F1-F10 ATP

7/26/2019 F1-F10 ATP

1/12

Disponible en: http://www.redalyc.org/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49021191002

RedalycSistema de Informacin Cientfica

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal

Cano-Estrada, Araceli; Gonzlez-Halphen, Diego

F1F0-ATP SINTASA Y SUS DIFERENCIAS ESTRUCTURALES

Revista de Educacin Bioqumica, vol. 30, nm. 3, septiembre, 2011, pp. 98-108

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Distrito Federal, Mxico

Cmo citar? Nmero completo Ms informacin del artculo Pgina de la revista

Revista de Educacin Bioqumica

ISSN (Versin impresa): 1665-1995

[email protected]

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Mxico

www.redalyc.orgProyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
http://www.redalyc.org/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/principal/ForCitArt.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/src/inicio/IndArtRev.jsp?iCveNumRev=21191&iCveEntRev=490http://www.redalyc.org/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/src/inicio/HomRevRed.jsp?iCveEntRev=490http://www.redalyc.org/http://www.redalyc.org/src/inicio/HomRevRed.jsp?iCveEntRev=490http://www.redalyc.org/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/src/inicio/HomRevRed.jsp?iCveEntRev=490http://www.redalyc.org/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/src/inicio/IndArtRev.jsp?iCveNumRev=21191&iCveEntRev=490http://www.redalyc.org/principal/ForCitArt.jsp?iCve=49021191002http://www.redalyc.org/

7/26/2019 F1-F10 ATP

2/12

RESUMENLa estructura de la F

1F

0-ATPasa o F

1F

0-ATP sintasa es muy importante para entender

su funcionamiento, por lo que ha sido de gran inters estudiar las subunidades que lacomponen, la interaccin entre ellas y su funcin dentro de la enzima. La estructurade la F

1F

0-ATPasa vara de una especie a otra, encontrndose subunidades especcas

de cada especie y siendo ms compleja la estructura en los organismos ms evolu-

cionados; adems estudios recientes han demostrado la presencia de subunidadesnovedosas dentro de la estructura de la ATP sintasa de algunas especies como lasalgas clorofceas, el parsito Tripanosoma bruceiy protistas como Tetrahymena ther-mophila. En este trabajo se pretende hacer una comparacin de las subunidades queforman la F

1F

0-ATPasa de diferentes especies, haciendo hincapi en sus diferencias

estructurales.

ABSTRACTThe structure of the F

1F

0-ATPase or ATP synthase plays an important role in unders-

tanding its funtion. It has been of interest to study the subunits, how they interactbetween them and what is their function in the enzyme. Many subunits have beenconserved through out evolution, counterparts of them are found in the F

1F

0-ATPase

of different organisms, yet the number of subunits forming the enzyme complex

varies from one species to another. Also there seem to be specic subunits in seve-ral species, and in general, the structure is more complex in eukaryotic organisms.Recent studies have demonstrated the presence of novel subunits that form part ofthe ATP synthase in chlorophyte algae species, in parasites like Trypanosoma brucei,and in protists like Tetrahymena thermophila. This paper seeks to make a compari-son of the subunits that form the F

1F

0-ATPase from different species, streming their

structural differences.

*Recibido: 9 de agosto de 2011 Aceptado: 14 de septiembre de 2011

La F1F

0-ATP sintasa es un complejo enzimtico en-

cargado de proveer a la clula la energa necesariapara realizar todos sus procesos vitales mediantela sntesis de ATP, aunque tambin puede llevar acabo la hidrlisis de ste, por lo que al complejotambin se le nombra F

1F

0-ATPasa. El nombre se

debe a que las subunidades pueden separarse endos dominios estructurales llamados F

1y F

0(1).

El dominio F1 est compuesto por subunidades

solubles y es el dominio cataltico de la enzima,mientras que el F

0es el dominio membranal. Am-

bos dominios estn unidos por un tallo central ypor un tallo perifrico.

La sntesis de ATP est acoplada a un gra-diente de potencial electroqumico de protones,que es generado por los complejos enzimticosde la cadena respiratoria durante la oxidacinde sustratos. Cuando los protones atraviesan lamembrana por un conducto formado en el domi-nio F

0(entre las subunidades ay c) provocan un

giro de un anillo de proteolpidos formado por lasubunidad c (Fig. 1). Esta rotacin hace girar altallo central (subunidades gy ) en movimientosde 120, provocando cambios conformacionalesconsecutivos en las subunidades catalticas (subu-nidades y ) e induciendo la unin de sustratos

REB 30(3): 98-108, 2011 98

PALABRASCLAVE:F

1F

0-ATP

sintasa,estructura,subunidades,

homologa.

KEY WORDS:F

1F

0-ATP

synthase,structure,subunits,homology.

F1F

0-ATPSINTASA Y SUS DIFERENCIAS

ESTRUCTURALES*

Araceli Cano-Estrada y Diego Gonzlez-HalphenDepartamento de Gentica Molecular, Instituto de Fisiologa Celular

Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Mxico D.F. Correo E: [email protected]

7/26/2019 F1-F10 ATP

3/12

99REB 30(3): 98-108, 2011 F1F

0-ATP sintasa y sus diferencias estructurales

(ADP + Pi), la sntesis de ATP y su liberacin (2). A la ATP sintasa se le representa como un motormolecular debido a su mecanismo cataltico, y porlo tanto consta de un rotor y de un estator. El rotorest compuesto por el tallo central de la enzima yel anillo de proteolpidos. Estas subunidades estninvolucradas en el movimiento de la enzima duran-te la catlisis, mientras que el estator lo formanlas subunidades del tallo perifrico, las cuales se

mantienen estticas durante la sntesis de ATP y asu vez mantienen jas a las subunidades catalticas(3).

