ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ (ATPごうせいこうそ)とは、呼吸 こきゅう 鎖 くさり 複 ふく 合体 がったい によって形成 けいせい されたプロトン 濃度 のうど 勾配 こうばい と膜 まく 電位 でんい からなるプロトン駆動 くどう 力 りょく を用 もち いて、ADP とリン酸 さん からアデノシン三 さん リン酸 さん (ATP) の合成 ごうせい を行 おこな う酵素 こうそ である。別名 べつめい ATPシンターゼ 、呼吸 こきゅう 鎖 くさり 複 ふく 合体 がったい V 、複 ふく 合体 がったい Vなど。
なお、シンテターゼ はATPなどの高 こう エネルギー化合 かごう 物 ぶつ の分解 ぶんかい と共役 きょうやく する反応 はんのう を触媒 しょくばい する酵素 こうそ を指 さ すが、ATP合成 ごうせい に他 た のエネルギー化合 かごう 物 ぶつ を用 もち いることはないので、「ATPシンテターゼ」という呼称 こしょう は正 ただ しくない。
一部 いちぶ の酵素 こうそ が正 せい 反応 はんのう と逆 ぎゃく 反応 はんのう の両方 りょうほう を触媒 しょくばい できるように、ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ は普通 ふつう ATPアーゼ活性 かっせい も持 も ち合 あ わせている [ 1] 。
ATPアーゼのうちイオン輸送 ゆそう 性 せい ATPアーゼの一群 いちぐん がATP合成 ごうせい 酵素 こうそ を含 ふく んでいる。イオン輸送 ゆそう 性 せい ATPアーゼは以下 いか のように分類 ぶんるい される。
F型 がた ATPアーゼ – ほとんどの生物 せいぶつ がATP合成 ごうせい に用 もち いている
P型 がた ATPアーゼ – イオン の能動 のうどう 輸送 ゆそう に用 もち いられる、ATP消費 しょうひ 型 がた
V型 がた ATPアーゼ – 液 えき 胞 (v acuole) に存在 そんざい する、能動 のうどう 輸送 ゆそう に用 もち いられる
A型 がた ATPアーゼ – 古 こ 細菌 さいきん の用 もち いるATP合成 ごうせい 酵素 こうそ
すべてのイオン輸送 ゆそう 性 せい ATPアーゼは電気 でんき 化学 かがく 的 てき ポテンシャルを用 もち いてATPを合成 ごうせい できる。ただし、以上 いじょう のイオン輸送 ゆそう 性 せい ATPアーゼの中 なか で、生物 せいぶつ がATPの合成 ごうせい に普段 ふだん 用 もち いているのはF型 がた およびA型 がた である。
F型 がた ATPアーゼはほぼ全 ぜん 生物 せいぶつ が所持 しょじ するATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の代表 だいひょう 的 てき なものであり、α あるふぁ プロテオバクテリア のATPアーゼがその起源 きげん といわれている。A型 がた ATPアーゼは古 こ 細菌 さいきん に特有 とくゆう なATP合成 ごうせい 酵素 こうそ であり、その後 ご 真 ま 核 かく 細胞 さいぼう の中 なか でV型 がた ATPアーゼに変化 へんか したと言 い われている。A型 がた ATPアーゼはそのためV型 がた ATPアーゼに分類 ぶんるい されることも多 おお い。
ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ は真 ま 核 かく 生物 せいぶつ はミトコンドリア 内 うち 膜 まく 、原核 げんかく 生物 せいぶつ は細胞 さいぼう 膜 まく にそれぞれ位置 いち している。呼吸 こきゅう 鎖 くさり 複 ふく 合体 がったい の近傍 きんぼう に位置 いち していると考 かんが えられている。電子 でんし 顕微鏡 けんびきょう を用 もち いると生体 せいたい 膜 まく の内側 うちがわ (細胞 さいぼう 内側 うちがわ )にキノコ状 じょう の構造 こうぞう 体 たい が確認 かくにん できるが、この構造 こうぞう 体 たい がATP合成 ごうせい 酵素 こうそ である。
PDB ID: 1c17,1e79 PDBのデータを元 もと にし、Molecule of the Monthモードで描写 びょうしゃ 。F0モーターおよびF1モーターを表示 ひょうじ 。
