ATP synthase () là một cấu trúc enzyme được tìm thấy trong vi khuẩn và ti thể hay lục lạp của các sinh vật nhân thực. Cấu trúc này có khả năng tổng hợp adenosine triphosphate (ATP) từ adenosine diphosphate (ADP) và phosphate vô cơ (Pi) đồng thời tích trữ năng lượng cho tế bào. 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 màng ti thể vào chất nền ti thể. Phản ứng tổng quát khi tổng hợp ATP là:

:ADP + P_i → ATP

Enzyme này có vai trò quan trọng then 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 oligomycin ức chế tiểu đơn vị F_O của ATP synthase.

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

Cấu trúc

ATP synthase là một protein bao gồm nhiều tiểu đơn vị với tổng khối lượng hơn 50 vạn dalton. Cấu trúc hiện nay của ATP synthase được nhận biết bằng phương pháp soi kính hiển vi điện tử dưới nhiệt độ cực thấp. Trong ti thể, ATP synthase bao gồm 2 phần chủ yếu được đặt tên là F₁ và F_O.

• Phần F_O của enzyme nằm trong màng ti thể, gồm ba loại protein mang tên a, b, c. Ở vi khuẩn và ti thể của nấm men, kết cấu thường thấy của F_O là a₁b₂c₁₀, tuy nhiên ở ti thể của động vật có đến 12 tiểu đơn vị c còn ở lục lạp có 14. Trong tất cả các trường hợp, tiểu đơn vị c sắp xếp thành một vòng tròn trên mặt phẳng màng sinh chất. Tiểu đơn vị a và b gắn kết chặt chẽ với nhau nhưng không liên kết với vòng c.
• Phần F₁ của enzyme giống như một quả đấm thòi ra ngoài màng, nằm ở trong phần chất nền của ti thể. Đây là một phức hợp tan trong nước, bao gồm 5 polypeptide có kết cấu là α₃β₃γδε. Phần dưới của tiểu đơn vị γ là một cấu trúc dạng cuộn nằm gọn vào giữa vòng c của F_O và bắt dính vào đấy. Tiểu đơn vị ε gắn chặt với γ và cũng gắn chặt với một số tiểu đơn vị c nói trên. Tiểu đơn vị α và β nằm xen kẽ với nhau theo một vòng tròn để hình thành một thể đối xứng sáu bên. Tiểu đơn vị δ hình thành một liên kết bền vững tới một tiểu đơn vị α và một tiểu đơn vị β kế bên; đồng thời cũng liên kết với tiểu đơn vị b của F_O. Vì vậy các tiểu đơn vị a, b của F_O cùng với các tiểu đơn vị δ, α₃, β₃ hình thành một cấu trúc chặt chẽ neo vào màng sinh chất. Tiểu đơn vị b hình que hình thành một cấu trúc tĩnh (xtato) ngăn không cho α₃, β₃ di chuyển trong khi tựa vào tiểu đơn vị γ. Chúng là những cấu trúc có đường kính 9 nm nằm rải rác trên bề mặt ti thể. Ban đầu chúng được gọi là các cấu trúc sơ cấp và được cho rằng có chức năng bao hàm toàn bộ bộ máy hô hấp trong ti thể. Tuy nhiên sau nhiều thí nghiệm, Ephraim Racker và các đồng sự (những người đầu tiên phân lập được F₁ năm 1961) đã cho thấy F₁ có liên quan tới hoạt tính của ATPase trong các ti thể đơn lẻ và với hoạt tính của ATPase trong các cấu trúc cấp độ dưới ti thể tạo ra bằng cách cho ti thể tiếp xúc với sóng siêu âm. Cụ thể hơn, khi F₁ bị tách khỏi màng ti thể thì chúng mất khả năng tổng hợp ATP mà chỉ còn khả năng thủy phân ATP (vì vậy chúng được gọi tên là ATPase), chỉ khi ráp chúng lại với F_O thì khả năng sinh tổng hợp ATP mới được khôi phục.