Existe evidencia de que la ATP sintasa mito-condrial, dentro de su ambiente siolgico, formaoligmeros. Se ha propuesto que este arreglo dela F

1F

0-ATPasa induce la curvatura de las crestas

mitocondriales, favoreciendo as la formacin delgradiente electroqumico de protones (4). La ATPsintasa es una enzima altamente conservada,sobre todo en aquellas subunidades involucradas

en la catlisis; sin embargo, existen subunidadesespeccas segn la especie. En este trabajo sepresentan las diferentes subunidades que formanparte de la F

1F

0-ATPasa de las especies ms estu-

diadas, haciendo una comparacin entre ellas, se-alando aquellas que estn altamente conservadasy aquellas que son especcas de cada especie.

LA ESTRUCTURA DE LA ATP SINTASA DE LAS

BACTERIASLas bacterias tienen la estructura ms simple dela F

1F

0-ATP sintasa; cuentan con las subunidades

mnimas indispensables para que la enzima lleve acabo la sntesis de ATP. El complejo ms estudiadoes el de la bacteria Escherichia coli. La enzima estcompuesta por 8 diferentes subunidades , , g,, , a, by c(ver Tabla 1). El sector membranalF

0 est compuesto por las subunidades a, b, c,

mientras que el sector hidroflico F1lo componen las

Figura 1.El mecanismo cataltico de la ATP sintasa. (A) Los protones atraviesan la membrana del lado P hacia ellado N a favor de su gradiente electroqumico, por un conducto formado entra las subunidades a y c, provocandoun giro de 120 en la subunidad g, que a su vez produce cambios conformacionales en las subunidades catalticas.(B) Las tres subunidades catalticas adquieren conformaciones diferentes durante la sntesis de ATP: abierta,semiabierta y cerrada. Cuando la subunidad pasa del estado cerrado al abierto se libera una molcula de ATP, ya su vez se captan las molculas de ADP y fosfato (2). Con estos sustratos, la subunidad cambia a una confor-macin semiabierta, donde se lleva a cabo la reaccin de formacin del ATP, y posteriormente uno de los sitios

catalticos se abre para liberar el producto. Este ciclo se repite en forma alterna en las tres subunidades de laATP sintasa.

7/26/2019 F1-F10 ATP

4/12

100 Cano-Estrada A, Gonzlez-Halphen D

subunidades , , g, , (Fig. 2). Las subunidades, son las subunidades catalticas. La enzimaposee tres subunidades y tres subunidades queinteractan alternadamente entre s formando un

hetero hexmero (Fig. 2).La estructura cristalogrca del dominio F1, en

ausencia de la subunidad , fue resuelta para laenzima de E. coli(5). Sus coordenadas atmicasfueron registrada en el PDB, por las siglas en in-gls de Banco de Datos de Protenas, con la clavede acceso: 1jnv. En esta conformacin se observaque la subunidad gpenetra en la cavidad del heterohexmero y tiene una estructura formada por hli-ces entrecruzadas. Se extiende 45 desde la basede las subunidades catalticas hasta la supercie

de la membrana, donde entra en contacto con lassubunidades y cpor medio de un dominio globular(6). Al conjunto de subunidades g, , cse le conocecomo el rotor de la enzima. Se ha propuesto que lasubunidad es la protena reguladora de la sntesiso hidrlisis del ATP en el complejo bacteriano, ac-tuando como una palanca que controla la direccin

de la rotacin en respuesta a la concentracin denucletidos o a la presencia del gradiente electro-qumico de protones (7). El extremo carboxilo ter-minal (C-terminal) de la subunidad tiene cambiosconformacionales e interacta simultneamentecon la subunidad en el dominio F

1y con la subu-

nidad cen el dominio F0.

La subunidad c es una protena hidrofbicacompuesta por dos estructuras de hlices anti-paralelas conectadas por una asa hidroflica (8).Este arreglo forma un anillo compuesto por untotal de 10 subunidades cen la ATPasa de E. coli,segn estudios de entrecruzamientos (9).

La subunidad tambin se encuentra embebidaen la membrana. No se conoce su estructura, perosu secuencia de aminocidos predice 6 posiblescruces transmembranales. Se une al dominio F

1por

el brazo perifrico o estator de la enzima formadopor la subunidad y un dmero de subunidades b(b

2) (Fig. 2). El brazo perifrico de la enzima fue

observado por primera vez gracias a estudios decrio-microscopa electrnica de la enzima de E.coli (10). La subunidad b forma principalmenteal brazo; su estructura es la de una nica hlicealargada, de la cual el extremo amino terminal(N-terminal) se inserta en la membrana y el resto

se dene como un dominio citoplasmtico quedimeriza formando una estructura de hlice en-rollada y donde el extremo C-terminal interactacon la subunidad , formando el complejo b

2

(11). Sin embargo, los detalles moleculares deesta interaccin todava no se conocen. En la partems alta del complejo se encuentra la subunidad, que presenta una estructura de seis -hliceshidroflicas. Interacta por medio de su extremoN-terminal con los primeros 22 aminocidos de lasubunidad (12), de acuerdo a estudios de reso-nancia magntica nuclear (NMR) (PDB 1ABV).

LA ESTRUCTURA DE LA ATP SINTASA DE LALEVADURA Y LOS MAMFEROS

A diferencia de la F1F

0-ATP sintasa de las bacterias,

el complejo enzimtico de los eucariontes presentauna estructura ms elaborada; sin embargo, con-serva homlogos de las subunidades bacterianas(Tabla 1). Los complejos enzimticos de la levaduraSaccharomyces cerevisaey de corazn de bovinohan sido de los ms estudiados.

Figura 2.La estructura de la ATP sintasa bacteriana.La componen las subunidades catalticas y , las cua-

les forman un hetero hexmero soluble en el dominioF1de la enzima. El tallo central, compuesto por las sub-unidades gy , interacta con el anillo de subunidadesc; formando el rotor de la enzima. El estator est com-

puesto por un dmero de subunidades b que se unenal dominio F

0por la interaccin con la subunidad a y al

dominio F1por la interaccin con la subunidad .