現在 げんざい 、その構造 こうぞう が良 よ くわかっているのはF型 がた ATPアーゼのみである。F型 がた ATPアーゼは Fo (エフオー)と F1 (エフワン)の2つの部位 ぶい からなる。それぞれの部位 ぶい のサブユニット名 めい およびその数 かず は以下 いか の通 とお りである(原核 げんかく 生物 せいぶつ 型 がた )。
F1 部位 ぶい – α あるふぁ (3個 こ )、β べーた (3個 こ )、γ がんま (1個 いっこ )、δ でるた (1個 いっこ )、ε いぷしろん (1個 いっこ )
Fo 部位 ぶい – a(1個 いっこ )、b(2個 こ )、c(9–12個 こ 、cサブユニットの数 かず は不定 ふてい )
真 ま 核 かく 生物 せいぶつ のF型 がた ATPアーゼはF1 部位 ぶい のサブユニット種類 しゅるい 数 すう は同 おな じだが、Fo 部位 ぶい は最大 さいだい で8種類 しゅるい 存在 そんざい するといわれている。
F1 部位 ぶい はε いぷしろん サブユニットを基部 きぶ としてγ がんま サブユニットが幹 みき 状 じょう に結合 けつごう し、その周囲 しゅうい をα あるふぁ およびβ べーた サブユニットが囲 かこ うように交互 こうご に配置 はいち されている(γ がんま サブユニットを幹 みき とすればα あるふぁ 、β べーた は葉 は の部分 ぶぶん )。δ でるた サブユニットはα あるふぁ 、β べーた サブユニットの頂点 ちょうてん に位置 いち しており、F1 部位 ぶい の安定 あんてい 化 か に寄与 きよ していると思 おも われる。F1 部位 ぶい は活性 かっせい を保 たも ったまま界面 かいめん 活性 かっせい 剤 ざい で可 か 溶化することが可能 かのう であり、実験 じっけん が行 おこな いやすい。F1 部位 ぶい は立体 りったい 構造 こうぞう が1994年 ねん にWalkerらによって決定 けってい されており、その反応 はんのう 機構 きこう も明 あき らかになっている。
Fo 部位 ぶい は膜 まく 貫通 かんつう 型 がた であり、cサブユニットがリング状 じょう に配置 はいち され、aサブユニットがその横 よこ に結合 けつごう して、bサブユニットの基部 きぶ となっている。bサブユニットは F1 部位 ぶい のδ でるた サブユニットと結合 けつごう し F1 部位 ぶい の安定 あんてい に寄与 きよ していると考 かんが えられている。Fo 部位 ぶい は膜 まく 貫通 かんつう 型 がた であるために活性 かっせい 型 がた が得 え られにくく、可 か 溶化 か しても元 もと の正常 せいじょう を保 たも てないことが多 おお い。いまだ立体 りったい 構造 こうぞう およびサブユニット構成 こうせい は不定 ふてい である。
F1 部位 ぶい はATPの反応 はんのう に寄与 きよ しており、それは以下 いか の式 しき で表 あらわ される。
ATP
↽
−
−
⇀
{\displaystyle {\ce {<=>}}}
ADP +Pi(リン酸 さん )
F1 部位 ぶい ではATPの合成 ごうせい および消費 しょうひ を両方向 りょうほうこう 触媒 しょくばい することが可能 かのう である。
一方 いっぽう 、Fo 部位 ぶい はプロトン を透過 とうか させる機能 きのう があり、以下 いか の式 しき で表 あらわ される。
H
+
in
↽
−
−
⇀
H
+
out
{\displaystyle {\ce {H^+in\ <=> H^+out}}}
プロトン電気 でんき 化学 かがく 的 てき ポテンシャルを用 もち いたATP合成 ごうせい の反応 はんのう は以下 いか の収支 しゅうし 式 しき で表 あらわ される。
ADP
+
Pi
+
3
H
+
out
⟶
ATP
+
3
H
+
in
{\displaystyle {\ce {ADP\ + Pi\ + 3 H^+out -> ATP\ + 3H^+in}}}
プロトンが3分子 ぶんし 通過 つうか するごとに、1分子 ぶんし のATPの合成 ごうせい が行 おこな われる。この反応 はんのう は逆 ぎゃく 反応 はんのう も可能 かのう であり、ATPの分解 ぶんかい エネルギー(アデノシン三 さん リン酸 さん の項 こう を参照 さんしょう )を用 もち いて、H+ を膜 まく 外 がい に能動 のうどう 輸送 ゆそう することも可能 かのう である。
ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ がATPの合成 ごうせい を生物 せいぶつ 体内 たいない で行 おこな っていることは古 ふる くから知 し られていたが、その反応 はんのう 素 もと 過程 かてい は分子生物学 ぶんしせいぶつがく など生物 せいぶつ 学 がく 的 てき 発展 はってん の目覚 めざま しいごく最近 さいきん に明 あき らかになりつつある。ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の反応 はんのう 素 もと 過程 かてい に革新 かくしん 的 てき な説 せつ として、ポール・ボイヤー と吉田 よしだ 賢 けん 右 みぎ による「回転 かいてん 触媒 しょくばい 仮説 かせつ 」があげられる。
これはATP合成 ごうせい 酵素 こうそ は位相 いそう をずらしながらATPの合成 ごうせい を行 おこな っているのではないかとする説 せつ であり、当初 とうしょ ボイヤーの提案 ていあん した説 せつ は「振 ふ り子 こ 運動 うんどう 」であった。しかしながら吉田 よしだ によってβ べーた サブユニットがATP合成 ごうせい 酵素 こうそ に3個 こ 含 ふく まれることが証明 しょうめい されると、振 ふ り子 こ 運動 うんどう ではなく「回転 かいてん している」と言 い うイメージが強 つよ まった。
1994年 ねん 、ジョン・ウォーカー らによってウシATP合成 ごうせい 酵素 こうそ F1 部位 ぶい の立体 りったい 構造 こうぞう が決定 けってい されると回転 かいてん 触媒 しょくばい 仮説 かせつ を支持 しじ する結果 けっか が得 え られた。F1 部位 ぶい の3つのβ べーた サブユニットにそれぞれATP、ADP、カラの状態 じょうたい 、が交互 こうご になっていることが判明 はんめい した。これは回転 かいてん 触媒 しょくばい 説 せつ を十分 じゅうぶん に支持 しじ する結果 けっか ではあったが、現実 げんじつ の回転 かいてん を直視 ちょくし する結果 けっか とはいえなかった。
1997年 ねん 、ネイチャー (vol. 386, pp. 299–302) に野地 のち 、吉田 よしだ らの研究 けんきゅう による "Direct observation of the rotation of F1-ATPase" という題 だい の論文 ろんぶん が掲載 けいさい された。これはATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の F1 部位 ぶい の回転 かいてん を実際 じっさい に観察 かんさつ したという画期的 かっきてき な実験 じっけん 法 ほう を述 の べた論文 ろんぶん であり、この論文 ろんぶん を通 つう じて「ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ は回転 かいてん している」というボイヤーの説 せつ が現実 げんじつ のものとなった。この観察 かんさつ は一 いち 分子 ぶんし 細胞 さいぼう 生物 せいぶつ 学 がく の基礎 きそ となりうる歴史 れきし 的 てき なものであった。同年 どうねん 、ボイヤー、ウォーカー、スコウ (イオン輸送 ゆそう ATPアーゼの発見 はっけん )が、ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の研究 けんきゅう に寄与 きよ したとしてノーベル化学 かがく 賞 しょう を受賞 じゅしょう した。
回転 かいてん 触媒 しょくばい 説 せつ を実証 じっしょう したこの実験 じっけん は、アイディアに富 と んだ面白 おもしろ い実験 じっけん である。以下 いか にプロセスを示 しめ す。
ヒスチジン タグを付 つ けた組 く み換 か え F1 部位 ぶい を作成 さくせい する。
ヒスチジン タグを特異 とくい 的 てき に吸着 きゅうちゃく するガラス表面 ひょうめん に タグ付 つ きのF1 部位 ぶい を固定 こてい する。