Hoạt tính của ATPase còn có liên quan mật thiết hơn tới sự tổng hợp ATP bởi một chuỗi các thí nghiệm trên nhiều phòng thí nghiệm khác nhau.

Danh pháp

Danh pháp của enzyme này là một câu chuyện dài. Phần F₁ của enzyme bắt nguồn từ cái tên "fraction 1" (có nghĩa là "phần 1" và F_O (chữ "o" chứ không phải số không) bắt nguồn từ việc nó là một oligomycin.

Như là một ví dụ đối với danh pháp của các enzyme bò, một số tiểu đơn vị có các tên gọi theo bảng chữ cái như sau:

• Chữ Hi Lạp: alpha, beta, gamma, delta, epsilon
• Chữ La Tinh: a, b, c, d, e, f, g, h

Một số khác có tên gọi phức tạp hơn:

• F₆ ("phần 6")
• OSCP (the oligomycin sensitivity conferral protein),
• A6L (đặt theo tên của gien mã hóa cho nó trong vật liệu di truyền của ti thể)
• IF1 (viết tắt theo từ tiếng Anh "inhibitory factor 1" có nghĩa là "yếu tố ức chế số 1"),

Cơ chế

Trong các thập niên 1960 và 1970, Paul Delos Boyer phát triển thuyết về cơ chế thay đổi liên kết, hay là "lật qua lật lại", cơ chế này đã định đề sự sinh tổng hợp ATP đi đôi với sự thay đổi về hình thể của ATP synthase bằng cách xoay vòng tiểu đơn vị gamma. Nhóm nghiên cứu của John Ernest Walker, tại Phòng thí nghiện Sinh học phân tử MRC của Cambridge, đã tinh thể hóa đơn vị xúc tác F₁ của ATP synthase. Cấu trúc này, tại thời điểm đó là cấu trúc protein bất đối xứng lớn nhất từng được biết, cho thấy rằng mô hình xúc tác xoay tròn của Boyer về tính chất là đúng. Nhờ việc làm sáng tỏ cơ chế này, Boyer và Walker cùng nhận được một nửa Giải Nobel Hóa học năm 1997. Jens Christian Skou nhận được nửa còn lại của giải năm đó nhờ vào việc khám phá ra Na⁺/K⁺-ATPase, một enzyme vận chuyển ion.

phải|Cơ chế hoạt động của ATP synthase. ATP màu đỏ, ADP và phosphate vô cơ màu hồng, và tiểu đơn vị γ màu đen.

Mỗi tiểu đơn vị β của ATP synthase đều có khả năng bắt các phân tử ADP và P_i để xúc tác phản ứng tổng hợp chúng thành ATP. Tuy nhiên vì β nằm trên phần F₁ - nơi cách màng ti thể 9-10nm nên sự liên hệ giữa việc sinh tổng hợp ATP với dòng chảy proton là gián tiếp. Cơ chế hoạt động của ATP synthase được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay là cơ chế bám-thay đổi (binding-change mechanism).

Trạng thái mở (O - màu đỏ trong hình động), lúc này β bắt ATP rất kém và bắt ADP và P_i cũng rất yếu.

Khi ADP và phosphate bắt đầu bám vào tiểu đơn vị β, dòng chảy proton sẽ làm tiểu đơn vị γ xoay 120 độ, khiến β trải qua một sự thay đổi về cấu hình và chuyển sang trạng thái lỏng lẻo (L - màu cam) với việc liên kết chặt chẽ hơn với ADP và P_i vừa mới bám vào.