7/26/2019 F1-F10 ATP

5/12

101REB 30(3): 98-108, 2011 F1F


La F1F

0-ATPasa mitocondrial conserva las subu-

nidades , , g, , c, ay cuenta con una subunidad, que no presenta similitud con la bacteriana,y que forma parte del tallo central de la enzima,interactuando con las subunidades gy , aunque lafuncin que desempean estas subunidades dentrodel complejo no es del todo clara. La protena OSCP

(protena que conere sensibilidad al inhibidor oli-gomicina) sustituye a la subunidad en la partems alta de la ATPasa mitocondrial. Presenta unplegamiento muy similar a su contraparte en bac-terias, por lo que la interaccin con la subunidadse conserva.

La estructura del tallo perifrico es la que msdiere respecto a la enzima bacteriana (Tablas 1 y2). El tallo perifrico de la ATP sintasa mitocondrialest compuesto por una sola copia de las subu-nidades OSCP, b, dy F

6(Fig. 3), de acuerdo con

experimentos de interaccin in vitrocon protenasrecombinantes de estas subunidades (13). La es-

tructura del tallo perifrico de la ATP sintasa debovino fue resuelta a 2.8 (14) gracias a estudiosde cristalografa (PDB 2CLY). En su conformacin seobserva que la subunidad b, conocida en S. cerevi-siae como subunidad 4, es la principal formadora deltallo perifrico y aunque su secuencia de aminoci-dos no tiene una alta similitud con la secuencia dela subunidad bde las bacterias, las dos subunidadestienen una estructura muy parecida. Sin embargo,la regin extrnseca de la protena no dimeriza. Otraprotena que interacta con la subunidad bformandoparte del tallo perifrico es la subunidad d(Fig. 3),con una estructura de cinco -hlices que no pre-sentan ninguna regin altamente hidrofbica, por loque no entran en contacto con la regin membranal(14, 15). La subunidad homloga en levadura es 16aminocidos ms grande. La subunidad dinteractacon la subunidad ba travs de tres -hlices entre-cruzadas (14). F

6es otra protena que forma parte

del brazo perifrico (Fig. 3); su contraparte en S. ce-revisiaees la subunidad h. Su conformacin dentrodel complejo es la de una protena alargada dondeuna -hlice localizada en su extremo N-terminalse encuentra prxima a una -hlice en el extremoC-terminal de la subunidad OSCP, estabilizando la

interaccin entre la subunidad OSCP y la subunidadb, la cual es a travs de -hlices. Detalles moleculares de la interaccin del ta-llo perifrico con el dominio F

1se observan en la

estructura cristalogrca resuelta a 3.2 (15)(PDB 2WSS), aunque slo algunas regiones de lassubunidades que comprenden el tallo perifricopudieron ser resueltas.

Adems de estas dos subunidades, la F1F

0-

ATPasa de los eucariontes presenta las subunidadesmembranales e, f, gy A6L (Fig. 3). El homlogo de

A6L en la levadura es la subunidad 8. El complejoenzimtico de las levaduras tambin posee lassubunidades i (algunas veces llamada subunidad

j) y k que tambin se anclan a la membrana (Fig.3). Todas ellas son protenas pequeas, compues-tas por 60 a 110 aminocidos. La funcin de estasprotenas, denominadas supernumerarias, no es

del todo clara; sin embargo, se ha demostrado quelas subunidades A6L (o subunidad 8), f, e, isonnecesarias para el ensamble del dominio F

0y por

lo tanto son indispensables para el funcionamientode la enzima (16). Por otra parte, se ha probadoque las subunidades ey gestn involucradas en ladimerizacin de la enzima (17). El dominio GXXXGes importante para la dimerizacin y se localiza enla regin membranal de la subunidad g(18). Lasubunidad kparece ser necesaria para la expresinde las subunidades gye(19).

Figura 3. La estructura de la ATP sintasa de losmamferos. Es ms compleja que la ATP sintasa bacte-riana. Sin embargo, conserva las subunidades catalti-cas, as como las subunidades que forman el rotor de laenzima. La mayor diferencia se encuentra en las sub-unidades que componen el estator de la enzima. steest compuesto por una subunidad b, d, y F6y OSCP,sta ultima es homloga de la subunidad en bacte-ria. Adems, cuenta con subunidades membranales,llamadas supernumerarias, que se encargan de la di-

merizacin de la enzima. La ATP sintasa de los mamfe-ros es muy parecida a la ATP sintasa de la levadura,excepto que sta ultima cuenta con dos subunidadessupernumerarias adicionales, k e i.

7/26/2019 F1-F10 ATP

6/12

10Cano-Estrada A, Gonzlez-Halphen D

S. cerevisae

S. cerevisae

7/26/2019 F1-F10 ATP

7/12

103REB 30(3): 98-108, 2011 F1F


Debido a su complejidad, la ATP sintasa mito-condrial cuenta con una subunidad adicional que seencarga de regular su actividad enzimtica. En losmamferos se le conoce como IF

1y en la levadura

como Inh1 (Tabla 1). El sitio responsable de la in-hibicin lo forman 6 aminocidos, Phe17, Arg20,Glu21, Arg22, Glu25 y Phe28; esta regin se une

a la subunidad formando el complejo F1-IF1(PDB1OHH) (20). En la levadura, la protena inhibido-ra se estabiliza con otras dos protenas llamadasStf1 y Stf2, por las siglas en ingls de factores deestabilizacin (Tabla 2), las cuales incrementan laaccin inhibitoria sobre la ATP sintasa (21). Recientemente se ha descrito la presencia detres protenas asociadas a la ATP sintasa de losmamferos, que no son componentes del dominiocataltico ni del estator de la enzima, y se les hadenominado factor B, MLQ y AGP o tambin lla-mada DAPIT, por las siglas en ingls de protenaasociada con la diabetes en los tejidos sensibles a

la insulina (Tabla 2). El factor B es importante paramantener el gradiente de potencial electroqumicode la membrana mitocondrial, ya que la carenciade este factor resulta en un desacoplamiento (22).El papel que desempean las otras dos protenasan no es claro, aunque podran estar involucradasen el metabolismo energtico celular, o bien en laorganizacin supramolecular de complejos de lafosforilacin oxidativa, en especial de los oligme-ros de la ATP sintasa mitocondrial.

