El complejo ATP sintasa () o complejo V o FoF1-ATP sintasa (F = factor de acoplamiento, en inglés coupling factor) es una enzima transmembranal que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP, un grupo fosfato y la energía suministrada por un flujo de protones (H+). Durante la respiración celular, la síntesis de ATP se denomina fosforilación oxidativa y el flujo de protones tiene lugar entre el espacio intermembránico y la matriz mitocondrial. En el caso de la fotosíntesis, se habla de fotofosforilación y la enzima actúa en el lumen y el estroma de los cloroplastos.
La ATP sintasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo.*
Mediante experimentos in vitro se ha demostrado que la ATP sintasa actúa de forma independiente respecto a la cadena de transporte de electrones, la adición de un ácido débil (por ejemplo ácido acético) a una suspensión de mitocondrias aisladas es suficiente para inducir la biosíntesis de ATP in vitro.
Estructura y funciones de las unidades La ATP sintasa tiene un diámetro de 10 nm, y es el complejo más pequeño identificado hasta ahora. Trabaja con un grado de eficacia cercano al 100%.
Esta enzima está formada por dos complejos principales. Uno, que atraviesa la membrana mitocondrial interna o la membrana del tilacoide, se llama Fo (CFo en los tilacoides). El otro, que sobresale de la membrana, se llama F1 (CF1 en los tilacoides). F1 y Fo se asocian mediante interacciones electrostáticas.
El componente Fo es el motor impulsado por protones. Se conoce como factor sensible a la oligomicina y está formado por las subunidades a, b2 y c10-14. Las subunidades c forman el «anillo c», que rota en respuesta al flujo de protones por el complejo. El segundo complejo, F1, está formado por las subunidades α3, β3, γ, δ y ε. La parte principal del complejo F1 está formada por tres dímeros αβ. La actividad catalítica de este hexámero está localizada en las subunidades β. Las subunidades γ y ε giran impulsadas por el giro del anillo c. Cada rotación de 120° de la subunidad γ induce cambios conformacionales en las α y β. Finalmente, las subunidades b2OSCP1 (Oligomycin Sensitiviy Conferring Protein) enlazan los componentes F1 y Fo.
Teoría quimiosmótica La Teoría quimiosmótica, también conocida como la teoría quimiosmótica de Mitchell, explica la manera en que la energía libre que se genera por la actividad de cadena de transporte de electrones se emplea para producir ATP a partir de la reacción ADP + Pi.
Las coenzimas reducidas procedentes del ciclo de Krebs (NADH + H+ y FADH2) atraviesan una serie de complejos enzimáticos (cadena de transporte de electrones) que producen en ellas sucesivas reacciones de oxidación-reducción cuyo objetivo es la utilización del flujo de electrones para bombear protones al espacio intermembrana de la mitocondria o cloroplasto, creando un gradiente electroquímico un gradiente de pH (gradiente de concentración) y un desequilibrio de carga (gradiente electroquímico) en la membrana mitocondrial interna. Las ATP sintasa forman ATP utilizando la energía libre procedente del gradiente de protones, utilizando el hecho de que los protones tienden a volver al interior del orgánulo, y sólo pueden hacerlo a través de la ATP sintasa, ya que la membrana interna es impermeable a los protones.
Cuando los protones son bombeados fuera de la matriz, el espacio intermembrana se convierte en más ácido y con mayor carga positiva que en la matriz. La matriz es básica y con una carga negativa. Peter Dennis Mitchell (1920-1992) utilizó el término “quimiosmótico” para describir las reacciones enzimáticas en las que intervienen, simultáneamente, una reacción química y un proceso de transporte.
Mecanismo de la síntesis de ATP thumb|220px|right|Mecanismo de acción de la ATP sintasa. ATP en rojo, ADP y fosfato en rosado y la propiedad γ rodando en negro.
La síntesis de ATP se escribe algunas veces como:
ADP + Pi + nH+p → ATP + H2O + nH+P
F1 cataliza la síntesis, que es fuertemente endergónica, de ATP a partir de Pi y ADP. Mecánicamente se impulsa la reacción catalítica con la fuerza protón-motriz del gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial causando el movimiento de giro del anillo c, γ está unida al anillo c, provocándole movimientos de rotación. Cada rotación de 120° de la subunidad γ induce la aparición de cambios de conformación en los centros catalíticos de las unidades β de los dímeros αβ, de forma que los centros de fijación de nucleótidos van alternando entre tres estados:
Estado O = estado abierto, L = unión libre y T= unión tensa (en inglés, tight).
Aunque la composición de aminoácidos de las tres subunidades β es idéntica, sus conformaciones difieren en parte por la asociación a al subunidad γ.
Los dímeros αβ son asimétricos, cada uno de ellos presenta una conformación diferente en cada estado. Las tres subunidades β interaccionan de tal modo que, cuando una adopta la conformación O, otra ha de adoptar la conformación L y la del otro una conformación T. La conformación T posee mayor afinidad para ATP que para ADP + Pi y disminuye con ello la constante de velocidad de la reacción en valores cercano a uno; es decir, substrato y producto se encuentran en condiciones estándar, cerca de la equimolaridad.
La síntesis de ATP se inicia en el estado L con la unión de ADP y Pi. El siguiente estado es la conformación T que sigue la condensación del ADP y Pi a ATP con la formación de un enlace fosfodiéster. Finalmente, el estado O deja libre el producto ATP, y vuelve nuevamente al estado L iniciando nuevamente la siguiente ronda de síntesis. Por lo tanto, una rotación completa de la subunidad γ provoca que cada subunidad β se cicle a través de sus tres conformaciones posibles y en cada rotación se sintetizan y se liberan de la superficie del enzima tres moléculas de ATP. La interconvención conducida por protones, direccional y cíclica, de los estados O, L y T, permite una producción continua. Este mecanismo se conoce como mecanismo de cambio de la fijación.