Tiếp đó, β chuyển sang trạng thái chặt (T - màu hồng), chúng bám ADP và P_i chặt tới mức hai chất này kết hợp thành ATP, trong trạng thái chặt ATP vừa mới sản sinh cũng vẫn bị β bám dính

Như vậy cứ mỗi lần γ xoay 120 độ thì các β đều thay đổi trạng thái và cứ một vòng quay 360 độ của γ sẽ tổng hợp được 3 phân tử ATP. Như đã nói, mỗi loại ATP synthase có số tiểu đơn vị c khác nhau, và con số này quyết định "tỉ số truyền động bánh răng" của ATP synthase - tức số proton cần thiết để ATP synthase sinh tổng hợp một phân tử ATP. Ở đây, trong trường hợp của vi khuẩn E.Coli với vòng c được tạo thành bởi 10 tiểu đơn vị, cứ 10 proton sẽ khiến c xoay một vòng và tạo ra 3 phân tử ATP - điều này phù hợp với các kết quả thí nghiệm về dòng proton chạy qua ATP synthase. Tương tự ở lục lạp một vòng c có 14 tiểu đơn vị và vì vậy cần 14 proton để sản sinh 3 phân tử ATP. Lý do tại sao số lượng proton cần cho 3 ATP lại khác nhau như vậy vẫn chưa được rõ ràng.

Các bằng chứng khoa học cho cơ chế bám - thay đổi

Các nhà khoa học đã tìm ra một số bằng chứng ủng hộ cơ chế bám-thay đổi này. Các nghiên cứu về hóa sinh cho thấy một trong số các tiểu đơn vị β có khả năng bám ADP và P_i rất chặt và phản ứng sinh tổng hợp ATP từ các ADP và P_i đó có mức năng lượng tự do Gibbs ΔG gần bằng không - điều này cho thấy ADP và P_i trong tiểu đơn vị β ở trạng thái chặt sẽ lập tức chuyển đổi thành ATP. Việc này cũng đưa ra một giả thuyết rằng phản ứng phân ly ATP có thể được cung cấp năng lượng bởi sự thay đổi cấu hình của β, sự thay đổi này bắt nguồn từ năng lượng của dòng proton chảy qua F_O.

Giống như các enzyme khác, hoạt tính của F₁F_O và ATP synthase mang tính thuận nghịch, hoán chuyển giữa thế điện hóa proton và năng lượng trong các liên kết hóa học. Phản ứng xảy ra theo chiều tổng hợp hay thủy phân ATP phụ thuộc vào sự cân bằng giữa năng lượng độ dốc của thế điện hóa proton (G_p, với giá trị luôn âm) và sự chênh lệch giữa năng lượng tự do Gibbs (ΔG, với giá trị luôn dương) trong phản ứng thủy phân ATP; sự cân bằng của hai giá trị này xảy ra khi G_p + ΔG = 0. G_p tỉ lệ trực tiếp với giá trị của lực vận động proton xuyên qua màng ti thể, còn ΔG tùy thuộc vào tỉ lệ của ATP với ADP và P_i Cụ thể, G_p + ΔG < 0, ATP synthase sẽ đóng vai trò sản sinh ATP nhằm thay đổi tỉ lệ ATP với ADP và P_i. Tương tự nếu G_p + ΔG > 0, ATP synthase sẽ thủy phân ATP để bơm thêm proton nhằm tăng cường sự chênh lệch thế điện hóa.

Tương tự, ở vi khuẩn ATP synthase cũng có tác dụng hoán chuyển giữa biến dưỡng hiếu khí và kị khí. hay vận chuyển các chất dinh dưỡng trong tế bào.

ATP synthase trong các cơ thể sống

Thực vật

Trong thực vật, ATP synthase cũng tồn tại trong các lục lạp (CF₁F_O-ATP synthase), cụ thể chúng nằm lẫn trong lớp màng của các thylakoid. Trong đó phần CF₁ hướng về chất nền, nơi pha tối của quang hợp - tức Chu trình Calvin - diễn ra và đó cũng là nơi sinh tổng hợp ATP. Cấu trúc tổng quát và cơ chế hoạt động của ATP synthase tại lục lạp gần như là giống với ti thể. Tuy nhiên, thế điện hóa và lực vận động proton ở lục lạp không phải được hình thành bởi chuỗi chuyển điện tử trong hô hấp mà bởi các protein quang hợp chính.

