ATPasi

Le ATPasi sono un tipo di enzima che idrolizza l’ATP e utilizza l’energia rilasciata nell’idrolisi per avviare processi biologici non spontanei come il pompaggio di ioni, il folding delle proteine ​​e lo spostamento di molecole.

Alcuni enzimi idrolizzanti l’adenosina trifosfato, o ATPasi, sono proteine ​​transmembrana coinvolte nel trasporto di soluti attraverso le membrane, mentre altre sono citoplasmatiche e possono essere associate a una membrana biologica come la membrana plasmatica detta anche membrana cellulare o quelle degli organelli.

Questi enzimi idrolizzanti l’adenosina trifosfatoi transmembrana, di cui la pompa sodio-potassio costituisce un esempio, importano metaboliti necessari per il metabolismo cellulare ed esportano tossine, rifiuti e soluti che possono ostacolare i processi cellulari.

Sono espresse come trasportatori legati alla membrana in diversi tipi di cellule e sono state classificate funzionalmente come F-ATPasi utilizzate principalmente nella sintesi dell’ATP, V-ATPasi, A-ATPasi, gruppo correlato di ATPasi presenti negli archeobatteri, che spesso funzionano come ATP sintasi, P-ATPasi  ovvero ATPasi fosforilate e E-ATPasi.

Queste ultime hanno un’attività che dipende da Ca²⁺ o Mg²⁺e sono coinvolte in molti processi biologici come la modulazione dell’attività delle cellule neurali, la prevenzione della trombosi intravascolare e la glicosilazione proteica. Sono enzimi di superficie cellulare legati alla membrana che hanno un’ampia specificità di substrato, idrolizzando oltre che l’ATP anche i nucleosidi trifosfato e l’uridina-5′-trifosfato (UTP).

F-ATPasi

Le F-ATPasi sono complessi enzimatici multi-subunità presenti nelle membrane di trasduzione dell’energia in eubatteri, mitocondri e cloroplasti. In condizioni ossidative, il loro ruolo è quello di catalizzare la formazione di ATP da ADP e fosfato inorganico sfruttando il gradiente protonico generato durante la catena respiratoria con il pompaggio di ioni H⁺ fuori dalla matrice (mitocondri) o dalla fotosintesi (cloroplasti).

In condizioni anaerobiche gli enzimi eubatterici eseguono la reazione inversa e generano la forza motrice protonica utilizzando l’energia liberata dall’idrolisi dell’ATP prodotto dalla fermentazione, mentre specifici meccanismi inibitori impediscono agli enzimi dei cloroplasti e mitocondriali di eseguire la reazione inversa.

Domini

Le attività di idrolasi dell’ATP degli enzimi provenienti da mitocondri, cloroplasti e alcuni eubatteri sono inibite e questi enzimi possono sintetizzare solo ATP. Le F-ATPasi sono costituite da due domini strutturali principali, un dominio intrinseco di membrana noto come F₀ e un dominio globulare estrinseco, chiamato F₁ , collegati tra loro da uno stelo centrale e uno periferico.

Il dominio F₁ è il sito di formazione catalitica di ATP dove l’energia è fornita dalla forza motrice protonica tramite un meccanismo di accoppiamento meccanico in cui lo stelo centrale ruota in senso orario rispetto alla membrana. Questa rotazione è guidata dal passaggio verso l’interno dei protoni attraverso la membrana tramite canali nella singola subunità a in F₀  che si trova in stretta associazione con la periferia di un anello visto dall’alto o dal basso della membrana di subunità c idrofobiche.

Il passaggio dei protoni attraverso i canali rilascia energia per guidare la rotazione in senso orario dell’anello. Poiché la superficie superiore dell’anello è intimamente associata alla terminazione dello stelo centrale, l’anello e lo stelo centrale ruotano insieme. Lo stelo centrale si estende verso l’alto dalla per circa 45 Å. quindi penetra nella regione globulare sferica del dominio catalitico F₁ , una sfera con un diametro di circa 100 Å costituita da tre subunità α e tre subunità β disposte in alternanza attorno all’asse dello stelo centrale.

