, 1965, para los primeros trabajos sobre F1). Los éxitos recientes en la reconstitución de ATPasa vacuolar también han llevado a una nomenclatura V1Vo para esta enzima. El término "ATP sintasa" se utiliza ahora en general para describir las F-ATPasas. Este término enfatiza el hecho de que aunque las F-ATPasas funcionan para sintetizar ATP, normalmente no catalizan la hidrólisis de ATP ligada al flujo de protones. Por el contrario, es muy poco probable que las V-ATPasas funcionen como ATP sintasas. Por tanto, las F-ATPasas son consumidores de gradientes de protones, mientras que las V-ATPasas generan gradientes de protones a expensas de la hidrólisis. En esta breve revisión, compararé las estructuras de F- y V-ATPasas. Además, doy una idea de los mecanismos que ayudan a prevenir la hidrólisis de ATP derrochadora por la ATP sintasa del cloroplasto (CF1Fo).

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          Mecanismo de cambio vinculante

          Desde la década de 1960 hasta la de 1970, Paul Boyer desarrolló su mecanismo de cambio de unión, o flip-flop, que postulaba que la síntesis de ATP está acoplada con un cambio conformacional en la ATP sintasa generada por la rotación de la subunidad gamma. John E. Walker cristalizó la ATP sintasa y pudo determinar que el modelo conformacional de Boyer era esencialmente correcto. En la estructura cristalina, la FSe puede ver que 1 partícula está compuesta por un cilindro de 6 subunidades, alternando subunidades alfa y beta, que forman un anillo alrededor de una subunidad gamma asimétrica. La difusión facilitada de protones provoca la FO partícula para rotar, rotando la subunidad gamma de F1, mientras que la mayor F1 subunidades se fijan en su lugar. Esta rotación fuerza un cambio conformacional en el F1 partícula, lo que eventualmente conduce a la síntesis de ATP. Para dilucidar esto, Boyer y Walker participaron en el Premio Nobel de Química de 1997.


          ¿Cómo produce la ATP sintasa ATP?

          La ATP sintasa es una enzima que juega un papel vital en la adición de un fosfato al ADP, o difosfato de adenosina, para formar ATP o trifosfato de adenosina. La enzima se encuentra dentro de las mitocondrias de una célula, donde ocurre la síntesis de ATP.

          La ATP sintasa cataliza la reacción para combinar ADP, o difosfato de adenosina, con una sola unidad de fosfato para producir ATP. La enzima en sí es una máquina compleja compuesta por una bomba de iones y dos motores moleculares que alimentan la enzima.

          La reacción se estimula cuando los protones se empujan a través del gradiente de protones de la membrana celular; el gradiente de protones se encuentra en las mitocondrias. Los iones de hidrógeno presentes en el gradiente actúan como una fuente de energía para la ATP sintasa y ayudan en la formación de ATP agregando un fosfato al difosfato de adenosina ya presente.

          El ATP es una poderosa fuente de energía almacenada en el nucleoplasma y el citoplasma de las células. La molécula es pertinente para que ocurran las operaciones celulares. La energía del ATP se libera cuando la molécula pierde un grupo fosfato, que forma ADP. Luego, el proceso se recicla de nuevo a ATP con la ayuda de ATP sintasa a medida que la molécula de ADP pasa a través de las mitocondrias. ADP y ATP juegan un papel integral en la producción y uso de energía. Su relación cíclica permite que la energía de la célula se restaure de manera eficiente.


          Agradecimientos

          Agradecemos a C. Malone, M. Murphy, J. Carroll, A. Sfeir, E. Skolnik, R. Cinalli, A. Zamparini y A. Blum por sus comentarios sobre el manuscrito y sus consejos. Agradecemos a F. Liang, C. Petzold y K. Dancel del NYULMC OCS Microscopy Core por su ayuda con la microscopía electrónica de transmisión, y al NYULMC Immune Monitoring Core apoyado en parte por la subvención de NCATS NIH UL1 TR00038 y la subvención de NCI NIH P30CA016087. Reconocemos el DGRC respaldado por NIH 2P40OD010949-10A1 y Bloomington Stock Center para reactivos. F.K.T. fue apoyado por becas a largo plazo EMBO y HFSP, C.G.S. por NIH F31 / HD080380, T.R.H. por CIHR, J.R.K.S. por NIH F32 / GM082169, B.C. por una beca de doctorado de Boehringer Ingelheim Fonds y J.B.P. por premio ACS 121614-PF-11-277-01-RMC. Este trabajo fue apoyado por el NIH (5R01GM062534) y un amable obsequio de K. W. Davis a G.J.H. G.J.H. es investigador del HHMI. R.L. es un investigador del HHMI y cuenta con el apoyo de NIH R01 / R37HD41900.


          Capítulo 11 - ATP sintasa: una máquina molecular paradigmática

          La fosforilación de los azúcares ribosa es fundamental para la vida en su forma actual, así como a lo largo de la evolución. Esta reacción activa químicamente los azúcares y, por lo tanto, juega un papel importante en la transmisión de información y la conservación de energía. La naturaleza ha elegido el adenosin-5ʹ-trifosfato (ATP) como una fuente de energía ampliamente utilizada en una variedad de procesos de conversión de energía celular. Algunos ejemplos, pero importantes, son las vías bioquímicas anabólicas y catabólicas, el transporte de iones y solutos (trabajo osmótico) y el trabajo mecánico (p. Ej., Contracción muscular o motilidad celular).

          El ATP fue descrito por primera vez por el químico alemán Karl Lohmann en 1929, quien lo aisló de extractos de músculo y hígado (Langen y Hucho, 2008). La primera síntesis química de ATP fuera de una célula viva fue realizada por el premio Nobel Lord Alexander Robertus Todd en 1949 (Baddiley et al., 1949). Ya en 1935, el científico ruso Vladimir Engelhardt señaló que la contracción muscular requiere ATP. Dos años después, el científico danés Herman Moritz Kalckar estableció que la síntesis de ATP está relacionada con la respiración celular y que el ATP representa el producto final de la reacción catabólica. En los años 1939-1941, Fritz Lipmann demostró que el ATP es el principal portador de energía química en la célula. Acuñó la frase "enlaces fosfato ricos en energía" (Lipmann, 1941). La razón de esta expresión radica en la estructura del ATP.