Bò

ATP synthase phân lập từ ti thể ở mô tim bò (Bos taurus) - xét về mặt cấu trúc và hóa sinh - là loại ATP synthase điển hình nhất. Tim bò được dùng như một nguồn cung cấp ATP synthase vì hàm lượng ti thể trong cơ tim bò rất cao.

Trực khuẩn đại tràng E. coli

Đây là loại đơn giản nhất hiện được biết đến trong dòng họ ATP synthase, bao hàm tám loại tiểu đơn vị protein.

Nấm men

Trong số các sinh vật nhân chuẩn, ATP synthase của nấm men được nghiên cứu kỹ nhất. Nó bao gồm 5 tiểu đơn vị ở phần F₁ và 8 ở phần F_O; 7 protein kèm theo cũng đã được nhận diện. Phần lớn các protein này đều có các chất tương đồng trong cơ thể sống của các sinh vật nhân chuẩn khác.

Người

Dưới đây là danh sách các gien mã hóa cho các protein của ATP synthase trong người:

• ATP5A1, ATP5AL1
• ATP5B, ATP5BL1
• ATP5C2, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5HP1, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5L2, ATP5O, ATP5S
• ATP6, ATP6AP1, ATP6AP2
• ATPSBL1, ATPSBL2
• MT-ATP6, MT-ATP8

Quá trình tiến hóa của ATP synthase

Sự tiến hóa của ATP synthase được cho là một ví dụ của tiến hóa khảm (mosaic evolution), trong đó hai tiểu đơn vị với chức năng riêng biệt đã gắn kết với nhau và có thêm chức năng hoàn toàn mới. Việc gắn kết này hẳn đã xảy ra trong giai đoạn rất sớm của quá trình tiến hóa của các cơ thể sống, bằng chứng là cấu trúc và hoạt động của ATP synthase được bảo tồn trong tất cả các sinh giới. Tuy nhiên trong khi F-ATP synthase tổng hợp ATP bằng cách dùng nguồn năng lượng của sự chênh lệch thế proton, V-ATPase thực thi vai trò kiến tạo nên một thế proton bằng cách thủy phân ATP, khiến môi trường có độ pH bằng 1.

Phần F₁ của ATP synthase cũng có nhiều nét tương đồng với cấu trúc của enzym lục hợp phân tử hêlicaza; còn phần F_O có những nét tương đồng với phức hợp "động cơ" quay tiên mao được cung cấp năng lượng bởi dòng proton H⁺.

Phần môto H⁺ của F_O cho thấy sự tương đồng to lớn về chức năng với người đồng sự ở tiên mao. Cả hai đều bao hàm một vòng ghép bởi các protein có hinh dạng xoắn alpha, chuyên động xoay tròn so với các protein đứng yên xung quan nó với năng lượng lấy từ thế điện hóa proton. Tuy nhiên đây chỉ là một mối liên hệ mỏng manh giữa hai cấu trúc vì bản thân môto của tiên mao có cấu trúc phức tạp hơn rất nhiều, vòng xoay của tiên mao cũng lớn hơn rất nhiều, bao hàm đến 30 proteinm so với 10, 11, hay 14 của F_O.

Thuyết tiến hóa khảm bề nguồn gốc của ATP synthase cho rằng hai tiểu đơn vị với chức năng khác nhau, một hêlicaza DNA với hoạt tính của ATPase và một môto H⁺ đã gắn kết với nhau và sự quay của môto đã phát động hoạt tính ATPase của hêlicaza theo chiều ngược lại. Cấu trúc này càng về sau càng hoàn thiện và cuối cùng trở thành enzyme ATP synthase ngày nay. Một giả thuyết khác cho rằng hêlicaza DNA/phức hợp mô to H⁺ cũng có thể chức năng bơm proton H⁺, hoạt tính ATPase của hêlicaza đã thúc đẩy hoạt động của động cơ H⁺ theo chiều ngược lại. Về sau chúng tiến hóa để thực thi hoạt động theo chiều ngược lại là sinh tổng hợp ATP, trở thành ATP synthase.