ATP sintase é o nome genérico dado a enzimas que fornecem energia para o funcionamento das células através da síntese de ATP (trifosfato de adenosina) a partir de ADP (adenosina bifostato) e de fosfato inorgânico, utilizando para isso alguma forma de energia. A sequência da reacção, provocada por esta enzima na presença do ião magnésio, é a seguinte:

ADP + P_i → ATP

O ATP é a forma mais comum de transferência de energia nas células da maior parte dos organismos.

A energia é frequentemente libertada na forma de prótio ou H+, gerando um gradiente eletroquímico, como acontece, a partir do lúmen do tilacoide no estroma dos cloroplastos ou a partir do espaço intermembranoso na matriz das mitocôndrias.

Estrutura

Localizado nas mitocôndrias, a ATP sintase consiste em duas regiões:

A parte F_O dentro da membrana.
A parte F₁ da ATP sintase está acima da membrana, dentro da matriz da mitocôndria.

Estrutura mitocondrial: (1) membrana interna, (2) membrana externa, (3) cristas, (4) matriz

A fração F₁ deve o seu nome ao termo "Fraction 1" (“Fração 1”) e F_O (com a letra "o" subscrita, e não "zero") refere-se ao facto de ser a fração de ligação da oligomicina. A oligomicina, um antibiótico, inibe a unidade F_O da ATP sintase.

Estas regiões funcionais são constituídas por diferentes subunidades proteicas.

Estrutura F₁- ATP Sintase

A partícula F₁ é grande e pode ser observada no microscópio eletrónico de transmissão através de coloração negativa. São partículas de 9 nm de diâmetro que polvilham a membrana interna mitocondrial. Eram originalmente chamadas de partículas elementares e pensava-se que continham todo o aparato respiratório da mitocôndria, mas, graças a uma longa série de experiências, Ephraim Racker e os seus colegas (que pela primeira vez isolaram a partícula F₁ em 1961) ficaram em condições de demonstrar que esta partícula está correlacionada com a atividade da ATPase em mitocôndrias desacopladas e com a atividade da ATPase em partículas submitocondriais produzida a partir da exposição das mitocôndrias a ultrassons. Esta atividade da ATPase foi ainda associada à produção de ATP graças a uma longa pesquisa laboratorial realizada em diferentes laboratórios.

**SUBUNIDADES da F₁-ATP SINTASE**
Subunidade	Gene humano
alfa	ATP5A1, ATPAF2
beta	ATP5B, ATPAF1, C16orf7
gama	ATP5C1
delta	ATP5D
épsilon	ATP5E

Estrutura da F_O - ATP sintase

A região F_O da ATP sintase é um canal incorporado na membrana mitocondrial por onde passa um fluxo de protões. Consiste em três subunidades principais A, B e C, e (nos humanos) seis subunidades adicionais, d, e, f, g, F6, e 8 (ou A6L).

**Subunidades principais da F_O-ATP SINTASE**
Subunidade	Gene Humano
A	ATP6
B	ATP5F1
C	ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3

Modelo de mudança de ligação

Da década de 1960 à década de 1970, Paul Boyer desenvolveu a hipótese do mecanismo de mudança de ligação, ou basculante, que postulava que a síntese de ATP está associada a uma mudança da conformação na ATP sintase gerada pela rotação da subunidade gama. O grupo de pesquisa de John E. Walker, então nas instalações do MRC Laboratory of Molecular Biology em Cambridge, cristalizou o domínio catalítico da F₁ da ATP sintase. A estrutura, que era, na altura, a maior estrutura proteica assimétrica conhecida, indicava que o modelo de catálise rotacional de Boyer era, na sua essência, correta. Por ter esclarecido esta questão, Boyer e Walker partilharam metade do Prémio Nobel da Química de 1997. Jens Christian Skou recebeu a outra metade do prémio desse ano pela "primeira descoberta de uma enzima de transporte de iões, a Na+, K+ -ATPase."

