ATP sintasa:
fosforilación oxidativa tras el transporte electrónico mitocondrial
y fotofosforilación tras el transporte electrónico fotosintético

a

c (×12)

δ,ε

γ

α (×3)

β (×3)

b (×2)

ATP sintasa; ATPasa transportadora de protones; EC 7.1.2.2 (translocasa) antes EC 3.6.3.14 (hidrolasa)

Cataliza la reacción   ADP + P_i ATP + H₂O ( → ATP sintasa ; ← ATPasa )

La acción catalítica de esta sintasa se activa con los cambios conformacionales que se provocan gracias al paso de protones a través de la proteína, impulsados por el gradiente de protones generado durante el transporte electrónico:

• en la mitocondria: complejo I, ciclo Q, complejo IV ⇒ gradiente de H⁺ ⇒ ATP sintasa F_oF₁
• en el cloroplasto: PSII, ciclo Q, cit. b₆f ⇒ gradiente de H⁺ ⇒ ATP sintasa CF_oCF₁

Balance global en la ATP sintasa:	12 H+intermem./intratilacoidal		12 H+matriz/estroma
	(3 ADP + 3 Pi)matriz/estroma		3 ATPmatriz/estroma

Pasa el puntero sobre la imagen para mostrar la identificación de las subunidades.

La ATP sintasa está formada por múltiples subunidades

La sintasa se llama F_oF₁ (la del cloroplasto, CF_oCF₁), al considerarse formada por dos partes o dominios:

• F₁ ("F uno") fue el primer factor necesario para la fosforilación oxidativa que se consiguió aislar (a partir de mitocondrias de tejido cardiaco bovino). Es soluble y posee la actividad catalítica ATP sintasa.
• F_o (no es "F cero", sino "F o") es otro componente, que se descubrió como un factor que aporta sensibilidad a la oligomicina. Es decir, la actividad sintasa de F₁ es inhibida por la oligomicina cuando F_o está presente.

La descripción como una combinación de F_o y F₁ es demasiado simple; hoy en día se conoce la estructura con más detalle y no es sencillo definir si algunas subunidades pertenecen a F_o o a F₁.

• El dominio insertado en la membrana es el "carrusel" rotatorio formado por subunidades c (12 en este esquema, pero puede variar entre 8 y 15 según especies)
• El dominio globular situado en la matriz mitocondrial lo forman las subunidades α₃ β₃. Es también donde residen los 3 centros catalíticos.
• El "tallo central" o "eje" es un dominio formado por γ δ ε; es también rotatorio, pues está unido al carrusel y gira cuando lo hace éste. Sin embargo, emerge de la membrana y penetra en el interior del dominio α₃ β₃.
• El "tallo lateral" se inserta en parte en la membrana y en parte emerge de ella, sosteniendo así en posición el dominio α₃ β₃ y conectando F_o con F₁. Lo forman las subunidades a, b₂ y algunas más.

Estructura molecular 3D (ampliación)

La acción catalítica va asociada a cambios conformacionales

Relatado aquí de dos formas diferentes pero equivalentes:

• Cuando ADP y P_i se unen a la proteína, cambia la conformación de E a DP
• Cuando se cataliza la formación de ATP, cambia la conformación de DP a TP
• Cuando se libera el ATP, cambia la conformación de TP a E

• A la vez que la conformación E se transforma en la DP, une ADP y P_i
• A la vez que la conformación DP se transforma en la TP, cataliza la formación de ATP
• A la vez que la conformación TP se transforma en la E, se libera el ATP

Además, cada cambio conformacional en un dímero se transmite a los dímeros vecinos. En cada momento, cada uno de los 3 dímeros α β se encuentra en una de las conformaciones:

El cambio conformacional se origina por una rotación

El cambio conformacional de las subunidades alfa y beta se inicia por un "empujón" que ejerce sobre ellas la subunidad gamma al ir girando. (Gamma, delta y épsilon constituyen el eje del rotor)

La rotación se genera por el paso de protones

El paso de protones, a favor de gradiente, desde el espacio intermembranario mitocondrial hacia la matriz o estroma mitocondrial —o bien desde la luz tilacoidal hacia el estroma cloroplástico— sólo puede hacerse a través de la proteína ATP sintasa. Los protones pasan a través de las subunidades a y c, lo que hace girar el conjunto de subunidades c ("carrusel"), que a su vez hace girar también a delta, épsilon y gamma (el "eje").

La ATP sintasa es un motor molecular

Rotor: c12 + γ + δ + ε Estátor: a + b2 + (α β)3

rotor estátor

Visión integrada

Para comprender mejor todo esto conviene observar las excelentes imágenes animadas creadas en MRC Mitochondrial Biology Unit, de Cambridge; pulsa sobre cada icono de película

1. Vista de la ATP sintasa completa
2. Alternancia de las 3 conformaciones en las subunidades αβ, con entrada y salida de ADP y ATP
3. Acción de la subunidad rotatoria γ sobre las subunidades αβ
4. Vista conjunta de las subunidades αβγ en acción (desde ambas caras)
5. (detalle) Cambios en el centro activo asociados al cambio conformacional de β, y mecanismo catalítico

Referencia de la imagen PDB-101: PDB Molecule of the Month - ATP Synthase. David Goodsell, 2005. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2005_12
Licencia CC-by, 2015 David Goodsell & RCSB Protein Data Bank.

Referencia de la imagen del motor: Commons; autor: Zureks; licencia CC-by-sa.

Referencia de los vídeos: Molecular animations of ATP synthase. John Walker et al., MRC Mitochondrial Biology Unit, Cambridge, UK. https://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research-groups/walker-group/molecular-animations-atp-synthase  [consultado el 20 abril 2023]   Los vídeos residen en el servidor de YouTube.
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