In questa regione, lo stelo centrale è costituito da una spirale antiparallela di α-eliche. Una di queste eliche ovvero la regione C-terminale della subunità γ è diretta verso l’alto oltre la spirale attraverso il dominio α₃β₃ in modo che il residuo C-terminale sia esposto nella parte superiore della struttura.

Questa regione è asimmetrica e, ruotando, provoca una serie di cambiamenti conformazionali nei tre siti catalitici, che si trovano principalmente nelle subunità β alle interfacce con le subunità α. Durante ogni rotazione di 360°, ogni sito catalitico viene portato a turno attraverso una serie di stati conformazionali definiti dall’asimmetria dello stelo centrale dove ADP e fosfato si legano, con formazione di ATP.

V-ATPasi

Sono macchine molecolari su scala nanometrica che eseguono una catalisi rotazionale, presenti in tutti i regni della vita  condividendo un’origine comune con gli enzimi idrolizzanti l’adenosina trifosfato di tipo F e quelli di tipo A.  Strutturalmente, le V-ATPasi sono composte da più subunità, ciascuna con più isoforme, presentano un complesso citoplasmatico V₁  per l’idrolisi dell’ATP e da un complesso V₀ incorporato nella membrana per il trasferimento protonico.

Il dominio V₁  è composto dalle subunità che vanno da A a H in una stechiometria del tipo A₃B₃CDE₃FG₃H, mentre V₀ è costituito dalle subunità a , c, c″, d, e, in una stechiometria del tipo ac₉c″de. Le V-ATPasi possono essere considerate come una macchina rotativa che quindi contiene sia sottocomplessi stazionari che rotazionali.

Le V-ATPasi sono pompe protoniche elettrogeniche dipendenti da ATP che svolgono un ruolo cruciale nel processo di riassorbimento osseo operato dagli osteoclasti che svolge un ruolo importante nel corso dei processi di rigenerazione e rimodellamento del tessuto osseo e inoltre contribuiscono a malattie altamente debilitanti come l’osteoporosi.

All’interno della membrana plasmatica, le V-ATPasi regolano il riassorbimento osseo, l’acidificazione renale, l’omeostasi del pH , la secrezione dello ione potassio e l’omeostasi dello ione calcio. Il trasporto protonico dipendente dalla V-ATPasi acidifica i compartimenti endocitici, secretori, autofagici ed extracellulari ed è quindi essenziale per una varietà di processi importanti.

L’acidificazione svolge infatti diversi ruoli essenziali nell’omeostasi cellulare dei nutrienti e dell’energia. L’omeostasi degli amminoacidi, in cui le cellule bilanciano i processi di generazione e consumo degli amminoacidi, dipende dalle V-ATPasi, perché la degradazione delle proteine ​ presenti nelle vescicole che contengono proteine destinate al lisosoma, è un modo importante in cui le cellule generano amminoacidi liberi

P-ATPasi 

Le ATPasi di tipo P che trovano in tutte le forme di vita costituiscono una delle più grandi famiglie di proteine ​​che trasportano ioni e lipidi attraverso le membrane cellulari contro un gradiente di concentrazione utilizzando l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP.

Sulla base dell’omologia di sequenza sono classificate in cinque classi principali: P1, P2, P3, P4 e P5. Di queste, le ATPasi di tipo P1, P2 e P3 sono trasportatori di cationi, le ATPasi di tipo P4 trasportano fosfolipidi mentre per quelle di tipo P5 i loro substrati sono ancora sconosciuti.

La struttura di base di tutte le ATPasi di tipo P include una subunità responsabile dell’attività idrolitica dell’ATPasi e delle proprietà di traslocazione ionica del trasportatore. All’interno di questo polipeptide si trovano il sito di legame dell’ATP e un residuo di aspartato altamente conservato che diventa fosforilato temporaneamente durante il ciclo di reazioni che sono collegate al processo di trasporto ionico.

Attraverso cicli di fosforilazione e defosforilazione, questi trasportatori subiscono cambiamenti conformazionali proteici che consentono il legame, il movimento e il rilascio degli ioni da un lato della membrana all’altro.

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