El paso dependiente de energía no es la síntesis de ATP sino su liberación de un lugar de unión compacta. Esta liberación se produce por la rotación de γ que requiere energía, que impulsa los cambios conformacionales de los dímeros αβ. Esta liberación se produce simultáneamente con la unión del ADP y el Pi, que se habían unido previamente, se unen a un lugar T para experimentar una conversación espontánea a ATP, mientras que el lugar O, del que se liberó el ATP, une otro ADP y Pi para empezar de nuevo el proceso.
Historia En 1994, la publicación, por parte del grupo de John Walker, de la estructura cristalina del componente F1 de 371 kDa del complejo V aclaró el mecanismo que media el paso de protones a través del complejo FoF1 e impulsa la síntesis de ATP. Todo esto apoyó el mecanismo propuesto por Paul Boyer varios años antes, el mecanismo de catálisis rotacional, en el que la rotación de la subunidad γ produce cambios conformacionales de los dímeros αβ.
La determinación estructural del complejo FoF1 y el mecanismo de la síntesis de ATP condujo al reconocimiento de Walker y Boyer como ganadores del Premio Nobel de Química de 1997.
Acoplamiento del transporte electrónico y la síntesis de ATP El gradiente electroquímico acopla el ritmo de la cadena de transporte electrónico con el ritmo de la síntesis de ATP. Debido a que el flujo electrónico necesita el bombeo de protones, el flujo electrónico no puede producirse más rápidamente que la utilización de los protones para síntesis de ATP (fosforilación oxidativa acoplada), significando en una relación estrechamente acoplada entre la oxidación y la fosforilación.
Esto lleva a que los sustratos se oxidan, los electrones se transportan y el oxígeno se consuma tan solo cuando se requiere la síntesis de ATP. Por lo tanto, las mitocondrias en reposo consumen oxígeno a una velocidad lenta, pero que puede incrementarse enormemente en presencia de ADP. Las mitocondrias captan el ADP, lo que estimula la ATP sintasa que disminuye el gradiente de protones. Entonces aumenta la respiración, puesto que se estimulan las bombas de protones para restablecer el gradiente. Por tanto se puede resumir diciendo que el “control respiratorio” es la dependencia de captación de oxígeno por las mitocondrias según la disponibilidad de ATP.
Desacoplamiento Desacopladores sintéticos Se trata de un fenómeno donde los protones retornan a la matriz sin pasar por la ATP sintasa, lo que implica la no generación de ATP. El desacoplamiento es provocado por compuestos químicos, conocidos como desacopladores o como ionóforos protónicos (protonóforos). Los desacoplantes suelen ser compuestos hidrófobicos (bases o ácidos débiles), con un pKa cercano al pH 7, que captan protones rápidamente en el espacio intermembrana. Su liposolubilidad les permite difundir a través de la membrana mitocondrial interna transportando los protones y liberándolos en el lado de la matriz. La entrada rápida de protones disipa el gradiente de potencial electroquímico; por tanto la ATP sintasa es incapaz de sintetizar ATP, lo cual provoca que la membrana interna pierda su integridad estructural y, por extensión, las mitocondrias también. En este caso se dice que son porosas (leaky).
El desacoplamiento de la fosforilación oxidativa hace desaparecer el gradiente de protones sin intervención de la ATP sintasa. De este modo se prosigue el transporte de electrones a ritmo rápido, el sistema hace un intento inefectivo de restaurar el gradiente de protones oxidando más combustible y bombeando más protones hacia el exterior de las mitocondrias. La energía producida por el transporte de electrones se descarga en forma de calor en vez de utilizarse para la síntesis de ATP.
El 2,4-dinitrofenol (DNP) es una de la biomoléculas que tiene una función desacopladora, es liposoluble y puede atravesar la membrana siendo capaz de captar protones en un medio ácido. El DNP se recomendó en los Estados Unidos como fármaco adelgazante, basado en el principio de que la disminución de ATP y el aumento del transporte electrónico estimulaba la oxidación del combustible. Sin embargo, varias personas fallecieron como consecuencia de su uso. Aumenta radicalmente el consumo de oxígeno y los combustibles metabólicos, y casi toda la energía metabólica se pierde en forma de calor. Las células mueren tanto a causa del exceso de temperatura como de falta de ATP.
El ácido acetilsalicílico desacopla la fosforilación oxidativa en dosis elevadas. Esto explica la fiebre que acompaña a las sobredosis tóxicas de estos fármacos. Otros desacopladores son algunos conservantes y los antimicrobianos (por ej. pentaclorofenol y p-cresol).
Proteínas desacopladoras (UCP) Ocurre en la membrana mitocondrial interior de los mamíferos. Estas proteínas permiten que los protones reingresen en la matriz mitocondrial sin que se capture energía en forma de ATP.
La primera de estas UCP (uncoupling proteins) que se descubrió fue la proteína de desacoplamiento 1 (UCP1), llamada también termogenina y que se encuentra de modo exclusivo en el tejido adiposo pardo. El tejido adiposo pardo es abundante en el recién nacido y en algunos mamíferos adultos. Además, al parecer su color marrón se debe a su elevado contenido en mitocondrias. La única función. La UCP1 se encarga de activar la oxidación de los ácidos grasos y la producción de calor en el tejido adiposo pardo, proporcionando calor corporal durante el estrés por frío en los animales jóvenes y algunos adultos así como durante la hibernación. Ello se consigue desacoplando el gradiente de protones y generando así calor (termogénesis) en lugar de ATP.