ATP synthase
АТФ СИНТАЗА

ATP SYNTHASE - A MARVELLOUS ROTARY ENGINE OF THE CELL

Masasuke Yoshida, Eiro Muneyuki, Toru Hisabori
Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 669-677 (2001)

АТФ synthase - это комплекс из двух моторов: АТФ-driven F1 мотор и proton-driven Fo мотор, которые ротируют в противоположных направлениях.
АТФ synthase - назыаемая также FoF1-АТФ synthase или FoF1-ATPase - синтезирует клеточный  АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Pi). Энергию АТФ synthesis извлекает из транспорта downhill H+ (протона) вдоль градиента ELECTROCHEMICAL POTENTIAL протонов поперек мембран (ΔμH+). Этот потенциал строится с помощью переноса электронов по респираторной цепочке и фотосинтеза, которые накачивают протоны против градиента (Рис. 1).

(Рис.1.)  |  The respiratory chain и АТФ synthase.

Во-первых, АТФ поддерживает почти все клеточные активности, которые нуждаются в энергии. Синтез АТФ это преобладающая химическая реакция в биологическом мире и АТФ synthase является одним из наиболее распространенных, многочисленных белков на Земле. От Escherichia coli до растений и животных она наиболее законсервирована эволюционно, более 60% аминокислотных остатков каталитической β-субъединицы закоенсервировано. Во-вторых, АТФ synthase использует физическую ротацию своих собственных субъединиц в качестве ступеньки катализа - новый механизм, отличный от тех, что изсестны для др. энзимов. Ротация не является распространенным движением у живых организмов; нет животных с колесами, нет птиц с пропеллером и нет рыб с винтом. На молекулярном уровне, помимо АТФ synthase, лишь бактериальные flagella известны как ротационные моторы. Кристаллическая структура большей части АТФ synthase показывает, что на атомарном уровне, как возникает этот небольшой мотор из ~3,500 аминокислот, напоминающий рукотворные моторы.
Об истории исследований АТФ синтеза см.

(Box.1) | A brief history of research into АТФ synthase
Links
FURTHER INFORMATION
Yoshida lab | Hisabori lab

F1 и Fo are both rotary motors

АТФ synthase - большой белковый комплекс (~500 kDa) со сложной структурой. Она состоит из вставленной в мембрану части, Fo(читать 'ef oh'), центрального и бокового стержней, и большой головки (Рис. 2). Центральная часть (F1γε–Foc10–14?) ротирует относительно окружающей ее части  (F1α3β3δ–Foab2) и, по уговору, мы можем назвать первый 'rotor' , а последний  'stator', хотя взаимоотношения rotor–stator относительны. Если величина ΔμH+ большая, как в функциональных митохондриях, то downhill протон течет через Fo вызывая ротацию Fo rotor и, следовательно, ротацию γε-субъединицы  F1. Ротационное движение γ изменяет структуру β-субъединицы так, что синтезируется АТФ.

(Рис.2.)  |  Structure of АТФ synthase.

При обратной реакции, АТФ гидролиз в F1 индуцирует ротацию γ и, следовательно, Fo ротора в обратном направлении.  Это управляет накачиванием протонов. В любом случае боковой стебель соединяется со stator из Fo и с таковым из F1 препятствуя перемещению с помощью центрального ротора. Следовательно, возможно определить АТФ synthase как комплекс из двух моторов  — АТФ-driven F1 мотора и a proton-driven Fo мотора. Они соединены с помощью общего ротационного штифта, а их genuine направления ротации противоположны. Движения мотора видимы для F1, но не для Fo.