LA ATP SINTASA DE LAS PLANTAS

En comparacin con la estructura de la ATP sintasade los mamferos o la levadura, que han sido muyestudiadas, poco se sabe de la estructura de la ATPsintasa de las plantas. Se ha puricado el comple-jo enzimtico de especies como papa, espinaca yArabidopsis thaliana, identicando sus distintoscomponentes. El dominio F

1de la enzima de las

plantas se encuentra altamente conservado y estformado por las subunidades catalticas ay , ascomo las subunidades , y (Tabla 1). Las subu-nidades a, y presentan una similitud alta consus contrapartes en las bacterias y los mamferos;

por el contrario, las subunidades y tienen unasimilitud menor con sus contrapartes en bovino,aunque sus estructuras sean muy parecidas. Losgenes que codican para la subunidad ay c, lascuales forman parte de domino F

0, se han encon-

trado en el genoma de varias especies de plantas,incluyendo aA. thaliana(23, 24). Tambin estnpresentes los genes que codican para ortlogos dela subunidad OSCP y la subunidad d, componentesdel tallo perifrico. A la subunidad OSCP tambinse le denomina subunidad debido a su similitud

con la subunidad de las bacterias y los cloroplas-tos. Sin embargo, poco se conoce del resto de loscomponentes del dominio F

0y del estator de las

plantas, debido a la baja similitud que presentanlas subunidades asociadas a estos dominios.

Otras subunidades que fueron identicadascomo constituyentes de la F

1F

0-ATPasa de las

plantas son las protenas orfB, orf25 y FAd (24,25) (Tabla 2). Aunque la similitud de la subuni-dad orfB con la subunidad A6L de los mamferoso la subunidad 8 de la levadura es baja, se hanpropuesto que son homlogos. Por otra parte,estudios bioqumicos demostraron que orfB esparte del dominio F

0de la F

1F

0-ATPasa de plantas

e interactan con la subunidadcy la subunidadorf25, lo cual apoya la hiptesis (24). La protenaorf25 es una protena hidrofbica y su gen se haencontrado en los genomas de diferentes especiesde plantas (26). Se ha propuesto que esta subu-nidad es la contraparte de la subunidad bde las

bacterias, las levaduras y los mamferos, debido aque ambas presentan la misma masa molecular ysu extremo N-terminal es hidrofbico. Sin embargo,a nivel de secuencia de aminocidos la similitudentre estas subunidades es muy baja, aunque lasubunidad bde los eucariontes y la subunidad bdelas bacterias tampoco presentan una alta similitud.Parecera que ms que una secuencia de aminoci-dos conservada, lo esencial es la presencia de unaestructura a-helicoidal alargada. La protena F

Ad

es de carcter hidroflico y hasta el momento nose ha encontrado un homlogo de esta subunidad,por lo que representara un nuevo componente delestator en la ATP sintasa de plantas.

LAS ATP SINTASAS CON SUBUNIDADES ATPICAS

La ATP sintasa de las algas clorofceas

Las algas Chlamydomonas reinhardtii yPolytomellasp. forman parte del linaje de las algas clorofceaso algas verdes y son las ms estudiadas. Estu-dios bioqumicos de la ATP sintasa de estas algasdemostraron una composicin de subunidadesatpica. Se identicaron 17 polipptidos que for-

man parte de la enzima (Fig. 4), de las cuales seencontraron homlogos de las subunidades a, , ,, OSCP, ay c(Tabla 1). Aunque las subunidadescatalticas presentan una alta similitud con el restode las ATP sintasas, stas presentan extensionesde aminocidos. La extensin de la subunidad aconsta de aproximadamente 20 aminocidos y selocaliza en el extremo N-terminal (27) mientras quela extensin de la subunidad est compuesta poraproximadamente 60 aminocidos y se localiza enel extremo C-terminal (28). No es clara la funcin

7/26/2019 F1-F10 ATP

8/12


de estas extensiones, aunque se ha propuesto queestos aminocidos extra en la subunidad podranhacer el papel de la protena reguladora dentrodel complejo (29), ya que la protena inhibidoraclsica de la ATP sintasa de los eucariontes, laIF

1, no se encuentra en este complejo. Tampoco

se identicaron homlogos de las subunidades

clsicas que forman el estator de la ATP sintasade los eucariontes, ni de aquellas implicadas en ladimerizacin del complejo (30, 31). Por el contra-rio, se encontr que la ATP sintasa de estas algaspresentan 9 subunidades asociadas que no tienensimilitud con otras protenas de las bases de datos(Tabla 2). A estas subunidades se les nombr ASA,por las siglas en ingls de Protena Asociada a laATP Sintasa: ASA1 a ASA9 (Fig. 4). Estas protenaspresentan una masa molecular aparente que vadesde los 60 kDa para ASA1 hasta los 9 kDa para

ASA9 (32). Basados en la secuencia de C. rein-hardtii, las cuales presentan una similitud promediodel 50% con las secuencias de Polytomella sp., serealiz un anlisis de hidrofobicidad utilizando elservidor TMHMM v.2.0. El programa predice cru-ces transmembranales para la subunidad ASA8 yASA9; las subunidades ASA5 y ASA6 son protenas

hidrofbicas, pero no predicen cruces transmem-branales, mientras que el resto de las subunidadesASA parecen ser completamente hidroflicas (32,33). Para las subunidades ASA1 y ASA4 se predicela presencia de estructura de hlices entrecruzadas,importantes para la interaccin protena-protena.

