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ATP合成酵素(—ごうせいこうそ)とは呼吸鎖複合体によって形成されたプロトン濃度勾配と膜電位からなるプロトン駆動力を用いて、ADPとリン酸からアデノシン三リン酸 (ATP) の合成を行う酵素である。ATPを触媒するATPアーゼの一種である。別名ATPシンターゼ、ATPシンテターゼ、呼吸鎖複合体V、複合体Vなど。

◆ATPアーゼにおける位置づけ

ATPアーゼのすべてが生物のATP合成に用いられるわけではない。ATPアーゼのうちイオン輸送性ATPアーゼの一群がATP合成酵素を含んでいる。イオン輸送性ATPアーゼは以下の分類がなされる。

・F型ATPアーゼ ? ほとんどの生物がATP合成に用いている

・P型ATPアーゼ ? イオンの能動輸送に用いられる、ATP消費型

・V型ATPアーゼ ? 液胞 (vacuole) に存在する、能動輸送に用いられる

・A型ATPアーゼ ? 古細菌の用いるATP合成酵素

イオン輸送性ATPアーゼはそのすべてが電気化学的ポテンシャルを用いてのATPの合成が可能である。しかしながら以上のイオン輸送性ATPアーゼの中で、生物がATPの合成に用いているのはF型およびA型である。

F型ATPアーゼはほぼ全生物が所持するATP合成酵素の代表的なものであり、αプロテオバクテリアのATPアーゼがその起源といわれている。A型ATPアーゼは古細菌に特有なATP合成酵素であり、その後真核細胞の中でV型ATPアーゼに変化したと言われている。A型ATPアーゼはそのためV型ATPアーゼに分類されることも多い。

◆ATP合成酵素の所在

ATP合成酵素は真核生物はミトコンドリア内膜、原核生物は細胞膜にそれぞれ位置している。呼吸鎖複合体の近傍に位置していると考えられている。電子顕微鏡を用いると生体膜の内側(細胞内側)にキノコ状の構造体が確認できるが、この構造体がATP合成酵素である。

◆ATP合成酵素の構造

現在、その構造が良くわかっているのはF型ATPアーゼのみである。F型ATPアーゼは F_o (エフオー)と F₁ (エフワン)の2つの部位からなる。それぞれの部位のサブユニット名およびその数は以下の通りである(原核生物型)。

・F₁部位 ? α(3個)、β(3個)、γ(1個)、δ(1個)、ε(1個)

・F_o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アーゼはF₁部位のサブユニット種類数は同じだが、F_o 部位は最大で8種類存在するといわれている。

F₁ 部位はεサブユニットを基部としてγサブユニットが幹状に結合し、その周囲をαおよびβサブユニットが囲うように交互に配置されている(γサブユニットを幹とすればα、βは葉の部分)。δサブユニットはα、βサブユニットの頂点に位置しており、F₁部位の安定化に寄与していると思われる。F₁部位は活性を保ったまま界面活性剤で可溶化することが可能であり、実験が行いやすい。F₁部位は立体構造が1994年にWalkerらによって決定されており、その反応機構も明らかになっている。

F_o 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、aサブユニットがその横に結合して、bサブユニットの基部となっている。bサブユニットは F₁ 部位のδサブユニットと結合し F₁ 部位の安定に寄与していると考えられている。F_o 部位は膜貫通型であるために活性型が得られにくく、可溶化しても元の正常を保てないことが多い。いまだ立体構造およびサブユニット構成は不定である。

◆ATP合成酵素の反応

F₁ 部位はATPの反応に寄与しており、それは以下の式で表される。

:ATP $\backslash overrightarrow\backslash longleftarrow$ ADP+Pi(リン酸)

F₁ 部位ではATPの合成および消費を両方向触媒することが可能である。

一方、F_o部位はプロトンを透過させる機能があり、以下の式で表される。

:H⁺in $\backslash overrightarrow\backslash longleftarrow$ H⁺out

プロトン電気化学的ポテンシャルを用いたATP合成の反応は以下の収支式で表される。

:ADP + Pi + 3 H⁺out → ATP + 3 H⁺in

プロトンが3分子通過するごとに、1分子のATPの合成が行われる。この反応は逆反応も可能であり、ATPの分解エネルギー(アデノシン三リン酸の項を参照)を用いて、H⁺ を膜外に能動輸送することも可能である。

◆回転触媒説

ATP合成酵素がATPの合成を生物体内で行っていることは古くから知られていたが、その反応素過程は分子生物学など生物学的発展の目覚しいごく最近に明らかになりつつある。ATP合成酵素の反応素過程に革新的な説として、ポール・ボイヤーと吉田による「回転触媒仮説」があげられる。

これはATP合成酵素は位相をずらしながらATPの合成を行っているのではないかとする説であり、当初ボイヤーの提案した説は「振り子運動」であった。しかしながら吉田によってβサブユニットがATP合成酵素に3個含まれることが証明されると、振り子運動ではなく「回転している」と言うイメージが強まった。

1994年、ジョン・ウォーカーらによってウシATP合成酵素 F₁ 部位の立体構造が決定されると回転触媒仮説を支持する結果が得られた。F₁部位の3つのβサブユニットにそれぞれATP、ADP、カラの状態、が交互になっていることが判明した。これは回転触媒説を十分に支持する結果ではあったが、現実の回転を直視する結果とはいえなかった。

1997年、ネイチャー (vol. 386, pp. 299?302) に "Direct observation of the rotation of F1-ATPase" という題の論文が掲載された。これはATP合成酵素の F₁ 部位の回転を実際に観察したという画期的な実験法を述べた論文であり、この論文を通じて「ATP合成酵素は回転している」というボイヤーの説が現実のものとなった。この観察は一分子細胞生物学の基礎となりうる歴史的なものであった。同年、ボイヤー、ウォーカー、スコウ(イオン輸送ATPアーゼの発見)が、ATP合成酵素の研究に寄与したとしてノーベル化学賞を受賞した。

◆ATP合成酵素の一分子観測

回転触媒説を現実のものとしたこの実験は、アイディアに富んだ面白い実験である。以下にプロセスを示す。

#ヒスチジンタグを付けた組み換え F₁ 部位を作成する。

#ヒスチジンを特異的に吸着するガラスに F₁ 部位を固定する。

#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。

#溶媒中にATPを添加する。

#蛍光顕微鏡でガラスの表面を観察する。

#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できる。

この方法を用いると回転のみならず、アクチンの長さを変化させることによって発生トルクも測定することができる。この方法で測定したATP合成酵素は、生体内で毎秒100回転していることがわかった。またエネルギー変換効率は 100% 近く、これほど性能の良いATP利用系は生物体内ですら見つかっていない(ミオシンは 20%、ダイニンは 50% 程度)。

◆ATP合成ステップのモデル

ATP合成の素過程は、以下のようなモデルが提唱されている。

#カラ型βサブユニットは「開いた」構造をとっている。

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