ATPase

ATPase (adenosin trifosfatase) er en stor gruppe av enzymer som katalyserer hydrolyse av ATP og som gir produktene ADP, uorganisk fosfat samtidig med frigivelse av fri energi som kan brukes til transportprosesser. Med energien som ligger lagret i ATP-molekylet transporterer de ioner over cellemembraner mot en konsentrasjonsgradient. ATPaser er ionepumper i membraner som virker som elektrogene pumper og lager membranpotensialer i celler.

ATP-drevet ionetransport

Transport ut og inn av celler er fundamentalt for alt liv hvor proteiner deltar i transporten og konstruksjon av transportkanaler.  Den danske legen og fysiologen Jens Christian Skou (1918-2018) fikk nobelprisen i kjemi i 1997 «for den første oppdagelsen av et ionetransporterende enzym, Na+,K+-ATPase». Prisen ble delt med John E Walker og Paul D Boyer «for deres oppklaring av den enzymatiske mekanismen som ligger bak syntesen av adenosin trifosfat (ATP)».

I 1957 startet Jens Skou studier av ionetransport i nerver på beina hos krabber. Han oppdaget at ATP ble brukt til å frakte natrium- og kaliumioner (Na+/K+) over membranen i nerveaksonet. Omtrent samtidig  med Skou studerte amerikaneren Robert L Post (1920-2021)   natriumkaliumpumper i røde blodceller som frakter tre natrium (Na+) ut samtidig med to kalium (K+) inn i cellene.  Dette gir en potensialforskjell. R Wayne Albers fant at fosfat blir kovalent bundet til enzymet i enzymreaksjonen. Seinere viser det seg at ATPase finnes i to fosforylerte konformasjonformer E1P  (enzym 1) og E2P (enzym 2) med forskjellig affinitet for ATP og ioner og inngår i enr Post-Albers syklus.

Bruker ATP for å opprettholde ionegradienter over membraner med ATPase. Reaksjonen er reversibel slik at de også kan bruke ionegradienter til å lage ATP via en kjemiosmotisk hypotese, en ATPsyntase. 

P-type ATPase

P-type adenosin trisfosfataser (ATPaser) deltar i frakt av ioner og lipider og finnes i alle organismegrupper, bakterier, arkebakterier og eukaryoter. P angir at de kan autofosforylere  aspartat i sin egen alfa-heliks proteinkjede. Hos pattedyr deltar P-type ATPase i overføring av nerveimpulser, muskelsammentrekning og i elektrolyttbalanse med utskillelse og absorbsjon av ioner i nyrene.

ATPaser omfatter 20 proteinfamilier, Type P1, P2, P3, P4 og P5. Kalles også pumper:  protonpumper (H+-ATPase), magnesiumpumper (Mg2+-ATPase), fosfolipid flippase, natriumpumper (Na+-ATPase), kaliumpumper (K+-ATPase), natrium-kaliumpumper (Na+/K+-ATPase), proton-kaliumpumper (H+/K+-ATPase), kalsiumpumper (Ca2+-ATPase), og tungmetall P1B-type ATPase. 

Fri energi ved hydrolyse av ATP under standardbetingelser ΔG0' (25oC, atmosfæretrykk, og pH=7) er -29.3 kJ mol-1 og frigivelse av energi kan kobles til transportprosesser. Felles egenskap er en syrestabilisert fosforylering av aspartat og en konformasjonsendring i proteinet. Proteinet har 10 hydrofobe helikser gjennom membranen (M1-M10). Har felles domene DKTGTLT, hvor D er aspartat som blir reversibelt fosforylert.

Bakterier har ca. 4 forskjellige P-type ATPase, bakegjær har 16 ATPaser Planter har mer enn 45 forskjellige P-ATPaser. Type 1 pumpene (1A og 1B)  er de mest evolusjonært primitive. Type 2 og 3 virker som elektrogene pumper. Type 5 finnes bare i eukaryoter og deltar i transport av lipider

 P-type ATPase er natriumkaliumpumper (Na+/K+-ATPase) som finnes i alle levende celler.  Na+/K+ ATPase opprettholder membranpotensialet hos pattedyr ved å sende ut 3 Na+ i bytte mot 2 K+ tatt opp i hver syklus. Natrium-kalium-ATPase har en fundamental funksjon i overføring av aksjonspotensial mellom nerveceller og fra nerveceller til muskler. Aksjonspotensialer med åpning og lukking av ionekanaler er nødvendig for overføring av nerveimpulser og sammentrekning av muskelceller (muskelkontraksjon).

Ouabain (g-strophanthin) er et hjerteglykosidene (cardenolider) også brukt som pilegift isolert fra den treaktige lianen Strophanthus gratus og treet Acokanthera shimperi i gravmyrtfamilien Apocynaceae, klad asterider, som vokser naturlig i Øst-Afrika. Ouabain finnes i alle delene av plantene. Ouabain hemmer natriumkaliumionepumpen (Na+/K+-ATPase) slik som andre hjerteglykosider.

