Tutti oggigiorno conoscono o hanno sentito parlare dell’ATP. Fu Fritz Fridman, un biochimico tedesco, che negli anni 1939-41 capì che questa molecola è la fonte di energia della cellula e coniò il termine “energy-rich phosphate bonds”. Giusto per farsi un’idea, è stato stimato che un uomo consuma in un giorno circa 50 Kg di ATP!
L’ATP sintasi è l’enzima responsabile della formazione dell’ATP cellulare, ed è uno degli enzimi più affascinanti e spettacolari che possediamo. Nato evolutivamente parlando molto presto, è presente quasi immutato in tutti gli organismi viventi, procarioti, eucarioti e archei. Il suo studio ha portato a un premio Nobel per la Chimica nel 1997 a Paul D. Boyer, a John E. Walker e a Jens C. Skou (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/ 1997/press.html).
  
L’ATP sintasi è localizzata sulla membrana plasmatica dei batteri e degli archei, sulla membrana interna dei mitocondri, dove è associata alla respirazione cellulare, e sulla membrana tilacoidale dei cloroplasti, associata alla fotosintesi.

E’ un enzima complesso nella sua struttura e nel suo meccanismo, ed è forse questo che più lo rende affascinante.
E’ formato da due domini, uno transmembranale e uno esterno alla membrana. Il dominio transmembrana è detto F0 ed è un canale protonico, il dominio F1 è citoplasmatico ed è il dominio catalitico.
F0 è formato da una subunità detta a, due subunità b e da 10 a 15 subunità c (in numero variabile secondo la specie) associate in modo da formare un anello che si inserisce tra i fosfolipidi di membrana. Gli ioni H+, Na+ o K+ passano secondo gradiente attraverso l’anello c e la subunità a: uno ione entra dall’esterno per un canale e si lega a una subunità c; l’anello c ruota di una subunità; entra un secondo ione che si fissa ad un’altra subunità; e così via finché ciascun ione fa una rotazione completa ed esce nel citoplasma per un secondo canale.
Quello che fa dell’ATP sintasi una “splendida macchina molecolare” è l’associazione del dominio F0 col dominio F1. E’ questa associazione che permette la catalisi di ATP a partire da ADP e Pi grazie al flusso dei protoni.
Il dominio F1 è formato da 3 subunità alfa e 3 subunità beta poste alternativamente a formare un cerchio, una subunità gamma, una delta e una epsilon. Quest’ultime tre collegano F1 a F0. I siti catalitici si trovano sulle subunità beta, e ciascuna delle 3 si trova nello stesso istante in uno stato differente: contemporaneamente la prima subunità lega l’ATP, la seconda lega l’ADP e fosfato, e la terza è vuota.
E’ il flusso di protoni attraverso il dominio F0 che causa la rotazione dell’anello c e contemporaneamente della subunità gamma. Gamma è in contatto con le subunità beta, e la sua rotazione causa dei cambiamenti conformazionali nelle tre subunità che cambiano il loro stato di affinità in quello che viene definito “binding change mechanism”: con una rotazione di gamma la prima subunità beta che era vuota va a legare l’ADP e il fosfato, la seconda che legava ADP e Pi trasforma quest’ultimi in ATP, e la terza che legava ATP si svuota liberandola nella cellula; con una seconda rotazione di gamma la prima forma l’ATP, la seconda libera ATP e la terza lega ADP e Pi; con una terza rotazione di gamma si torna al punto di partenza.  

Le prime ATP sintasi furono isolate verso il 1960. La prima struttura del dominio F1 si è ottenuta per cristallografia nel 1994 (Abrahams et al, Nature 1994; PDB 1bmf): le tre subunità beta apparivano strutturalmente diverse e legavano substrati differenti. La rotazione della subunità gamma è stata dimostrata con delle magnifiche esperienze da un gruppo giapponese (Noji et al, Nature 1997; Yasuda et al. Nature 2001), mettendo in luce come questa rotazione avvenga in 3 steps discreti di 120°: a ogni step corrisponde perciò un cambiamento di stato delle subunità beta. Molti aspetti del meccanismo d’azione del dominio catalitico dell’ATP sintasi sono, quindi, ormai conosciuti e accettati. Vista, invece, la difficoltà nel lavorare con proteine di membrana, la prima struttura completa dell’anello c del dominio F0 è stata pubblicata solo nel 2005 (Meier et al, Science 2005; PDB 1yce), e ancora a oggi non esistono strutture per la subunità a e la parte transmembrana della subunità b. Queste difficoltà fanno restare ancora alto il numero di incognite per il funzionamento del dominio F0, come la localizzazione dei canali per gli ioni, il meccanismo molecolare del flusso degli ioni e della rotazione delle subunità c.

Alcune letture consigliate:
-http://www.atpsynthase.info/index.html (con video e immagini)
-Von Ballmoos C et al, “Unique Rotary ATP Synthase and Its Biological Diversity”, Ann. Rev. Biophys. 2008, 37:43-64 (review)

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