ATP合成酵素

ATP合成酵素とは

ATP合成酵素（ATP synthase）は、生物のエネルギー代謝において中心的な役割を担う酵素です。この酵素は、呼吸鎖複合体によって作り出されたプロトン濃度勾配（プロトン駆動力）を利用して、アデノシン二リン酸（ADP）とリン酸からアデノシン三リン酸（ATP）を合成します。ATPは、細胞内の様々な活動に必要なエネルギーを供給する「エネルギー通貨」として機能します。

ATP合成酵素は別名ATPシンターゼ、呼吸鎖複合体V、複合体Vなどとも呼ばれます。ただし、シンターゼは一般に、ATPなどの高エネルギー化合物の分解と共役する反応を触媒する酵素を指します。ATP合成酵素はATP分解を伴わないため、「ATPシンテターゼ」という呼称は厳密には正しくありません。

ATPアーゼにおける位置づけ

ATP合成酵素は、ATPアーゼ活性も持ち合わせている点が重要です。これは、一部の酵素が正反応と逆反応の両方を触媒できる性質によります。ATPアーゼはATPを加水分解する酵素の総称ですが、イオン輸送性ATPアーゼの一部がATP合成酵素を含んでいます。

イオン輸送性ATPアーゼは、その構造と機能に基づいて以下のように分類されます。

F型ATPアーゼ: ほとんどの生物がATP合成に利用しており、最も代表的なタイプです。
P型ATPアーゼ: イオンの能動輸送に関与し、ATPを消費するタイプです。
V型ATPアーゼ: 液胞（vacuole）に存在し、能動輸送に用いられます。
A型ATPアーゼ: 古細菌が用いるATP合成酵素です。

これらのうち、生物がATP合成に通常用いるのはF型とA型です。F型ATPアーゼは、ほぼ全ての生物が持つATP合成酵素で、その起源はαプロテオバクテリアにあると考えられています。A型ATPアーゼは、古細菌に特有の酵素であり、真核細胞ではV型ATPアーゼへと変化したと考えられています。そのため、A型ATPアーゼはV型ATPアーゼに分類されることもあります。

ATP合成酵素の所在

真核生物では、ATP合成酵素はミトコンドリアの内膜に、原核生物では細胞膜に存在しています。これらの酵素は、呼吸鎖複合体の近傍に位置しており、電子顕微鏡で観察すると生体膜の内側にキノコ状の構造体として確認できます。

ATP合成酵素の構造

現在、構造が詳しく解明されているのはF型ATPアーゼのみです。F型ATPアーゼは、Fo（エフオー）とF1（エフワン）の二つの部位から構成されています。それぞれの部位を構成するサブユニットは以下の通りです（原核生物型）。

F1部位: α（3個）、β（3個）、γ（1個）、δ（1個）、ε（1個）
Fo部位: a（1個）、b（2個）、c（9-12個、cサブユニットの数は不定）

真核生物のF型ATPアーゼでは、F1部位のサブユニットの種類は同じですが、Fo部位には最大8種類のサブユニットが存在するとされています。

F1部位では、εサブユニットを基部としてγサブユニットが幹のように結合し、その周囲をαとβサブユニットが交互に囲んでいます。δサブユニットはα、βサブユニットの頂点に位置し、F1部位の安定化に寄与していると考えられています。F1部位は、界面活性剤を用いることで活性を保ったまま可溶化できるため、実験が行いやすい特徴があります。

Fo部位は膜貫通型であり、cサブユニットがリング状に配置され、その横にaサブユニットが結合し、bサブユニットの基部となっています。bサブユニットはF1部位のδサブユニットと結合し、F1部位の安定に寄与すると考えられています。Fo部位は膜貫通型であるため、活性型を得ることが難しく、可溶化しても元の正常な状態を保てないことが多いです。そのため、立体構造やサブユニット構成については、まだ不明な点が多く残されています。

ATP合成酵素の反応

F1部位はATPの合成と分解に関与し、以下の式で表されます。


ATP <=> ADP + Pi（リン酸）


F1部位はATPの合成と消費の両方向の反応を触媒できます。

一方、Fo部位はプロトンを透過させる機能を持っており、以下の式で表されます。


H⁺in <=> H⁺out


プロトン電気化学的ポテンシャルを利用したATP合成の収支式は以下のようになります。


ADP + Pi + 3H⁺out → ATP + 3H⁺in


この式からわかるように、3分子のプロトンが膜を通過するごとに、1分子のATPが合成されます。この反応は逆反応も可能で、ATPの分解エネルギーを利用してプロトンを膜外に能動輸送することもできます。

回転触媒説

ATP合成酵素がATPを合成するメカニズムは長年謎でしたが、近年、ポール・ボイヤーと吉田賢右によって提唱された「回転触媒仮説」によって、その素過程が明らかになりつつあります。