La ATP sintasa de estas algas, a diferencia de lasenzimas del resto de los organismos eucariontes,se purica preferentemente como un dmero muyestable con una masa molecular aproximada de1600 kDa (32, 34). Este complejo se observ porestudios de microscopa electrnica (33, 35) en loscuales destaca la presencia de brazos perifricos

muy robustos, que contrastan con los de la enzimabacteriana o la mitocondrial clsica, en donde dichaestructura es poco densa.

La monomerizacin de la enzima se ha llevadoa cabo observando cambios en la composicinpolipeptdica, disminuyendo la proporcin de lassubunidades ASA6 y ASA9 (36), sugiriendo queestas subunidades son responsables de la dimeri-zacin (Fig. 4). Utilizando agentes entrecruzadores,posteriormente se demostr que la subunidad ASA6s est involucrada en la formacin del dmero dela enzima (29). Sin embargo, ninguna de las dossubunidades presenta el motivo GXXXG, por lo quese asume que otro dominio es el encargado de ladimerizacin del complejo en el linaje de las algasclorofceas. Se han propuesto diferentes modelos del arreglotopolgico de las subunidades que componen a laATP sintasa de las algas clorofceas (32, 33, 36).Estos modelos concuerdan en que la subunidadASA6 es la responsable de la dimerizacin y quese encuentra en la regin membranal junto con lasubunidad ASA9, ASA8; sin embargo, la disposicinde las subunidades que estaran formando el brazoperifrico de la enzima no es todava muy clara. No

obstante, estudios con agentes entrecruzadores yestudios de disociacin de la enzima muestran unacercana de las subunidades OSCP, ASA2, ASA4y ASA7 (32,33), por lo que se ha propuesto queestas subunidades forman el brazo perifrico dela F

1F

0-ATPasa de las algas clorofceas (Fig. 4) en

estequiometra de uno respecto a la subunidad (33). Para conocer mejor la funcin que desempe-an las subunidades ASA dentro del complejo serealiz un estudio de silenciamiento del gen de la

Figura 4.La estructura de la ATP sintasa de las algasclorofceas. La ATP sintasa de algas clorofceas est al-tamente conservada. Sin embargo, cuenta con nuevesubunidades novedosas llamadas ASA, que no presen-tan homologa con las protenas que se muestran enlas bases de datos. Estas subunidades sustituyen a lassubunidades clsicas que forman el estator de la enzi-ma. Se propone que ASA2, ASA4 y ASA7, junto conla subunidad OSCP, forman el brazo perifrico, y queASA6 est involucrada en la dimerizacin de la enzima,ASA5 y ASA8 se encuentran en la regin membranal yASA1 y ASA3 se encontraran de manera perifrica a lamembrana.

7/26/2019 F1-F10 ATP

9/12

105REB 30(3): 98-108, 2011 F1F


subunidad ASA7 mediante RNA de interferencia(RNAi) en C. reinhardtii, encontrando que la enzimapuricada es muy inestable y se disocia fcilmenteliberando al sector F

1(37); sin embargo, la prdi-

da de esta subunidad no tiene algn impacto enla bioenergtica celular ni en la estructura de lascrestas mitocondriales.

Es claro que la presencia de las subunidadesASA en la ATP sintasa de las algas clorofceas leconeren una estructura ms voluminosa y muchoms estable que la de las ATP sintasas del restode los organismos eucariontes, aunque su posiblefuncin an no es clara. Se ha planteado que suarreglo en dmero podra contribuir a mantener laestructura tubular de las crestas mitocondriales invivo(38). Tampoco se conoce como es que las algasclorofceas adquirieron estas subunidades atpicasa lo largo de la evolucin ni en que momento lohicieron.

La ATP sintasa de los Tripanosomtidos

Un reciente estudio sobre la ATP sintasa de Trypa-nosoma brucei revel que la enzima contiene subu-nidades extra que no estn presentes en la enzimade los mamferos o de la levadura (39). Al realizarestudios bioqumicos para conocer la composicinde la ATP sintasa de T. brucei se encontr que elcomplejo enzimtico esta compuesto por 22 subu-nidades, que presentan una masa molecular entre8.6 y 55.7 kDa. Ocho de estas subunidades estnconservadas, las subunidades a, , , , , c, byOSCP (Tabla 1). Las otras 14 subunidades restantes

no presentan similitud con las subunidades clsicasque componen el estator de la ATPasa mitocondrialde otras especies (39) (Tabla 2). Puesto que no seencontraron homlogos de estas protenas en lasbases de datos ni dominios estructurales conserva-dos, estas protenas parecen ser nicas del ordenKinetoplastida, pues slo comparten similitud conprotenas que pertenecen a este linaje. Estas 14nuevas protenas fueron registradas como prote-nas hipotticas en GeneBD, por sus siglas en inglsde Base de Datos de Genes (Tabla 2). La subunidad best presente en la ATPasa de T.

brucei, aunque solamente su extremo N-terminaltiene similitud con la subunidad b de los euca-riontes. Por otra parte, no se pudo identicar enla enzima a un homlogo de la subunidad a; estopuede deberse a dicultades en las tcnicas para laidenticacin de protenas hidrofbicas asociadas ala membrana, pero se asume que esta subunidadest presente y que interacta con la subunidad c.

Cuando se llev a cabo el silenciamiento degenes, mediante RNAi, de la subunidad ay de dosnuevas protenas, Tb10.70.7760, Tb927.5.2930, se

produjo la disociacin del complejo, liberndose eldominio F

1, por lo que se concluye que estas prote-

nas son esenciales para la organizacin estructuraldel complejo (39). Se ha logrado puricar el dominio F

1, el mon-

mero y el dmero de la F1-F

0-ATPasa de T.bruceicon

una masa molecular aparente de 450 kDa, 700 kDa

y 1000 kDa respectivamente. En el monmero de laenzima se identicaron 16 subunidades, mientrasque en la forma dimrica se identicaron dos pro-tenas adicionales (Tb927.2.3610 y Tb927.5.3090),las cuales podran ser las responsables de la dime-rizacin (40).