F1 部位 ぶい のγ がんま サブユニットに蛍光 けいこう 標識 ひょうしき したアクチン フィラメントをストレプトアビジンを用 もち いて接着 せっちゃく する。
溶媒 ようばい 中 ちゅう にATPを添加 てんか する。
蛍光 けいこう 顕微鏡 けんびきょう でガラスの表面 ひょうめん を観察 かんさつ する。
アクチンフィラメントの回転 かいてん がATPの加水 かすい 分解 ぶんかい によって引 ひ き起 お こされる現象 げんしょう が観察 かんさつ できる。
少々 しょうしょう 乱暴 らんぼう ながらも比喩 ひゆ 的 てき に説明 せつめい すると、回転 かいてん していると思 おも われる部分 ぶぶん に、回転 かいてん 方向 ほうこう と水平 すいへい 方向 ほうこう に顕微鏡 けんびきょう で動画 どうが が観測 かんそく できる大 おお きさの細長 ほそなが い付箋 ふせん を貼 は り付 づ けて、その付箋 ふせん が回転 かいてん しているかどうかを観測 かんそく したのである。この方法 ほうほう を用 もち いると回転 かいてん のみならず、アクチンの長 なが さを変化 へんか させることによって発生 はっせい トルクも測定 そくてい することができる。この方法 ほうほう で測定 そくてい したATP合成 ごうせい 酵素 こうそ は、生体 せいたい 内 ない で毎秒 まいびょう 100回 かい 転 ころが していることがわかった。またエネルギー変換 へんかん 効率 こうりつ は 100% 近 ちか く、これほど効率 こうりつ の高 たか いATP利用 りよう 系 けい は生物 せいぶつ 体内 たいない ですらこの他 ほか に見 み つかっていない(例 たと えばミオシン は 20%、ダイニン は 50% 程度 ていど )。
ATP合成 ごうせい の素 す 過程 かてい は、以下 いか のようなモデルが提唱 ていしょう されている。
カラ型 がた β べーた サブユニットは「開 ひら いた」構造 こうぞう をとっている。
1個 いっこ 目 め のプロトンが Fo 部位 ぶい を通過 つうか する (out→in)。
Fo 部位 ぶい は細胞 さいぼう 内側 うちがわ から見 み て 120° 左 ひだり 回転 かいてん を行 おこな う。
それに伴 ともな い、Fo 部位 ぶい に結合 けつごう した F1 部位 ぶい も 120° の左 ひだり 回転 かいてん を行 おこな う。
そのときADPがβ べーた サブユニットに入 はい ることにより「閉 と じた」構造 こうぞう へ変化 へんか する。
2個 こ 目 め のプロトンが Fo 部位 ぶい を通過 つうか し、さらに左 ひだり 120° 回転 かいてん する。
回転 かいてん した F1 部位 ぶい にてβ べーた サブユニットに入 はい ったADPにリン酸化 さんか 反応 はんのう が起 お きる。
3個 こ 目 め のプロトンが Fo 部位 ぶい を通過 つうか し、さらに左 ひだり 120° 回転 かいてん する。
β べーた サブユニットは「開 ひら いた」構造 こうぞう をとり、ATPを放出 ほうしゅつ してカラ型 がた に戻 もど る。1. に戻 もど る。
このように、3個 こ のプロトンが Fo 部位 ぶい を out→in 通過 つうか するごとに、F1 部位 ぶい がADPのリン酸化 さんか を行 おこな う。現時点 げんじてん では F1 部位 ぶい の回転 かいてん は直視 ちょくし されており確実 かくじつ 性 せい はあるが、Fo 部位 ぶい の回転 かいてん はいまだ確認 かくにん されていない。しかしながらcサブユニットの立体 りったい 構造 こうぞう から回転子 かいてんし であることが提案 ていあん されており、おそらく回転 かいてん していると考 かんが えられている。また、逆 ぎゃく 反応 はんのう については、F1 部位 ぶい の右 みぎ 回転 かいてん (細胞 さいぼう 内側 うちがわ から見 み て)が Fo 部位 ぶい に伝 つた わり、ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ 全体 ぜんたい が右 みぎ 回転 かいてん する仕組 しく みとなっていると考 かんが えられている。
