ATPase

ATPase transmembran memasukkan metabolit yang diperlukan untuk metabolisme sel serta mengeluarkan toksin, limbah, dan zat terlarut yang dapat menghambat proses seluler. Contoh pentingnya adalah pompa natrium-kalium (Na⁺/K⁺ATPase) yang mempertahankan potensial membran sel. Contoh lainnya adalah pompa hidrogen kalium ATPase (H⁺/K⁺ATPase atau pompa proton lambung) yang mengasamkan isi lambung. ATPase terkonservasi secara genetik pada hewan; oleh karena itu, kardenolida—steroid beracun yang dihasilkan tumbuhan dan bekerja pada ATPase—menjadi racun hewan yang umum dan efektif dengan efek yang bergantung pada dosis.

Selain penukar, kategori ATPase transmembran lainnya mencakup ko-transporter dan pompa (meskipun beberapa penukar juga merupakan pompa). Beberapa di antaranya, seperti Na⁺/K⁺ATPase, menyebabkan aliran muatan neto; sementara yang lain tidak. Enzim-enzim ini masing-masing disebut sebagai transporter elektrogenik dan transporter elektronetral. Varian genetik pada ATPase menyebabkan spektrum penyakit manusia yang luas, mulai dari penyakit prenatal hingga penyakit yang muncul di kemudian hari.

Motif Walker adalah motif urutan protein yang menjadi ciri khas untuk pengikatan dan hidrolisis nukleotida. Di luar fungsi umum tersebut, motif Walker dapat ditemukan pada hampir semua ATPase alami, kecuali pada kinase tirosina. Motif Walker umumnya membentuk struktur lembaran-beta–belokan–heliks-alfa yang mengatur dirinya sendiri menjadi Nest (motif struktural protein).

Desain protein telah berhasil mereplikasi fungsi ATPase (meskipun lemah) tanpa menggunakan urutan atau struktur ATPase alami. Yang penting, meskipun semua ATPase alami memiliki struktur lembaran-beta, "ATPase Alternatif" hasil rekayasa tidak memiliki struktur lembaran-beta; hal ini menunjukkan bahwa fungsi yang vital bagi kehidupan tersebut dapat dijalankan dengan menggunakan urutan dan struktur yang tidak ditemukan di alam.

ATPase (disebut juga ATP Sintase F_oF₁) adalah kompleks pemindah muatan yang mengatalisis sintesis ATP dengan cara memindahkan ion melintasi membran.

Penggandengan antara hidrolisis ATP dan transpor merupakan reaksi kimia di mana sejumlah molekul zat terlarut dipindahkan untuk setiap molekul ATP yang dihidrolisis; pada penukar Na⁺/K⁺, proses ini melibatkan pemindahan tiga ion Na⁺ ke luar sel dan dua ion K⁺ ke dalam sel untuk setiap molekul ATP yang dihidrolisis.

ATPase transmembran memanfaatkan energi potensial kimia ATP untuk melakukan kerja mekanis: enzim ini memindahkan zat terlarut ke arah yang berlawanan dengan arah pergerakan yang disukai secara termodinamika—yaitu, dari sisi membran dengan konsentrasi rendah ke sisi dengan konsentrasi tinggi. Proses ini disebut sebagai transpor aktif.

Sebagai contoh, penghambatan H⁺-ATPase vesikular akan menyebabkan peningkatan pH di dalam vesikel dan penurunan pH sitoplasma.

Semua ATPase memiliki struktur dasar yang sama. Setiap ATPase rotari terdiri dari dua komponen utama: F_o/A₀/V₀ dan F₁/A₁/V₁. Komponen-komponen ini dihubungkan oleh 1–3 tangkai untuk menjaga stabilitas, mengontrol rotasi, dan mencegah rotasi ke arah sebaliknya. Salah satu tangkai berfungsi untuk meneruskan torsi. Jumlah tangkai periferal bergantung pada jenis ATPase: F-ATPase memiliki satu tangkai, A-ATPase memiliki dua, dan V-ATPase memiliki tiga. Domain katalitik F₁ terletak pada sisi-N (sisi negatif) membran serta berperan dalam sintesis dan degradasi ATP, termasuk dalam proses fosforilasi oksidatif. Domain transmembran F_o berperan dalam pergerakan ion melintasi membran.