Sin duda, estas nuevas protenas remplazan lafuncin de las subunidades que forman el estatorde la enzima en el resto de las ATP sintasas mito-condriales, con excepcin de la subunidad b, quees la nica que se encuentra conservada en estaespecie. Sin embargo, es necesario estudiar msacerca de la topologa de esta ATP sintasa para

tener clara la funcin de cada una de estas nuevasprotenas y conocer su arreglo para la formacinde una estructura diferente.

La ATP sintasa de los ciliados

Recientemente se ha identicado una nueva es-tructura de la ATP sintasa en Tetrahymena ther-mophila (40). Este organismo ciliado perteneceal grupo protista que junto con los dinoageladosy los apicomplejos forman el gran grupo de losalveolados. La puricacin de la ATP sintasa deT. thermophila en geles azules nativos muestrauna forma dimrica, tal como se comporta la ATPsintasa de las algas clorofceas (32, 33, 34, 35).El complejo puro revel la presencia de 22 subuni-dades (40). Se identicaron las subunidades a, ,y OSCP, todas ellas formando parte del dominioF

1de la enzima (Tabla 1). Del dominio membranal

F0slo fue identicada la subunidad c. Sorpren-

dentemente, no se encontraron homlogos de lassubunidades aque hasta el momento se encuentramuy conservada en todas las estructuras de la ATPsintasa, tampoco se identic algn homlogo dela subunidad b, que es la subunidad principal del

tallo perifrico de la enzima (40). Para el resto delas subunidades asociadas a la ATP sintasa de T.thermophila no se encontr algn homlogo enlas bases de datos, por lo que stas se registra-ron como protenas hipotticas en NCBI, por sussiglas en ingls de Centro Nacional de InformacinBiotecnologca (Tabla 2). Estudios detallados decomparacin de secuencias lograron identicar conuna baja similitud al homlogo de la subunidad (protena hipottica 118355322) y de la subunidadd (protena hipottica 118360532). Tambin se

7/26/2019 F1-F10 ATP

10/12


encontr que una nueva protena nombrada Ymf66podra sustituir a la muy conservada subunidad a,debido a que tienen caractersticas muy similaresy tambin es codicada en el genoma mitocondrial(40). Esta protena es integral de membrana y suestructura primaria predice 8 cruces transmembra-nales, donde el cuarto cruce conserva un residuo

de arginina, esencial para la formacin del canalpara el paso de protones. Esta protena Ymf66slo est conservada en organismos ciliados; enningn otro organismo se encuentra un ortlogode esta protena, lo cual indicara una divergenciade la subunidad aen este tipo de organismos. Porotra parte, tambin se identicaron de entre las15 subunidades hipotticas, a tres protenas quepodran cumplir con la funcin de la subunidad b(146185889, 118398278 y 118366175). Esto sellev a cabo con base en la prediccin de la estruc-tura secundaria (40). Estudios de microscopa electrnica se lleva-

ron a cabo (40) en donde se destacan dominiosexclusivos de T. thermophila, sobre todo en laregin membranal, donde se observa una grandensidad electrnica. Entre cada monmero tam-bin se aprecia densidad electrnica adicional queparece unirse al sector F

1. Este dominio podra

estar involucrado en la dimerizacin de la enzima.Otra caracterstica interesante que se observ enla ATP sintasa de T. thermophilaes el arreglo enparalelo de sus monmeros, que contrasta con elarreglo angular que forman los monmeros de laATP sintasa dimrica de otros organismos (40). Sepropone que este arreglo en paralelo est asociadoa la morfologa en forma tubular de las crestasmitocondriales observadas en mitocondrias de losorganismos ciliados y en general de los organismosalveolados.

Sin duda la ATPasa de T. thermophilapresen-ta una estructura atpica, donde se involucransubunidades novedosas que hasta el momento nose tiene clara su funcin, aunque alguna de ellaspuede sustituir la funcin de las subunidades cl-sicas involucradas en el estator de la enzima y serexclusivas de esta especie.

CONCLUSIONESLa estructura general de la F

1F

0ATP sintasa se

ha conservado a lo largo de la evolucin debido

al mecanismo cataltico que se lleva a cabo parasintetizar el ATP que la clula necesita para realizarsus procesos vitales. Tanto el dominio globular F

1

y el dominio membranal F0 presentan ortlogos

de las subunidades mnimas involucradas en lacatlisis de la enzima en todas las especies (Tabla1). La subunidades catalticas ay son las ms

conservadas. Todos los organismos cuentan contres subunidades ay tres subunidades que searreglan alternadamente para formar un heterohexmero. Otras de la subunidades que estnpresentes en todos los organismos son aquellasque forman el rotor de la enzima, subunidades, , cy , aunque esta ltima slo est presenteen la F

1F

0-ATPasa mitocondrial. El brazo perifrico

de la enzima es la estructura del complejo quems diere de una especie a otra, donde slo seconservan las subunidades OSCP o , en el casode las bacterias, y a. La mayora de los organis-mos eucariontes, desde las levaduras hasta las

plantas y los mamferos, cuentan con las mismassubunidades, aunque poco conservadas a nivelde secuencia pero ms conservadas a nivel deestructura, lo cual indica que estas subunidadescomparten la misma funcin dentro del estator delcomplejo. Pocas son las subunidades especcas decada una de estas especies (Tabla 2), adquiridasgeneralmente para estabilizar al complejo y opti-mizar el metabolismo energtico celular. Estudiosrecientes han descubierto nuevas subunidadesasociadas a la ATP sintasa en los linajes de lasalgas clorofceas, en los tripanosomtidos y en losciliados que producen una estructura atpica de laenzima (Tabla 2). Todas estas nuevas subunidadesestn involucradas en la formacin del estator de laenzima, aunque todava no es clara la funcin quetiene cada una de ellas dentro del complejo enzim-tico. Podemos sugerir que fueron adquiridas parasatisfacer las necesidades energticas especcasde estas especies y son esenciales para el buenensamble del complejo, estabilizando una formadimrica necesaria para mantener la morfologade las crestas mitocondriales.