120° の回転 かいてん を行 おこな うことは一 いち 分子 ぶんし 観測 かんそく の実験 じっけん でも確認 かくにん されており、低 てい 濃度 のうど (20 nmol/L) のATP存在 そんざい 下 か ではアクチンフィラメントが 120° ごとに回転 かいてん している様子 ようす が観察 かんさつ されている。また、ADPがつっかえてATP合成 ごうせい 酵素 こうそ が動 うご かなくなったり、ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ が「間違 まちが えて逆 ぎゃく 回転 かいてん する」現象 げんしょう も観察 かんさつ されている。
ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ への理解 りかい は極 きわ めて進 すす んだとされているが、いくつかの点 てん が明 あき らかになっていない。Fo 部位 ぶい の構造 こうぞう 解析 かいせき 、反応 はんのう 素 もと 過程 かてい が現時点 げんじてん での課題 かだい ともいえる。
また、こうした構造 こうぞう 生物 せいぶつ 学 がく 的 てき な疑問 ぎもん とは異 こと なり、「なぜATP合成 ごうせい に使用 しよう されるATPアーゼのみが回転 かいてん をしているのか」と言 い う疑問 ぎもん も残 のこ っている。上記 じょうき 、生体 せいたい 内 ない でATP合成 ごうせい に用 もち いられるのはF型 がた およびA型 がた であるが、F型 がた については回転 かいてん していることがほぼ確実 かくじつ となり、A型 がた についてもおそらく回転 かいてん しているだろう、との予測 よそく がなされている。
また、A型 がた ATPアーゼを起源 きげん とするV型 がた ATPアーゼもサブユニット構成 こうせい から回転 かいてん しているだろうと予測 よそく されている。P型 がた ATPアーゼは構造 こうぞう が単純 たんじゅん で(分子 ぶんし 量 りょう 10万 まん 前後 ぜんこう )エネルギー効率 こうりつ も決 けっ して悪 わる くは無 な いが生体 せいたい 内 ない でATPの合成 ごうせい に用 もち いられている例 れい は存在 そんざい しない。複雑 ふくざつ 極 きわ まりないF型 がた ATPアーゼ(分子 ぶんし 量 りょう 50万 まん 以上 いじょう )はほぼ全 ぜん 生物 せいぶつ 共通 きょうつう してATP合成 ごうせい に用 もち いられる普遍 ふへん 的 てき な酵素 こうそ であり、進化 しんか の痕跡 こんせき が垣間見 かいまみ られない。こうしたことも、現時点 げんじてん の課題 かだい と言 い える。
また、メタン菌 きん はF型 がた およびA型 がた の二 ふた つのATP合成 ごうせい 酵素 こうそ を所持 しょじ しているが、F型 がた はナトリウム イオン駆動 くどう 型 がた のATPアーゼであることが判明 はんめい している。プロトン濃度 のうど 勾配 こうばい に拠 よ らない、新規 しんき なイオン輸送 ゆそう 型 がた のATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の存在 そんざい も示唆 しさ されている。
ATP合成 ごうせい の研究 けんきゅう の歴史 れきし はATP合成 ごうせい 酵素 こうそ の研究 けんきゅう の歴史 れきし にほぼ重 かさ なると言 い っても過言 かごん ではない。
^ 野地 のち 博行 ひろゆき ; 吉田 よしだ 賢 けん 右 みぎ (2000年 ねん 11月). “「ATP合成 ごうせい の回転 かいてん モーター:ATP合成 ごうせい 酵素 こうそ 」『シリーズ・バイオサイエンスの新 しん 世紀 せいき 7』 ” (PDF). 共立 きょうりつ 出版 しゅっぱん . p. 76. 2 Feb 2017時 じ 点 てん のオリジナル よりアーカイブ。2017年 ねん 1月 がつ 21日 にち 閲覧 えつらん 。
^ Noji, Hiroyuki; Yasuda, Ryohei; Yoshida, Masasuke; Kinosita JR, Kazuhiro (1997). “Direct observation of the rotation of F1 -ATPase”. Nature 386 : 299–302. doi :10.1038/386299a0 . PMID 9069291 .
活性 かっせい 調整 ちょうせい 分類 ぶんるい 動力 どうりょく 学 がく 種類 しゅるい