F_oF₁-ATPase bakteri terdiri dari domain F₁ yang larut dan domain transmembran F_o, yang tersusun atas beberapa subunit dengan stoikiometri yang bervariasi. Terdapat dua subunit, yaitu γ dan ε, yang membentuk tangkai pusat dan terhubung ke F_o. F_o mengandung oligomer subunit-c yang berbentuk cincin. Subunit α terletak berdekatan dengan subunit b₂ dan membentuk tangkai yang menghubungkan subunit transmembran dengan subunit α3β3 dan δ. Secara umum, enzim F-ATP sintase memiliki tampilan dan fungsi yang identik, kecuali pada F_oF₁-ATP sintase mitokondria yang memiliki 7–9 subunit tambahan.

Potensial elektrokimiawi inilah yang menyebabkan cincin-c berotasi searah jarum jam untuk sintesis ATP. Hal ini memicu perubahan bentuk pada tangkai pusat dan domain katalitik. Rotasi cincin-c menghasilkan tiga molekul ATP, yang kemudian menyebabkan pergerakan ion H⁺ dari sisi-P (sisi positif) membran menuju sisi-N (sisi negatif) membran. Rotasi cincin-c yang berlawanan arah jarum jam didorong oleh hidrolisis ATP dan pergerakan ion dari sisi-N ke sisi-P, yang membantu membangun potensial elektrokimia.

Sintase ATP pada mitokondria dan kloroplas merupakan enzim anabolik yang memanfaatkan energi dari gradien proton transmembran sebagai sumber energi untuk menambahkan gugus fosfat anorganik ke molekul adenosina difosfat (ADP) guna membentuk molekul adenosina trifosfat (ATP).

Enzim ini bekerja ketika proton bergerak menuruni gradien konsentrasi, yang menyebabkan enzim tersebut melakukan gerakan berputar. Gerakan berputar yang unik ini menyatukan ADP dan P (fosfat anorganik) untuk menghasilkan ATP.

Sintase ATP juga dapat bekerja secara terbalik, yaitu menggunakan energi yang dilepaskan melalui hidrolisis ATP untuk memompa proton melawan gradien elektrokimianya.

Terdapat berbagai jenis ATPase yang berbeda dalam hal fungsi (sintesis dan/atau hidrolisis ATP), struktur (ATPase tipe F, V, dan A memiliki motor rotari), serta jenis ion yang ditranspornya.

• ATPase rotari
  • F-ATPase (F1FO-ATPase) pada mitokondria, kloroplas, dan membran plasma bakteri merupakan penghasil utama ATP; enzim ini menggunakan gradien proton yang dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif (pada mitokondria) atau fotosintesis (pada kloroplas).
    • F-ATPase yang tidak memiliki subunit delta/OSCP diketahui mentranspor ion natrium sebagai gantinya. Enzim ini diusulkan untuk disebut sebagai N-ATPase, karena tampaknya membentuk kelompok tersendiri yang jarak kekerabatannya lebih jauh dari F-ATPase biasa dibandingkan jarak antara A-ATPase dan V-ATPase.
  • V-ATPase (V1VO-ATPase) terutama ditemukan pada vakuola eukariota; enzim ini mengatalisis hidrolisis ATP untuk mentranspor zat terlarut dan menurunkan pH di dalam organel, seperti yang terjadi pada pompa proton lisosom.
  • A-ATPase (A1AO-ATPase) ditemukan pada arkea dan beberapa bakteri ekstremofil. Susunan strukturnya menyerupai V-ATPase, namun fungsinya mirip dengan F-ATPase, yaitu terutama sebagai sintase ATP.
  • Terdapat banyak homolog yang tidak selalu bersifat rotatori.
• P-ATPase (E1E2-ATPase) ditemukan pada bakteri, fungi, serta membran plasma dan organel eukariota; enzim ini berfungsi mengangkut berbagai jenis ion melintasi membran.
• E-ATPase adalah enzim permukaan sel yang menghidrolisis berbagai NTP, termasuk ATP ekstraseluler. Contohnya meliputi ekto-ATPase, CD39, dan ekto-ATP/Dase; semuanya merupakan anggota superfamili "GDA1 CD39".
• Protein AAA adalah keluarga NTPase dengan motif lengkung P yang berbentuk cincin.