No cabe duda que las ltimas dcadas dedicadasal estudio de esta interesante enzima han aporta-

do informacin muy valiosa para el conocimientode su estructura y su funcionamiento, pero anfalta mucho por estudiar y comprender sobre estemotor molecular.

7/26/2019 F1-F10 ATP

11/12

107REB 30(3): 98-108, 2011 F1F


REFERENCIAS

1. Alfonzo M, Kandrach MA, Racker E (1981)Isolation, characterization, and reconstitutionof a solubilized fraction containing the hy-drophobic sector of the mitochondrial proton

pump. J Bioenerg Biomembr 13:375-391.2. Itoh H, Takahashi A, Adachi K, Noji H, YasudaR, Yoshida M, Kinosita K (2004) Mechanicallydriven ATP synthesis by F

1-ATPase. Nature

427:465-468.3. Weber J, Senior AE (2003) ATP synthesis

driven by proton transport in F1F

0-ATP syn-

thase. FEBS Lett 545:61-70.4. Strauss M, Hofhaus G, Schrder RR, Khl-

brandt W (2008). Dimer ribbons of ATP syn-thase shape the inner mitochondrial mem-brane. EMBO J 27:1154-1160.

5. Hausrath AC, Grber G, Matthews BW, Ca-

paldi RA (1999) Structural features of thegamma subunit of the Escherichia coli F(1)ATPase revealed by a 4.4-A resolution mapobtained by x-ray crystallography. Proc NatlAcad Sci USA 96:1369713702.

6. Rodgers AJW, Wilce MCJ (2000) Structure ofthe complex of ATP synthase. Nat StructBiol 7:10511054.

7. Tsunoda SP, Rodgers AJW, Aggeler R, WilceMJC, Yoshida M, Capaldi RA (2001) Largeconformational changes of the epsilon sub-unit in the bacterial F

1F

0ATP synthase provide

a ratchet action to regulate this rotary motor

enzyme. Proc Natl Acad Sci USA 98:6560-6564.

8. Fillingame RH, Jiang W, Dmitriev OY (2000)The oligomeric subunit C rotor in the Fo sec-tor of ATP synthase: unresolved questionsin our understanding of function. J BioenergBiomembr 32:433-439.

9. Jiang W, Hermolin J, Fillingame RH (2001)The preferred stoichiometry of c subunits inthe rotary motor sector of Escherichia coliATP synthase is 10. Proc Natl Acad Sci USA98:4966-4971.

10. Wilkens S, Capaldi RA (1998) ATP synthasessecond stalk comes into focus. Nature 393:29.

11. Dmitriev O, Jones PC, Jiang W, Fillingame RH(1999) Structure of the membrane domainof subunit b of the Escherichia coliF

0F

1 ATP

synthase. J. Biol. Chem. 274:15598-15604.12. Wilkens S, Borchardt D, Weber J, Senior AE

(2005) Structural Characterization of the in-teraction of the and asubunits of the Esch-erichia Coli F

1F

0-ATP synthase by NMR spec-

troscopy. Biochemistry 44:11786-11794.

13. Collinson IR, van Raaij MJ, Runswick MJ,Fearnley IM, Skehel JM, Orriss GL, Miroux B,Walker JE (1994) ATP synthase from bovineheart mitochondria. In vitro assembly of stalk

complex in the presence of F1-ATPase and inits absence. J Mol Biol 242:408-421.14. Dickson VK, Silvester JA, Fearnley IM, Leslie

AGW, Walker JE (2006) On the structure ofthe stator of the mitochondrial ATP synthase.EMBO J 25:2911-2918.

15. Rees DM, Leslie AG, Walker JE (2009) Thestructure of the membrane extrinsic region ofbovine ATP synthase. Proc Natl Acad Sci USA106:2159721601.

16. Vaillier J, Arselin G, Graves PV, CamougrandN, Velours J (1999) Isolation of supernumer-ary yeast ATP synthase subunits e and i.

Characterization of subunit i and disruptionof its structural gene ATP18. J Biol Chem274:543-8.

17. Paumard P, Vaillier J, Coulary B, SchaefferJ, Soubannier V, Mueller DM, Brethes D, diRago JP, Velours J (2002) The ATP synthase isinvolved in generating mitochondrial cristaemorphology. EMBO J 21:221-230.

18. Sabbar S, Stuart RA (2005) The yeast F1F

0-

ATP Synthase. Analysis of the molecular or-ganization of subunit g and the importanceof a conserved GXXXG motif. J Biol Chem280:24435-24442.

19. Arnold I, Pfeiffer K, Neupert W, Stuart RA, Schg-ger H (1998) Yeast mitochondrial F1F0-ATP syn-thase exists as a dimer: identication of threedimer-specic subunits. EMBO J 17:7170-7178.

20. Cabezn E, Montgomery MG, Leslie AGW andWalker JE (2003) The structure of bovine F

1-

ATPase in complex with its regulatory proteinIF1. Nat Struct Biol 10:744-750.

21. Ichikawa N, Yoshida Y, Hashimoto T, Ogas-awara N, Yoshikawa H, Imamoto F and Taga-wa K (1990) Activation of ATP hydrolysis byan uncoupler in mutant mitochondria lackingan intrinsic ATPase inhibitor in yeast. J BiolChem 265:62746278.