Structure of F1

В инициальной кристаллической структуре (αβ)3γ-части нативной телячьей митохондриальной F1 (названной 'native' структурой), три α-субъединицы и три β-субъединицы располагаются альтернативно, формируя цилиндр из (αβ)3 вокруг суперскрученной (coiled-coil) структуры γ-субъединицы (Рис. 3a,b). Субъединицы α- и β-subunits одинаково складываются, как и ожидается исходя из сходства их последовательностей.  Все α-субъединицы связаны с АТФ аналогом AMФ–PNP, и три субъединицы принимают очень сходные конформации. Три β-субъединицы, однако, находятся в трех nucleotide-bound состояниях: первая, называемая βTP, имеет AMФ–PNP в каталитическом сайте (Рис. 3c); вторая (βDP) имеет АДФ; и третья (βE) не содержит связанного нуклеотида (Рис. 3c–e). Итак, нативная структура F1  выглядит подобно кадру работающей ротационной машины, с тремя реакционными камерами, который отражает момент непосредственно после выхлопа и поступления (βE), зажигания  (βDP) и компрессии (βTP)

(Box.2) Rotary engines in the car и in the cell

Нижняя часть слегка наклонная, асиметричная суперскрученная структура γ-субъединицы смещается по направлению βE, давит на С-терминальный домен этой β-субъединицы, чтобы качнуть ее на ~30° вниз. Т.обр.,  βE воспринимает форму 'open' (O), тогда как  βTP и βDP имеют 'closed' (C) форму.

(Рис.3.)  |  The crystal structure of mitochondrial F1-ATPase.

Получена кристаллическая структура телячьей F1, со всеми тремя каталитическими, окупированными нуклеотидами.  Кристаллы росли на  Mg-АДФ и aluminium fluoride (AlF4- ), ложном ингибиторе фосфата, который как ожидалось будет стабилизировать конформацию каталитического переходного состояния . В этой последней структуре — названной (АДФ/AlF4-)2F1 — две  βs, которые идентифицированы, как являющиеся эквивалентами βTP и βDP нативной структуры, от их относительного положения по отношению к асимметричной  γ-субъединице, зависит, держится ли Mg-АДФ/AlF4 на их каталитических сайтах. Их структура очень сходна др. с др. и с их эксивалентами в нативной структуре. β-subunit эксивалентная βE имеет 'half-closed' (C') конформацию (Рис. 3d), и сохраняет Mg-АДФ и sulphate (a mimic of phosphate) на каталическом сайте. В C'-форме β, C-терминальный домен βE сгибается ~23° вверх , и расстояние между β-фосфатом of АДФ и  sulphateбудет столь большим, чтобы ресинтезировать АТФ, даже если сульфат замещался фосфатом. Суперскурученная область γ-субъединицы скручивается ~20° в области, окруженной  (αβ)3 цилиндромr и ~10° в области, выступающей из (αβ)3 цилиндра.

Visualizing the rotation of F1

АТФ-управляемая ротация γ-субъединицы в (αβ)3 цилиндре F1 м. сделать видимой, используя   (αβ)3γ-субкомплекс от термофильных бактерий с тремя  микрозондами (Рис. 4). С учетом кристаллической структуры, направление  γ-ротации таково, что  одна β подвергается переходу в типа  βTP,βDP, а  βE, согласуется с АТФ-hydrolysis-управляемой ротацией.  При очень низких концентрациях АТФ, ротация происходит дискретно ступенями в 120°, каждая из них управляется с помощью молекулы АТФ, которая прибывает к F1. Распределение времени задержки (период между одной 120° ступенью и следующей) подчиняется экспоненциальному снижению, подтверждая, что один  АТФ используется на одну 120° ступень.

(Рис.4.)  |  Microprobes to detect the rotation of a nano-motor.