P-ATPase

P-ATPase (terkadang disebut sebagai "ATPase E1-E2") ditemukan pada bakteri serta pada membran plasma dan organel eukariota. Namanya berasal dari fakta bahwa gugus fosfat anorganik melekat secara singkat pada residu aspartat saat aktivasi. Fungsi P-ATPase adalah mengangkut berbagai senyawa—seperti ion dan fosfolipid—melintasi membran dengan memanfaatkan energi dari hidrolisis ATP. Terdapat berbagai kelas P-ATPase, yang masing-masing mengangkut jenis ion tertentu. P-ATPase dapat terdiri dari satu atau dua polipeptida dan umumnya dapat berada dalam dua konformasi utama, yaitu E1 dan E2.

Gen manusia

• Transpor Na⁺/K⁺: ATP1A1, ATP1A2, ATP1A3, ATP1A4, ATP1B1, ATP1B2, ATP1B3, ATP1B4
• Transpor Ca²⁺: ATP2A1, ATP2A2, ATP2A3, ATP2B1, ATP2B2, ATP2B3, ATP2B4, ATP2C1, ATP2C2
• Pertukaran H⁺/K⁺: ATP4A
• Transpor H⁺, mitokondria: ATP5F1A, ATP5F1B, ATP5F1C, ATP5C2, ATP5F1D, ATP5F1E, ATP5F1, ATP5MC1, ATP5MC2, ATP5MC3, ATP5PD, ATP5ME, ATP5PF, ATP5MF, ATP5MG, ATP5L2, ATP5PO, ATP5S, MT-ATP6, MT-ATP8
• Transpor H⁺, lisosomal: ATP6AP1, ATP6AP2, ATP6V1A, ATP6V1B1, ATP6V1B2, ATP6V1C1, ATP6V1C2, ATP6V1D, ATP6V1E1, ATP6V1E2, ATP6V1F, ATP6V1G1, ATP6V1G2, ATP6V1G3, ATP6V1H, ATP6V0A1, ATP6V0A2, ATP6V0A4, ATP6V0B, ATP6V0C, ATP6V0D1, ATP6V0D2, ATP6V0E
• transpor Cu²⁺: ATP7A, ATP7B
• Kelas I, tipe 8: ATP8A1, ATP8B1, ATP8B2, ATP8B3, ATP8B4
• Kelas II, tipe 9: ATP9A, ATP9B
• Kelas V, tipe 10: ATP10A, ATP10B, ATP10D
• Kelas VI, tipe 11: ATP11A, ATP11B, ATP11C
• transpor H⁺/K⁺, non-gastrik: ATP12A
• tipe 13: ATP13A1, ATP13A2, ATP13A3, ATP13A4, ATP13A5

• Sintase ATP
• subunit alfa/beta sintase ATP
• protein AAA
• P-ATPase

• "ATP synthase - a splendid molecular machine"
• MeSH ATPase
• Electron microscopy structures of ATPases from the EM Data Bank(EMDB)

Templat:Ion pumps Templat:Acid anhydride hydrolases Templat:Enzymes