La fuerza protón-motriz

señalar que el papel del gradiente de protones no consiste en participar directamente
en la formación de ATP sino en impulsar la disociación del ATP del enzima.
La catálisis rotativa es el motor molecular más pequeño del mundo
¿Es posible observar directamente la rotación propuesta? Ingeniosos experimentos
han demostrado la rotación utilizando un sencillo sistema experimental formado
únicamente por las subunidades a 3b 3g clonadas (Figura 21.6). Las subunidades b
se modificaron por ingeniería genética para que presenten colas de polihistidina en
su extremo amino, que tienen una elevada afinidad hacia los iones níquel. Gracias
a esta propiedad de las colas de polihistidina, se pudo inmovilizar el complejo a 3b 3
sobre una superficie de vidrio recubierta de iones níquel. La subunidad g estaba unida
a un filamento de actina marcado fluorescentemente para proporcionar un largo
segmento que pudiese ser observado mediante un microscopio de fluorescencia. Curiosamente,
la adición de ATP hacía que el filamento de actina rotase en una dirección
contraria a las agujas del reloj. La subunidad g estaba girando, impulsada por la hidrólisis
del ATP. De este modo, se podía observar la actividad catalítica de una molécula
individual. La rotación en sentido antihorario es consistente con la dirección que
cabría esperar para la hidrólisis porque la molécula se estaba observando desde abajo
si tomamos como referencia la perspectiva mostrada en la Figura 21.5.
Un análisis más detallado en presencia de concentraciones menores de ATP puso
de manifiesto que la subunidad g gira en incrementos de 120 grados. Cada incremento
corresponde a la hidrólisis de una única molécula de ATP. Además, a partir de los
resultados obtenidos con filamentos de actina de distinta longitud (lo que contribuye
a incrementar la resistencia al giro) y midiendo la velocidad de rotación, parece ser
que la enzima funciona con una eficacia cercana al 100%; es decir, prácticamente toda
le energía liberada por la hidrólisis del ATP se convierte en movimiento rotacional.
Filamento de actina
γ
α β
ATP + H 2 O
ADP + P i
Figura 21.6 Observación directa de la rotación de la ATP sintasa impulsada por el ATP. Se
fija el hexámero a3b3 de la ATP sintasa sobre una superficie, con la subunidad g proyectándose
hacia arriba y unida a un filamento de actina marcado fluorescentemente. La adición y posterior
hidrólisis de ATP da lugar a la rotación de la subunidad g en sentido antihorario, que puede
observarse directamente a través de un microscopio de fluorescencia.
El flujo de protones en torno al anillo c impulsa la síntesis de ATP
La observación directa del movimiento rotatorio de la subunidad g es una sólida
evidencia a favor del mecanismo rotacional para la síntesis de ATP. La última pregunta
que queda por responder es: ¿cómo impulsa el flujo de protones a través de F0 la
rotación de la subunidad g? Howard Berg y George Oster propusieron un elegante
mecanismo que ofrece una clara respuesta a esta cuestión. El mecanismo depende de
la estructura de las subunidades a y c y de F0 (Figura 21.7). La subunidad a se apoya
directamente en el anillo formado por entre 8 y 15 subunidades c que atraviesa la
membrana. Las evidencias experimentales relacionadas con la estructura de la subunidad
a son consistentes con un modelo que presenta dos semicanales hidrofílicos
que no atraviesan por completo la membrana (ver la Figura 21.7). Por tanto, los protones
son capaces de introducirse en cualquiera de estos dos canales pero no pueden
atravesar completamente la membrana. La subunidad a está colocada de forma que
cada semicanal interacciona directamente con una subunidad c.
Cambios secuenciales de las formas que
adoptan los tres centros activos de la
ATP sintasa
Subunidad 1 L S T S O S L S T S O…
Subunidad 2 O S L S T S O S L S T…
Subunidad 3 T S O S L S T S O S L…
Ácido
aspártico
Semicanal
del lado
citoplasmático
Semicanal
del lado
de la matriz
Subunidad c
Subunidad a
Figura 21.7 Componentes de la unidad
transportadora de protones de la ATP
sintasa. La subunidad c está formada por
dos hélices que atraviesan la membrana.
En una de las hélices hay un residuo de
ácido aspártico situado en el centro de la
membrana. La estructura de la subunidad a
parece incluir dos semicanales que permiten
la entrada de los protones, que sólo pueden
atravesar parte de la membrana, no toda.
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