Mecanismo da ATP sintase. O ATP é representado a vermelho, o ADP e o fosfato a rosa, e a subunidade γ rotacional a preto

A estrutura cristalina da F₁ apresentou subunidades alfa e beta alternadas (três de cada), dispostas como como gomos de laranja em torno de uma subunidade gama assimétrica. De acordo com o modelo corrente da síntese de ATP (conhecido como modelo da alternância catalítica), a força motriz protónica através da membrana mitocondrial interna, gerada pela Cadeia de transporte de electrões, conduz a passagem de protões através da membrana, pela região F_O da ATP sintase. A porção F_O (o anel de subunidades c) roda enquanto os protões passam através da membrana. O anel de subunidades C está firmemente ligado ao eixo assimétrico central (que consiste principalmente na subunidade gama), que roda no centro das subunidades alfa₃beta₃ da F₁ obrigando os três centros catalíticos de ligação de nucleótidos a passar por uma série de mudanças de conformação que leva à síntese do ATP. As principais subunidades da F₁ são impedidas de rodar em simpatia com o eixo rotational central por um braço lateral que une a alfa₃beta₃ à porção não rotativa da F_O. A estrutura da ATP sintase intacta é atualmente conhecida em baixa resolução graças a estudos de Criomicroscopia eletrónica (cryo-EM) do complexo. O modelo cryo-EM da ATP sintase sugere que a haste periférica é uma estrutura flexível que envolve o complexo ao unir F₁ a F_O. Sob as condições adequadas, a reação enzimática pode também ocorrer de forma inversa, com a hidrólise do ATP a levar ao bombeamento de protões através da membrana.

O mecanismo de mudança de ligação envolve o centro ativo de uma subunidade β alternando ciclicamente entre três estados. No estado “aberto”, o ADP e o fosfato entram no centro ativo; no diagrama à direita isso é representado a vermelho. A proteína, depois, fecha-se sobre as moléculas e liga-as de forma fraca - o estado de “ligação fraca” (mostrado a laranja). A enzima passa, a seguir, por outra mudança de forma e força conjuntamente estas moléculas, com o centro ativo no resultante estado "fechado" (mostrado a rosa) ligando a recém-produzida molécula de ATP de muito elevada afinidade. Finalmente, o centro ativo retorna ao estado aberto, libertando ATP, ligando mais ADP e fosfato, prontos para o próximo ciclo de produção de ATP.

Papel fisiológico

Tal como em outras enzimas, a atividade da F₁F_O ATP sintase é reversível. Quantidades suficientemente grandes de ATP levam à criação de um gradiente protónico transmembranar, usado por bactérias fermentadoras sem cadeia de transporte eletrónico, e hidrolisam ATP de modo a gerar um gradiente protónico, usado no movimento dos flagelos e no transporte de nutrientes para o interior da célula.

Nas bactérias aeróbias, sob as condições fisiológicas adequadas, a ATP sintase, em geral, funciona na direção oposta, criando ATP quando usa a força protomotriz criada pela Cadeia de transporte de elétrons como fonte de energia. O processo global de criação de energia por este meio designa-se fosforilação oxidativa. O mesmo processo ocorre nas mitocôndrias, onde a ATP sintase está localizada na membrana mitocondrial interna (de modo que a fração F₁ se introduza na matriz mitocondrial, onde a síntese de ATP tem lugar).

Evolução da ATP sintase

Crê-se que a evolução da ATP sintase seja um exemplo de evolução modular durante a qual duas subunidades funcionalmente independentes se associam, ganhando uma nova funcionalidade. Esta associação terá ocorrido cedo na história evolutiva, já que, no seu essencial, tanto a estrutura como a atividade das enzimas ATP sintase estão presentes em todos os reinos dos seres vivos. A F-ATP sintase apresenta grande semelhança mecânica e funcional com a V-ATP sintase. Contudo, enquanto que a F-ATP sintase gera ATP utilizando um gradiente protónico, a V-ATPase gera um gradiente protónico à custa do ATP, gerando valores de pH mais baixos que 1.