22. Belogrudov GI, Hate Y (2002) Factor B andthe mitochondrial ATP synthase complex. JBiol Chem 277:6097-6103.

23. Brugire S, Kowalski S, Ferro M, Seigneurin-Berny D, Miras S, Salvi D, Ravanel S, dHrinP, Garin J, Bourguignon J, Joyard J, RollandN (2004) The hydrophobic proteome of mi-tochondrial membranas from Arabidopsis cellsuspensions. Phytochemistry 65:1693-1707.

7/26/2019 F1-F10 ATP

12/12


24. Heazlewood JL, Whelan J, Millar AH (2003)The products of the mitochondrial orf25 andorfB genes are F

0 components in the plant

F1F

0ATP synthase. FEBS Lett 540:201-205.

25. Gray MW, Lang BF, Cedergren R, Golding GB,Lemieux C, Sankoff D, Turmel M, BrossardN, Delage E, Littlejohn TG, Plante I, Rioux

P, Saint-Louis D, Zhu Y, Burger G (1998)Genome structure and gene content in pro-tist mitochondrial DNAs. Nucleic Acids Res26:865-878.

26. Tang HV, Pring DR, Muza FR and Yan B (1996)Sorghum mitochondrial orf25 and a relatedchimeric conguration of a male-sterile cyto-plasm. Curr Gen 29:265-274.

27. Nurani G, and Franzn LG (1996) Isolationand characterization of the mitochondrialATP synthase from Chlamydomonas rein-hardtii. cDNA sequence and deduced proteinsequence of the alpha subunit. Plant Mol Biol

6:1105-1116.28. Franzn LG, Falk G (1992) Nucleotide se-

quence of cDNA clones encoding the betasubunit of mitochondrial ATP synthase fromthe green alga Chlamydomonas reinhardtii:the precursor protein encoded by the cDNAcontains both an N-terminal presequence anda C-terminal extension. Plant Mol Biol 19:771-780.

29. Villavicencio-Queijeiro A, Vzquez-AcevedoM, Cano-Estrada A, Zarco-Zavala M, Tuenade Gmez M, Mignaco JA, Freire MM, ScofanoHelena M, Foguel D, Cardol P. Remacle C,Gonzlez-Halphen D (2009) The fully-activeand structurally-stable form of the mito-chondrial ATP synthase ofpolytomella sp. isdimeric. J Bioenerg Biomembr 41:113.

30. Funes S, Davidson E, Claros MG, van Lis R,Prez-Martnez X, Vzquez- Acevedo M, KingMP, Gonzlez-Halphen D (2002) The typicallymitochondrial DNA-encoded ATP6 subunit ofthe F

1F

0-ATPase is encoded by a nuclear gene

in Chlamydomonas reinhardtii. J Biol Chem277:60516058.

31. Cardol P, Gonzalez-Halphen D, Reyes-Prieto

A, Baurain D, Matagne RF, Remacle C (2005)The mitochondrial oxidative phosphorylationproteome of Chlamydomonas reinhardtiide-duced from the Genome Sequencing Project.Plant Physiol 137:447-459.

32. Vzquez-Acevedo M, Cardol P, Cano-EstradaA, Lapaille M, Remacle C, Gonzlez- HalphenD (2006) The mitochondrial ATP synthase ofchlorophycean algae contains eight subunits

of unknown origin involved in the formationof an atypical stator-stalk and in the dimer-ization of the complex. J Bioenerg Biomem38:271-282.

33. Cano Estrada A, Vazquez-Acevedo M, Vil-lavicencio-Queijeiro A, Figueroa-Martinez F,Miranda-Astudillo H, Cordeiro Y, Mignaca JA,

Foguel D, Cardol P, Lapaille M, Remacle C,Wilkens S, and Gonzalez-Halphen D (2010)Subunits-Subunits interations and overalltopology of the dimeric mitochondrial ATPsynthase of Polytomella sp. Biochim BiophysActa 1797:1439-1448.

34. Van Lis R, Atteia A, Mendoza-Hernndez G,Gonzlez-Halphen D (2003) Identication of21 novel mitochondrial protein componentsof Chlamydomonas reinhardtii: A proteomicapproach. Plant Physiol 132:318-330.

35. Dudkina NV, Heinemeyer J, Keegstra W,Boekema EJ, Braun HP (2005) Structure of

dimeric ATP synthase from mitochondria:an angular association of monomers inducesthe strong curvature of the inner membrane.FEBS Lett 579: 5769-5772.

36. Van Lis R, Mendoza-Hernndez G, Groth G,Atteia A (2007) New insights into the uniquestructure of the F

0F

1-ATP synthase from the

chlamydomonad algae Polytomella sp. andChlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol144:1190-1199.

37. Lapaille M, Escobar-Ramirez A, Degand H,Baurain D, Rodriguez-Salinas E, CoosemansN, Boutry M, Gonzlex-Halphen D, RemacleC, Cardol P (2010) Atypical subunit compo-sition of the chlorophycean mitochondrialF

1F

0 ATP synthase and role of ASA7 protein

in stability and aligomycin resistance of theenzyme. Mol Biol Evol 27:1630-1644.

38. Dudkina NV, Sunderhaus S, Braun HP,Boekema EJ (2006) Characterization ofdimeric ATP synthase and cristae mem-brane ultrastructure from Saccharomycesand Polytomella mitochondria. FEBS Lett580:3427-3432.

39. Zkov A, Schnaufer A, Dalley RA, Panigrahi

AK, Stuart KD (2009) The F0F1-ATP Synthasecomplex contains novel subunits and is es-sential for Procyclic Trypanosoma brucei.PLoS Pathogens 5:1-15.

40. Balabaskaran NP, Dudkina NV, Kane LA, vanEyk JE, Boekema EJ, Mather MW, Vaidya AB(2010) Highly divergent mitochondrial ATPsynthase complexes in Tetrahymena ther-mophila. Plos Biol 7:e1000418.

F1-F10 ATP

Documents

Transcript of F1-F10 ATP