Kalsium-ATPase (Ca2+-ATPase) frakter kalsium fra cytoplasma inn i vakuolen og til utsiden av plasmamembranen. Kalsium pumpes også inn i endoplasmatisk retikulum og over mitokondriemembranen. Åpning av kalsiumkanaler virker som en sekundær budbringer. kalsiumpumper (Ca2+-ATPase) i sarkoplasmatisk retikulum regulerer kalsiumkonsentrasjon i muskler.  

Protonkaliumpumpe ( H+/K+-ATPase) deltar i surgjøring og gir lav pH i magesekken.

Hos planter og sopp er protonpumpene (H+-ATPase) spesielt viktige. Type 3A H+ATPase i plasmamembranen hos planteri og sopp gir ved intracellulær pH ca. 6.6 et membranpotensial ca. -180 mV.

Type 4 P-type ATPase (P4-ATPase) er en lipid flippase som driver aktiv transport av fosfolipider fra eksoplasma til plasmamembranen og cytosol. P4-ATPase kan være spesifikk for en spesiell type fosfolipider e.g. fosfatidyletanolamin eller fosfatidylserin.

Det er flere forskjellige tungmetall-ATPase som frakter tungmetaller som kationer av nikkel, zink, kadmium, koblet, bly og kobber.

H+-ATPase hos planter

H+-ATPase er et enzym hos planter og sopp plassert i membraner som har en viktig funksjon med å lage protongradienter koblet til transportprosesser. Energien som ligger i protongradienten kan brukes i planter til å drive sekundær transport  som frakt av ioner, sukrose og aminosyrer over cellemembraner.

ATP + H2O + H+(inne) ⇔ ADP + Pi + H+ (ute)

H+ATPase virker som en elektrogen protonpumpe som lager en elektrokjemisk gradient over cellemembraner og bidrar således til membranpotensialet. H+ATPase har mange av de samme funksjonene som Na+/K+ ATPase i dyreceller.

Innlasting av sukrose fra følgeceller til silrør i planter skjer ved kotransport  med H+. H+ATPase deltar ved opptak av mineralnæring fra jorda f.eks. nitrat-H+ symport og ammonium-H+ antiport. For planter som vokser i saltrik jord deltar natrium-H+ antiport for å frakte ut natrium (Na+) fra cellene.

Blåttlysaktivert H+ATPase i lukkecellene i bladenes spalteåpninger senker membranpotensialet i spalteåpningsmekanismen, det blir mer negativt, slik at det skjer hyperpolarisering som åpner for spenningsregulerte K+ innover kanaler, vann følger etter grunnet senket vannpotensial og turgortrykket i lukkecellene øker og spalten åpner seg.

Noen patogene sopp gir en type visnesyke hos planter ved å produsere kjemiske stoffer som aktiverer den H+ATPase slik at spalteåpningene blir stående kontinuerlig åpne og det uregulerte vanntapet gjør at planten visner. F.eks. fusicoccin fra soppen Fusicoccum amygdali som angriper mandel- og ferskentrær.  

H+ATPase deltar i sur vekst av celler indusert av auxin.  Protongradienter dannes ved veksten av spissen til enkeltceller som rothår og pollenslanger. Bevegelse av plantedeler som blader og blomsterblad er drevet av motorceller som endrer turgor og hvor H+ATPase deltar.

H+ATPase regulerer pH i forskjellige kompartementer i cellen inkludert sure vakuoler.

ATP syntase i oksidativ fosforylering og fotofosforylering

ATPase kan også brukes i motsatt retning til å lage ATP og kalles da ATP syntase  og deltar i oksidativ fosforylering og fotofosforylering. ATP syntase er et protein som roterer ved sin katalyttiske aktivitet. ATPase består av et katalyttisk hode F1 bestående av fem polypeptider som sørger for reaksjonen ADP + Pi ⇒ ATP og en del Fo som er en integrert del av membranen og består av tre polypeptider. Energien som frigis ved spalting av ATP kan kobles til aktiv transport, uttvinning av DNA eller bevegelse av flageller. ATPase finnes i membraner og cytoskjelett. Hemmere som blokkerer elektrontransport og derved ATP-syntese er karbonmonoksid (CO), cyanid (CN-) og azid (N3-).

Avkoblere som hemmer ATPsyntese uten å påvirke elektrontransporten er dinitrofenol og dicoumarol.

ATPasene hører hjemme i en såkalt ABC-familie transportproteiner (ATP-bindende kasett, ATP Binding Cassette) av transportører hvor transport av en rekke stoffer er koblet til hydrolyse av ATP. Det ATP-bindende domene på proteinet har lik aminosyresekvens hos prokaryoter og eukaryoter. Medlemmer av ABC-familien kan også frakte legemidler ut av celler og på den måten forårsake resistens.

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:08 - Sist endret 19. okt. 2021 11:51