この仮説は、ATP合成酵素が位相をずらしながらATPを合成するというもので、当初は「振り子運動」として提唱されました。しかし、吉田賢右によってβサブユニットが3つ存在することが証明されると、「回転している」というイメージが強まりました。

1994年、ジョン・ウォーカーらによってウシATP合成酵素のF1部位の立体構造が解明され、回転触媒仮説を支持する結果が得られました。F1部位の3つのβサブユニットが、それぞれATP、ADP、カラ（何も結合していない）の状態を交互に取ることが判明しました。

1997年には、野地、吉田らの研究によってF1部位の回転が直接観察され、ボイヤーの仮説が現実のものとなりました。この画期的な実験は、一分子細胞生物学の基礎となるものであり、同年、ボイヤー、ウォーカー、スコウ（イオン輸送性ATPアーゼの発見）がATP合成酵素の研究に貢献したとしてノーベル化学賞を受賞しました。

ATP合成酵素の一分子観測

回転触媒説を実証した実験は、以下のようなプロセスで行われました。

1. ヒスチジンタグを付けた組み換えF1部位を作成する。
2. ヒスチジンタグを特異的に吸着するガラス表面に、タグ付きのF1部位を固定する。
3. F1部位のγサブユニットに、蛍光標識したアクチンフィラメントをストレプトアビジンを用いて接着する。
4. 溶媒中にATPを添加する。
5. 蛍光顕微鏡でガラス表面を観察する。

この実験によって、アクチンフィラメントの回転がATPの加水分解によって引き起こされる現象が観察されました。この方法は、回転だけでなく、発生トルクも測定できます。この実験から、ATP合成酵素は生体内で毎秒100回転しており、エネルギー変換効率はほぼ100％であることがわかりました。

ATP合成ステップのモデル

ATP合成の素過程は、以下のモデルで説明されています。

1. カラ型のβサブユニットは「開いた」構造をとる。
2. 1個目のプロトンがFo部位を通過する（out→in）。
3. Fo部位が細胞内側から見て120°左回転する。
4. Fo部位に結合したF1部位も120°左回転する。
5. ADPがβサブユニットに入り、「閉じた」構造に変化する。
6. 2個目のプロトンがFo部位を通過し、さらに120°左回転する。
7. 回転したF1部位で、βサブユニットに入ったADPにリン酸化反応が起こる。
8. 3個目のプロトンがFo部位を通過し、さらに120°左回転する。
9. βサブユニットが「開いた」構造を取り、ATPを放出してカラ型に戻る。

このように、3個のプロトンがFo部位を通過するごとに、F1部位がADPのリン酸化を行います。F1部位の回転は直視されていますが、Fo部位の回転はまだ確認されていません。しかし、cサブユニットの立体構造から回転子であることが示唆されており、回転していると考えられています。逆反応では、F1部位の右回転がFo部位に伝わり、ATP合成酵素全体が右回転する仕組みと考えられています。

今後の課題

ATP合成酵素の研究は大きく進展しましたが、Fo部位の構造解析や反応素過程など、まだ解明されていない点が残されています。

また、「なぜATP合成に用いられるATPアーゼのみが回転するのか」という疑問も残されています。F型とA型のATPアーゼは回転することがほぼ確実ですが、V型ATPアーゼも構造から回転すると予測されています。一方、P型ATPアーゼは構造が単純でエネルギー効率も悪くないにもかかわらず、ATP合成には利用されていません。複雑なF型ATPアーゼがほぼ全ての生物でATP合成に用いられる普遍的な酵素である理由も、現時点では不明です。

さらに、メタン菌が持つナトリウムイオン駆動型のATPアーゼの存在は、プロトン濃度勾配に依存しない新しいタイプのイオン輸送型ATP合成酵素の存在を示唆しています。

歴史

ATP合成の研究は、ATP合成酵素の研究の歴史と密接に関わっています。

1951年：アルバート・レーニンジャーが呼吸鎖複合体とATP合成の共役を提唱。
1961年：ピーター・ミッチェルがプロトンの電気化学的ポテンシャルがATP合成に関与するという化学浸透圧仮説を提唱。
1963年：モーデイ・アヴロンが葉緑体のチラコイド膜上にATP合成に関わる球状突起を発見。
1966年：アンドレイ・ヤーゲンドルフらが葉緑体でのpHジャンプによるATP合成系のモデルを提唱。
1975年：エフレイム・ラッカーとワルサー・ステッケニウスが脂質二重層を用いた実験でATP合成が電気化学的ポテンシャルによることを解明。
1978年：ミッチェルがノーベル化学賞を受賞。
1981年：ボイヤーがATP合成酵素の回転触媒仮説を提唱。
1994年：ウォーカーらがウシATP合成酵素のF1サブユニットのX線結晶構造を解明。
1997年：ボイヤー、ウォーカーらがノーベル化学賞を受賞。

脚注

関連項目

アデノシン三リン酸
電子伝達系
一分子細胞生物学

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