Длинные актиновые филаменты (Рис. 4) ротируют медленно, а короткие ротируют более быстро, но вращающий момент вычисленный по скорости ротации актиновых филамент и по фрикционному сопротивлению воды (вязкости), всегда достигал ~40 pN nm-1. Энергия, необходимая для продукции такой величины вращетельного момента составляет  ~8 - 10-20 J на 120° ротации; свободная энергия, высвобождаемая одной молекулой АТФ в тех же самых условиях составляет ~9 - 10-20 J. Итак эффективность превращения энергии гидролиза АТФ в ротацию, по-видимому, очень высока  — около 90%. Более низкие значения (50–80%) получены на базе скорости ротации никелевой полски, прикрепленной к γ-субъединице. Термодинамически столь высокая эффективность конверсии энергии соизмерима с работой, производимой системой (такой как отклонение лазерной ловушки), скорее, чем с ротацией филамент, которые теряют энергию в среде в качестве тепла.
120° = 90°(АТФ on) + 30°(АДФ/Pi off). Когда использовали актиновые филаменты в качестве маркера, то вязкость накладывала искуственные ограниения на ротацию  (максимум 6–8 revolutions per second (rps)). Небольшой золотой кусочек (диаметром 40 nm) косо притороченный к γ-субъединице , однако, не был мешающим грузом, поэтому был наиболее пригоден для мониторинга быстрой ротации. Ротация определялась по рассеянию света лазерного луча и записывалась на видео со скоростью 8,000 кадров в сек. Это м пролить свет на механизм ротационного катализа с помощью F1.
Во-первых, при выскоких конц. АТФ, кусочек ротирует около130 rps, это соответствует максимальной скорости гидролиза АТФ  (~300 s-1;т.е. около 100 rps). Скорость ротации при АТФ концентрациях от 20 nM до 2 mM сравнима со скоростью, ожидаемой исходя из скорости гидролиза АТФ свободной  F1 в растворах и подчиняется простой кинетике Michaelis–Menten, с 15μM концентрацией  АТФ , которая дает половину от максимальной скорости ротации. Это уазывает на то, что не обязательно предполагать механизм измененеия передачи, т.к. концентрация АТФ варьирует в пределах более 20 nM.

Во-вторых, ступень в 120° ротации в дальнейшем разбивается на 90° и 30° под-ступени. Скорость ротации 90° и 30°подступеней очень быстрая (<0.1 ms). Время задержки между 30° и последующей 90° подступенькой становится короче, когда концентрация АТФ увеличивается и, наконец, исчезает, достигнув лимита, указывая, что  90° ротация запускается в результате связывания одиночной АТФ с F1 (а не каким-либо последующим каталитическим событием по времени более продолжительном, чем 0.1 ms).

И, наконец, время задержки между 90° и последующей 30° под-ступенью всегда  ~2 ms в среднем для всех конц. АТФ. Анализ времени задержки указывает, что, по крайней мере два события, каждый ~1 ms происходят последовательно в  F1. Эти события скорее всего связаны с гидролизом связей АТФ (или с конформационным переходом, необходимым для гидролиза АТФ), и высвобождением последнего продукта гидролиза, АДФ или Pi. Это второе событие запускает 30° ротацию, и F1 оказываетс готовой к следующему раунду катализа.  Физические события — связывание и высвобождение субстрата и продукта — связаны с генерацией силы.
Open–closed motion of βs. β-субъединица в F1 м. принимать, по крайней мере три формы  — open (O), полу-закрытую (C') или closed (C) (Рис.3c-e). Нарушение контакта с асимметричной γ-субъединицей в F1 приведет к переходу между этими формами. Также и локальные изменения состояния связанных нуклеотидов  в каталитическом сайте будут амплифицироваться до глобального open–closed перехода βs. Изолированная β-субъединица принимает O форму в кристаллической структуре и она трансформируется в др. конформацию  — наиболее вероятно в  C форму — в ответ на связывание нуклеотида . Форма O β м. легко принимать  АТФ с 'zipping' связей между АТФ и каталитическим сайтом, так что открытый каталитический сайт закрывается.  

Сравнение нативной структуры (βs в CCO состоянии) и (АДФ/AIF4-)2 F1 структуры (CCC' состояние) подтверждает, что если АТФ гидролизуется на C-форме β-субъединицыf F1, то генерируемый фосфат дислоцируется на 3.5–4 Å от предыдущей позиции γ-фосфата АТФ и , по-видимому, образует петлю в SWITCH II REGION . Эта и др. перестройки соседних остатков вызывают частичное отделение двух β-нитей (одна перед P-LOOP и др. перед switch II loop), которое ведет к движению наружу (opening) всего С-терминального домена β. "Это вижение дает C' форму, а последующая потеря  AДФ/Pi из каталического сайта ведет к конформации β-субъединицы в O форму.

