Символ ID: АТФ-синтаза делает больше, чем просто вращение

Биохимическая икона роторных машин, АТФ-синтаза, остается в новостях благодаря новым открытиям. Сейчас, когда криоэлектронная микроскопия получила широкое распространение, биофизики изучают работу отдельных подразделений двигателя и выясняют, что они делают. Тот факт, что молекулярные машины при ближайшем рассмотрении демонстрируют большую функциональную элегантность, указывает на то, что разумный замысел является лучшим объяснением.

Животные и растения содержат эти жизненно важные роторные двигатели, которые удовлетворяют их энергетические потребности в АТФ. У животных они обнаружены в митохондриях. У растений и других фотосинтезирующих организмов они содержатся в хлоропластах. Фотосинтез, поскольку он зависит от света, имеет проблему: когда темно, их роторные двигатели могут начать работать в обратном направлении, рискуя «бесполезной реакцией гидролиза АТФ».

Работая с зеленой водорослью Chlamydomonas Reinhardtii (на фото выше) в качестве «модельного организма», группа из восьми японских ученых более внимательно изучила субъединицу γ в АТФ-синтазе хлоропластов (это часть «распределительного вала» двигателя, приводящего в движение синтез АТФ в домене F1). Они обнаружили, что два специфических домена в субъединице γ действуют как автоматический тормоз в темноте. Писали в ПНАС в январе,

Среди комплексов FoF1-АТФ-синтазы всех организмов хлоропластный FoF1 (CFoCF1) являетсяуникальныйфермент смеханизм регуляции окислительно-восстановительного процесса ; однако основной механизм окислительно-восстановительной регуляции реакции синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) в CFoCF1 полностью не выяснен. Воспользовавшись мощной генетикой Chlamydomonas Reinhardtii в качестве модельного организма для фотосинтеза, мы провели комплексный биохимический анализ молекулы CFoCF1. Здесь мы идентифицируем структурные детерминанты кинетики внутриклеточного окислительно-восстановительного ответа и демонстрируем, чтоокислительно-восстановительная регуляция синтеза АТФ осуществляется за счет кооперативного взаимодействия двух доменов субъединицы γ. CFoCF1, которые уникальны для фотосинтезирующих организмов. [Выделено нами.]

На рисунке 6 в статье (воспроизведенной Phys.org) показано, как два домена действуют как стопор:

Плотная конформация ослабляет взаимодействие между окислительно-восстановительной петлей и β-шпилькой. Следовательно, β-шпилька остается застрявшей в полости между α и β субъединицей,как стопор, и тормозит вращение центрального стебля (γεc-кольца). В сокращенной форме окислительно-восстановительная петлявосстанавливает гибкость взаимодействовать с β-шпилькой. Окислительно-восстановительная петля взаимодействуетвытаскивать β-шпильку из полости и тем самым ускорять центральный стебель, как кооперативный регулятор.

Другая японская группа, на этот раз из Токийского университета, изучила «каталитическое пребывание» в домене F1 АТФ-синтазного двигателя, где АДФ превращается в АТФ с добавлением фосфата. Домен F1 имеет 3 пары субъединиц α и β, расположенных как лепестки цветка, каждая пара находится в разной фазе активности: вставка ингредиентов, катализ и выброс АТФ. Субъединица γ, подобно распределительному валу, по очереди активирует каждую пару α и β, поворачиваясь на полные 360°. Разделив на три, каждая пара α, β ощущает силу распределительного вала на стадии катализа (ADP + P, дающая АТФ) в пределах 120° при каждом полном обороте коленчатого вала. В других случаях пара либо получает ингредиенты, либо выбрасывает готовый АТФ. При работе в обратном направлении двигатель F1 становится расщепителем АТФ, гидролизуя АТФ с образованием АДФ и фосфора, выбрасывая при этом протоны. Таким образом, при гидролизе АТФ становится топливом, заставляющим двигатель работать в обратном направлении.

При нормальной работе двигатель катализирует АТФ. Биофизики давно подозревали, что распределительный вал (субъединица γ) оказывает давление на поступающие АДФ и Р, чтобы соединить их вместе. Если 0° соответствует моменту катализа АТФ, предыдущие исследования обнаружили короткую стадию паузы при 80° и более длительную паузу при последующих 40° вращения, что представляет собой «хемомеханическую схему сцепления», как ее называют в их статье.