4.6: ATP Sintasa
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La ATP sintasa es un enorme complejo molecular (>500,000 daltons) incrustado en la membrana interna de las mitocondrias. Su función es convertir la energía de los protones (H +) bajando su gradiente de concentración en la síntesis de ATP. 3 a 4 protones que se mueven a través de esta máquina es suficiente para convertir una molécula de ADP y P i (fosfato inorgánico) en una molécula de ATP. Un complejo de ATP sintasa puede generar >100 moléculas de ATP cada segundo.
La ATP sintasa se puede separar en 2 partes:
- F o - la porción incrustada en la membrana mitocondrial interna
- F 1 -ATPasa — la porción que se proyecta en la matriz de la mitocondria
Es por ello que la ATP sintasa intacta también se llama F o F-1-ATPasa.
Cuando la F-ATPasa se aísla in vitro, cataliza la hidrólisis de ATP a ADP y P i (razón por la cual se llama F-1-ATPasa). Mientras lo hace, la porción central de F o unida al tallo gira rápidamente en sentido antihorario (como se ve desde arriba).
En la mitocondria intacta, los protones que se han acumulado en el espacio intermembrana ingresan al complejo F o y salen de él hacia la matriz. La energía que renuncian a medida que viajan por su gradiente de concentración gira F o y su tallo (a ~6000 rpm) en el sentido de las agujas del reloj. Al hacerlo, induce cambios conformacionales repetidos en las proteínas de la cabeza que les permiten convertir ADP y P i en ATP. (En la figura, dos de los tres dímeros que componen las proteínas de la cabeza han sido retirados para revelar el tallo insertado en su centro).
En ambos casos, la máquina está convirtiendo la energía química de la hidrólisis del ATP en el caso in vitro y el flujo de protones por su gradiente de concentración en la mitocondria intacta en energía mecánica, el giro del motor. Pero este notable dispositivo se puede hacer para hacer lo contrario, convirtiendo la energía mecánica (giro del motor) en energía química.
Un grupo de científicos japoneses interesados en nano-máquinas han logrado unir perlas magnéticas a los tallos de la F-ATPasa aislada in vitro. Después usando un campo magnético giratorio pudieron hacer que los tallos rotaran. Cuando se gira en el sentido de las agujas del reloj, la F-1-ATPasa sintetizó ATP a partir de ADP y P i en el medio circundante, ¡a una velocidad de aproximadamente 5 moléculas por segundo! (Al rotar los tallos en sentido contrario a las agujas del reloj, o no girarlos en absoluto, el ATP se hidrolizó en ADP y P i.)
Su logro se reportó en Itoh, H., et al., Nature, 29 de enero de 2004.