Оpen–closed состояние каждой β в F1 решается таким образом с помощью их bound-nucleotide состояния и с помощью ориеyтации γ. Это способ, при котором состояние нуклеотидов βs в F1 м. предопределять ориентацию γ-субъединицы и vice versa; последняя предопределяет первую.  Напротив, секвенциальный гидролиз АТФ сопровождает скоординированное open–closed движение βs и тем самым ротацию γ-субъединицы.  Тли, если γ-субъединица форсированадля ротации с помощью Fo мотора, то это м. вызывать изменения в nucleotide-binding состоянии β-субъединиц, вызывая в результате синтез АТФ. В само деле, динамическое появление CCO (или CCC') состояния во время каталитического обмена было продемонстрировано с помощью образования специфических поперечных связей, которые м. быть мостиком только между двумя C-формами β-субъединиц в F1 молекуле, и активность F1 теряется при фиксации β-субъединиц в С форме.

Models to account for catalysis и rotation

Boyer's классическая модель ротационного катализа предполагает, что один или два каталических сайта занимаются АТФ (или АДФ) в любой момент статического катализа (Box.2). Структура (АДФ/AlF4-)2F1, однако, свиджетельствует в пользу модели, согласно которой два или три каталитических сайта заполняются АТФ (или АДФ), как ранее было показано при АТФ-индуцированном изменении флюоресценции триптофана. Walker и др предложили модель, согласно которой сочетанные переходы  — закрытие βE , управляемое с помощью связывания АТФ, и открытие βDP , управляемое с помощью гидролиза АТФ, — индуцируют 120° ротацию γ-ce,]tlbybws. Сходная модель была предложена ранее Ren и Allison.
Последние данные о 90°–30° суб-ступенях, а также о (АДФ/AlF4-)2F1 структуре ведут к модели, объясняющей catalysis–rotation взаимоотношения (Рис. 5). Детали см. в подписях к рис., но три пункта следует упомянуть здесь. Во-первых, γ-субъединица в  (АДФ/AlF4-)2F1 структуре имеет ~20° смещение по часовой стрелке (видимое с мембранной стороны) в средней части по сравнению с нативной структурой. Т.к.  АДФ/Pi высвобождаются из C'-формы β (CCC'->CCO) вероятно, индуцируя реляксацию этого torsion; которе является ~20° ротацией против часовой стрелки иЮ по-видимому. соответствует наблюдаемой 30° субступени.

(Рис.5.)  |  Model for the rotary catalysis of АТФ synthase.

Во-вторых, как подчеркивают Walker и др., если одна β-субъединица принимает C' форму, то др.  β-субъединица (локлаизованная на стороне против хода часовой стрелки, если смотреть с мембранной стороны ) м. принимать каталитически активную C форму (означаемую CA), которая обеспечивает обратимое отщепление γ-фосфата от АТФ. Наконец, эта модель м. объяснить, почему АТФ synthase связывает АДФ и Pi преимущественно в присутствии избытка АТФ в реакции синтеза  АТФ — протон течет через  Fo , управляя  ~30° ротацией γ-субъединицы, превращая пустую O-форму β в пустую C'-форму β, которая м.акцептироватьтолько АДФ и Pi. Без АДФ и Pi, пустая C'-форма β не заполняется и синтез АТФ останавливается на этом месте. В соответствии с этим лишь одного &DeltaμH+ не достаточно, чтобы вызывать высвобождениепродукта  АТФ из АТФ synthase или чтобы управлять ротацией γ-субъединицы; в обоих случаях необходимы АДФ и Pi.

