Protons and how they are transported by proton pumps

Resumo

O eficiente transporte e regulação de prótons através de membranas biológicas requer membranas com portadores de prótons especiais devido à alta mobilidade de prótons em soluções aquosas. Pelo uso da energia química de ATP, ATPases embutidas na membrana plasmática expulsam prótons das células das plantas e dos fungos para gerar gradientes eletroquímicas de prótons. A recente publicação da estrutura cristalina de uma membrana plasmática H+-ATPase nos ajudou a obter informações sobre o mecanismo dessas enzimas essenciais. Combinando os dados bioquímicos e estruturais, podemos fornecer uma descrição detalhada dos componentes moleculares fundamentais que permitem os prótons H (+) -ATPase da membrana plasmática realizar eficazmente o transporte do prótons contra grandes potenciais da membrana. Uma comparação de bombas de prótons divergentes, como a membrana plasmática H (+) -ATPase, bacteriorhodopsina e F(O)F(1) ATP sintase, revela princípios mecanísticos unificadoras para bombas de prótons biológicas. Notavelmente, o mecanismo de bombeamento menor de todas as bombas consiste em um aceitador/doador de prótons central, um resíduo carregado positivamente para controlar as mudanças pk(a) do aceitador/doador de prótons e moléculas de água ligadas que ajudam no rápido transporte de prótons ao longo dos fios de prótons.

Abstract

The very high mobility of protons in aqueous solutions demands special features of membrane proton transporters to sustain efficient yet regulated proton transport across biological membranes. By the use of the chemical energy of ATP, plasma-membrane-embedded ATPases extrude protons from cells of plants and fungi to generate electrochemical proton gradients. The recently published crystal structure of a plasma membrane H(+)-ATPase contributes to our knowledge about the mechanism of these essential enzymes. Taking the biochemical and structural data together, we are now able to describe the basic molecular components that allow the plasma membrane proton H(+)-ATPase to carry out proton transport against large membrane potentials. When divergent proton pumps such as the plasma membrane H(+)-ATPase, bacteriorhodopsin, and F(O)F(1) ATP synthase are compared, unifying mechanistic premises for biological proton pumps emerge. Most notably, the minimal pumping apparatus of all pumps consists of a central proton acceptor/donor, a positively charged residue to control pK(a) changes of the proton acceptor/donor, and bound water molecules to facilitate rapid proton transport along proton wires.