O domínio F₁ também revela semelhanças significativas às ADN-helicases hexaméricas, e o domínio F_O revela algumas semelhanças com estruturas do motor flagelar, que utilizam o H⁺ como fonte de energia. O hexâmero α₃β₃ do domínio F₁ apresenta semelhanças estruturais significativas com as ADN-helicases hexaméricas; ambas formam um anel com simetria radial de três eixos, com um poro central. Ambas têm, também, papéis dependentes da rotação relativa de uma macromolécula no poro; as ADN helicases usam o formato helicoidal do ADN para guiar o seu movimento ao longo da molécula de ADN e para detetar superenrolamentos, enquanto que o hexâmero α₃β₃ utiliza as alterações conformacionais através da rotação da subunidade γ para conduzir uma reacção enzimática.

O motor H⁺ da partícula F_O demonstra uma grande semelhança funcional com os motores H⁺ presentes em motores flagelares. Ambos apresentam um anel com muitas pequenas proteínas alpha-helicoidais que rodam em relação a proteínas estacionárias nas suas proximidades, usando um gradiente potencial H⁺ como fonte de energia. Este elo é ténue, contudo, já que a estrutura geral dos motores flagelares é, de longe, mais complexa que a da partícula F_O e o anel com cerca de 30 proteínas rotativas é de longe maior que as 10, 11, ou 14 proteínas helicoidais no complexo F_O.

A teoria da evolução modular para a origem da ATP sintase sugere que duas subunidades com funções independentes, uma ADN-helicase com atividade ATPase e motor H⁺, seriam capazes de se unir, e a rotação do motor terá dirigido inversamente a atividade ATPase da helicase. Este complexo terá desenvolvido posteriormente uma maior eficiência e ter-se-á, eventualmente, desenvolvido maior eficiência evoluindo para o atual complexo ATP sintase. De forma alternativa, o complexo motor H⁺/DNA helicase terá tido atividade de bombeamento H⁺, com a atividade ATPase da helicase conduzindo o motor H⁺ de forma inversa. Isto terá evoluído de modo a concretizar a reação inversa, atuando como ATP sintase.

ATP sintase em diferentes organismos

ATP sintase humana

A lista que se segue inclui genes humanos que codificam componentes da ATP sintase:

ATP5A1, ATP5AL1
ATP5B, ATP5BL1
ATP5C2, ATP5D, ATP5E, ATP5F1, ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3, ATP5H, ATP5HP1, ATP5I, ATP5J, ATP5J2, ATP5L, ATP5L2, ATP5O, ATP5S
ATP6, ATP6AP1, ATP6AP2
ATPSBL1, ATPSBL2
MT-ATP6, MT-ATP8

ATP sintase vegetal

Nas plantas, a ATP sintase está também presente nos cloroplastos (CF₁F_O-ATP sintase). A enzima está integrada na membrana tilacoide; a porção CF₁ penetra no estroma, onde ocorrem as reações da fase não luminosa da fotossíntese e onde se procede à síntese de ATP. A estrutura geral e o mecanismo catalítico da ATP sintase dos cloroplastos são praticamente os mesmos que os da enzima mitocondrial. Contudo, nos cloroplastos, a força motriz protónica é gerada, não pela cadeia respiratória de transporte de eletrões mas por proteínas fotossintéticas primárias.

ATP sintase bovina

A ATP sintase isolada de mitocôndrias de coração de bovino (‘’Bos taurus’’) é, em termos bioquímicos e estruturais, a ATP sintase mais bem caraterizada. O coração de bovino é usado como fonte desta enzima devido à elevada concentração de mitocôndrias no músculo cardíaco.

ATP sintase de E. coli

A ATP sintase da 'E. coli é a forma mais simples conhecida desta enzima, com oito tipos diferentes de subunidades.

ATP sintase de levedura

A ATP sintase de levedura é uma das ATP sintases eucarióticas mais bem estudadas; tendo sido identificadas cinco subunidades F₁, oito F_O, e sete proteínas associadas. A maior parte destas proteínas têm proteínas homólogas em outros eucariotas.

ATP sintase