The Foc ring is a rotor

Не известно является ли в целом структура Fo  частью АТФ synthase, кристаллическая структура F1Foc10  АТФ synthase дрожжей показывает, что Foc-субъединицы расположены в виде кольца и что основание центрального штифта γε покоится на — но не проникает внутрь — цитоплазматической поверхности кольца. Считается, что Foa ассоциирует с наружной поверхностью Foc кольца, и что Fob2 ассоциирует с  Foa и F1δ.
Кольцо Foc является ротором. Ротация γ-субъединицы  и Foc кольца с помощью АТФ показана с помощью присоединенной к N-концу Foc иммобилизованной АТФ синтазы актиновой филаменты. Однако, ротация наблюдалась также и lzk энзима с инактивированной Fo, которая потеряла способность транспортировать протон, и это исключает, что ассоциации субъединиц в Fo были нарушены используемым детергентом. Фактически, все Fo-субъединицы, за исключением Foc, были утеряны из кристалла дрожжевой АТФ synthase, сформированой в  dodecylmaltoside. Установлено, что  АТФ synthase, в которой γ, ε и Foc, были поперечно связаны, сохраняет активность синтеза АТФ  и АТФ-управляемой транслокации протона. Т.обр., γ, ε и Foc кольцо должны ротироватьвместе как единое тело без отставания. Отметим, что Foc кольцо в АТФ synthase постоянно асимметрично из-за  γε-sсубъединиц, соединенных с фиксированными мембранами  Foc-субъединиц в кольце.  Ротация АТФ-зависимой субъединицы между  Foc кольцом и Foa подтверждается с помощзью экспериментов по перекрестному связыванию  Foc–Foa .
Symmetry mismatch between F1 и Fo. Предположение, что АТФ synthase содержит 12 копий Foc-субъединиц в целом принимается. В этом случае один протон движет Foc кольцо на 30°, а 4 протона движут на 120° , что соотвествует одной ступени ротации γ (ghjnjy:АТФ соотношение = 4). Предложнены модели для  Fo мотора, которые покоятся на этом предположении, но последние структурные исследования не согласуются с этим (Рис. 6). Напр., кристаллическа структура частичного комплекса дрожжевой АТФ synthase содержит 10 копий Foc-субъединиц. Выявлено 14 копий Foc  АТФ synthase в хлоропластах и 11 копий в Ilyobacter tartaricus АТФ synthase. У E. coli АТФ synthase оказалось также, что Foc-субъединица состоит не из 12, а 10 копий.

(Рис.6.)  |  How many copies of the Foc-subunit are in the ring?

Итак, во-первых,  протон:АТФ соотношение м.б. неинтегральным и варьировать  — аналогично фиксирующей пластинке в автомобиле, которая позволяет more slip than the tight toothing of two gears. Во-вторых, ступень ротации γ-субъединицы (120°) не м.б. множественной из-за  Foc (36° если 10 копий Foc), несмотря на тот факт, что γε-субъединицы и  Foc ротируют вместе как ансамбль (как показано γ–ε–Foc в исследовании crosslink). Торсионные силы, генерируемые и переносимые точно подогнанными  stator–rotor interfaces между γ- и β-субъединицами и между Foc- и Foa-субъединицами. Однако, после каждой ступени ротации, неправильное соответствие неизбежно возникает  в одном из контактных сайтов и но должно быть восстановлено в правильное положение некоторыми способами. Как боковой столб, Fob2–F1δ, который обладает чрезвычайной гибкостью, и суперскрученная структура γ-субъединицы, которая  позволяет некоторое внутреннее скручивание, являются хорошими кондидатами на роль 'absorber' этой преходящей структурной torsion, связаной с восстановлением. 
Electrostatic motor versus power stroke. Механизм Fo мотора остается более неуловимым, чем F1 мотор. Когда протон проходит через  Foc, Foa то вызывает напряжение скользящей силы на Foc кольца без нарушения его ассоциации с кольцом. Следовательно, два типа сайтов взаимодействия или контакта, управляющей единицы и rail, предполагаются между Foc кольцом и Foa. Два важных остатка — proton-translocating carboxylate (aspartate или glutamate) в трансмембранной спирали 2 Foc и законсервированный аргининовый остаток в трансмембранной спирали 4 Foa — будут лежать тесно и будут формировать протоновый канал. Некоторые модели предполагают, что изменения электростатических взаимодействий между этими двумя остатками при protonation/deprotonation является ключевой ступенью генерации вращающего момента. Однако, единственным ограничением этой модели является варьирующее распределение proton-translocating carboxylates, обнаруживаемое в семействе  V-ATPASE , которое эволюционно сходно с АТФ synthase.
Протоновый мотор V-ATPase , ка полагадют, имеет тот же самый механизм, что и  Fo мотор.  c-субъединица V-ATPases (V0c) является в основном слитым димером, формирующим прототип структуры в виде одной шпильки Foc, но carboxylate (Glu или Asp) существенные для транслокации протона обнаружены только во второй шпильке (hairpin (спираль 4)) в V0c.  Известна также слитая тримерная форма  V0c-субъединицы; здесь, существенные carboxylates законсервированы во второй и третьей шпильке, но потеряны в первой. АТФ synthase, содержащая слитые димер(ы) Foc, с существенными  carboxylate только в спирали 1, также известна. Варьирующее расположение существенных  carboxylates в коьце не пользу модели, согласно которой происходит  латеральная диффузия протонов среди carboxylates. При NMR изучении мономерных E. coli Foc-субъединиц  в water-saturated organic solvent было показано, что deprotonation существенных carboxylate индуцирует ротацию спирали 2 как единицы вокруг ее оси на 140°. Если это происходит в Fo,  то локальные ротации внутри  Foc-субъединицы на поверхности контакта с Foa должны толкать Foc кольцо. Этот механизм более похож на ударный механизм скорее, чем электростатический мотор.  Однако, Foc сохраняет значительную активность, если существенные карбоксилаты перемещаются из из спирали 2 в противоположную позицию спирали 1 шпилечной структуры Foc (D61G/A24D). IНе легко представить себе механизм мотора, который позволяет или даже благоприятствует варьирующим копиям  Foc и варьирующим расположениям существенных карбоксилатов в  c кольце.

Control of organellar АТФ synthases

В живых клетках, спрос на АТФ и доставку горючего для дыхания   (а, в организмах с фотосинтезом, лишенных солнечного света)  для синтеза АТФ, варьирует от одного момента к следующему.   АТФ synthase начинает гидролизовать  АТФ т.к. величина ΔμH+ становится маленькой, и, чтобы предупредить  вредящее потребление АТФ, активность АТФ synthase д.б. супрессирована.
АТФ synthase хлоропласта регулируется путем образования или расщепления дисульфидных мостиков между двумя цистеиновыми остатками в хлоропласт-специфических  допбавочных последовательностях в  γ-субъединице. Если воздействовать светом, то хлоропласт редуцирует эти дисульфидные мостики спомощью thioredoxin, и АТФ synthase активируется для синтеза АТФ. В темноте, sulphydryls окисляются для обрахования дисульфтдных мостиков  и активность гидролиза АТФ супрессируется. Пептидный сегмент, содержащий  два цистеина, м. работать как переносная 'micro-switch' кассета и ее внесение в F1s из cyanobacteria и термофильных бактерий делает их ATPase активностиs redox-чувствительными. Ротация F1останавливается чаще, если γ-субъединица окислена.
АТФ гидролитическая активность митохондриальной АТФ synthase ингибируется при соединении с 9-kDa основным белком. Свяязывание зависит от присутствия АТФ-Mg и кислой pH; неподходящие условия для  АТФ synthesis. Показано, что когда pH снижается, то non-inhibitory тетрамер белкадиссоциирует на ингибторные димеры, которые соединяются с двумя  АТФ synthases посредством их F1 частей.
Kinetic и mechanistic regulation. У всех АТФ synthases из митохондрий, хлоропластов и бактерий кинетическая и механическая регуляция известна. Каталитический turnover гидролиза  АТФ с помощью АТФ synthase и F1 прерывается случайной находкой АДФ-Mg на каталитическом сайте(s). Соединение АТФ с некаталитическим нуклеотид-связывающим сайтом на α-субъединице облегчает высвобождение АДФ-Mg из затронутого каталитического сайта, при этом восстанавливается АТФ-hydrolysis активность. . На уровне одиночной молекулы АДФ-Mg ингибирование распознается как продолжительнаы  (~30 s) пауза в ротации. АТФ synthase во время статического АТФ гидролиза является, следовательно, динамической сместью ингибированных и неингибированных молекул. Итак, спонтанное переключение энзима между активным и неактивным состоянием, на временной шкале sзначительно более медленное, чем каталитический оборот, м. вносит вклад в регуляцию.  АТФ synthesis свободна от этого типа ингибирования. 

ε-Субъединица является эндогенным ингибитором АТФ synthase. Она подвергается драматическим конформационным изменениям, так что не-ингибирующие оказываются 'down' формой и ингибиторные 'up' форомй. С-терминальная α-спираль ε-субъединицы лежит на  Foc кольце в down-form, или она поднята вверх чтобы достичь основания  (αβ)3-цилиндра в up-form (Рис. 7). Электростатические взаимодействия между основными остатками в α-спирали ε-субъединицы и кислыми остатками в законсервированной 'DELSEED' области β-субъединицы, по-видмому, стабилизируют ассоциацию ε- и β-субъединиц , и ротация блокируется. Оккупация и отсутствие AT(D)P во втором каталитическом сайте облегчает up-to-down и down-to-up переходы,соотв. Храповик-подобная функция ε-субъединицы интригующа; когда ε-субъединица фиксирована в up-form с помощью ковалентных поперечных связей с  γ-субъединицей, то активность синтеза АТФ поддерживается, тогда как гидролиз  АТФ блокируется.

(Рис.7.)  |  Conformational transition of the ε-subunit.

Unidirectional inhibition of the motor. В природе все энзимы катализируют как прямую, так и обратную реакцию и невозможно блокировать обратную реакцию, не нарушая прямую. Следовательно, кажущееся однонаправленным ингибирование гидролиза  АТФ, описанное выше, м.б. объяснено только с помощью трансформаций АТФ синтазы. АТФ synthase каким-то образом ощущает условия благоприятные для синтеза АТФ  и трансформирует себя в форму с высокой каталитической активностью. Сигнал д.б. достаточно велик для ΔμH+, и в самом деле, активация с помощью ΔμH+  показана для  АТФ synthases хлоропластов, митохондрий и бактерий.
ΔμH+ состоит из ΔpH и ΔΨ (различия в электрическом потенциале поперек мембраны), и исключительная роль отводится ΔΨ как сигналу. Трансформация м.б. связана со следующим: высвобождение ингибитора АДФ-Mg; переход ε-субъединицы в не-ингибируемую форму; расщепление дисульфидного мостика ( АТФ synthase хлоропласта); и высвобождение ингибиторного белка (митохондриальной АТФ synthase). Эта форма высокой активности энзима обладает потенциалом катализировать как гидролиз, так и синтез АТФ. В этих условиях, которые благоприятны для гидролиза АТФ hydrolysis, но не для синтеза АТФ, АТФ synthase переходит в форму низкой активности (как для АТФ синтеза, так и гидролиза ), и АТФ гидролиз супрессируется. Как термодинамические условия предопределют активность АТФ synthase неясно.

Perspectives

Почему АТФ synthase нуждается в ротации, если она не является машиной для движения? Какова функциональная основа обратимого отделения   F1 от Fo?
Структура F1 мотора, как ротора, так и статора в одном ансамбле, известна в деталях и ротация проанализирована с субмиллисекудндым разрешением.  И атомная структура Fo мотора будет определена в ближайшее время.  Появитс возможность проследить по-шагово взаимодействия между  F1 и Fo моторами и найти новый механизм сочетанного действия моторов.  Наконец, м. помечтать о создании самого мельчайшего мотора в мире для создания нано-машины.


Сайт создан в системе uCoz