Молекулярный мотор работает на воде

Биохимикам удалось раскрыть подробности одной из главных реакций в живой клетке — синтеза АТФ. Оказалось, в центре бешено вращающегося моторчика, который и запасает энергию, висит молекула воды. Исследование подтвердило гипотезу.

вещество

АТФ
Аденозинтрифосфа́т – нуклеотид, универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Образуется путем присоединения фосфатной группы к АДФ с использованием энергии окисляющихся веществ.

Подобно вырабатывающим электроэнергию гидротурбинам молекулярная нанотурбина в составе фермента АТФ-синтазы добывает энергию для синтеза молекулы АТФ. Именно в форме АТФ в клетке хранится энергия, которая потом используется для жизнедеятельности. Нанотурбина, как ей и положено, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Строение этого ротора и выяснила группа исследователей из Института биофизики Общества Макса Планка (Max Planck Institute of Biophysics) во Франкфурте под руководством Томаса Мейера (Thomas Meier). Оказалось, ключевым элементом молекулярной турбины служит молекула воды.

Ученые изучали работу АТФ-синтазы у бактерии Bacillus pseudofirmus. У этой бактерии, как и у некоторых других организмов, фермент работает благодаря переносу протонов Н⁺ (другой вариант – ионы Na⁺) от внешней стороны мембраны внутрь клетки. Перенос происходит потому, что на поверхностях мембраны создается разность потенциалов.

Наноротор похож на стакан для пива

процесс

Синтез АТФ
В 1964 Бойер высказал гипотезу, что синтез АТФ происходит в результате структурных изменений в молекуле АТФ-синтазы.

В последующее десятилетие была выявлена еще одна закономерность – последовательность и слаженность действия трех каталитических участков фермента. Это было названо ротационным катализом. Были успешно исследованы и другие аспекты механизма действия АТФ-синтазы. В 1973 году, применив химические методы, он же предложил механизм этих структурных изменений – механизм связующего обмена.

АТФ-синтаза состоит из связанной с мембраной дисковой части (с субъединицами a, b и c) и части, выступающей из мембраны (с a-, b— и g-субъединицами). При прохождении ионов водорода через с-субъединицу дисковой части в составе мембраны дисковая часть приходит во вращение. G-субъединица выступающей части фермента фиксированно связана с дисковой частью и, следовательно, крутится вместе с ней. Верхняя часть выступающей части АТФ-синтазы подобна цилиндру с чередующимися a— и b-субъединицами (каждых по три). G-субъединица несимметричной формы в центре цилиндра вызывает изменения структуры b-субъединиц при своем вращении со скоростью 100 оборотов в секунду. Так как g-субъединица функционирует как несимметричный вал, каждая из трех b-субъединиц вынуждена претерпевать структурные изменения при ее провороте. К одной из них присоединяются АДФ и фосфат-ион, в другой – синтез из них АТФ, в третьей – высвобождение АТФ. В результате одного цикла все три формы меняются местами, и происходит синтез молекулы АТФ. АТФ-синтаза готова к новому циклу.

Работы Бойера по окислительному фосфорилированию продолжались, и в 1971 году было установлено, что энергия в этом процессе не используется непосредственно для образования АТФ, а расходуется, чтобы способствовать отделению уже образованной АТФ от фермента.

Nobeliat.ru

Строение фермента удалось увидеть с помощью метода рентгеновской кристаллографии. Молекула, состоящая из множества субъединиц, включает каталитический домен в цитоплазме и энергетический домен, связанный с клеточной мембраной.

Ключевой компонент последнего – ротор в виде кольца из 13 одинаковых субъединиц с-типа, расположенных вокруг центрального отверстия, так называемое с₁₃−кольцо. По форме оно напоминает «тюльпанообразный стакан для пива», пишут авторы статьи в PLOS Biology. Диаметры кольца составляют 63 Å и 54 Å. Одна часть расположена в цитоплазме клетки, другая – в периплазме (это пространство между плазматической и внешней мембраной бактериальной клетки). Каждая с-субъединица образована двумя a-спиралями молекул белка. Внутренние спирали прямые, а внешние изогнуты и образуют выпуклую поверхность внешней части кольца.

Вода в сердце мотора

Вращение ротора вызвано потоком ионов, причем в данном случае это ионы Н⁺. Ученые определили местоположение ион-связывающего центра, который образован двумя соседними с-субъединицами. Характерные линии позволили увидеть, что внутри этого центра находится молекула воды. Она-то и выполняет основную роль при перекачке ионов.

Протон Н⁺ присоединяется к молекуле воды, образуя гидроксоний — Н₃О⁺. Помогает ему в этом аминокислота глутамат (Glu54) в составе белковой спирали с-субъединицы. Соответственно, протон удерживается между атомом кислорода глутамата и атомом кислорода молекулы воды. Затем он проворачивается на роторном кольце и высвобождается в цитоплазму. Молекулярный ротор вращается со скоростью свыше 500 оборотов в секунду. Его вращение приводит к конформационным изменениям в каталитической субъединице. Конечный результат – синтез молекулы АТФ.

ученый

Пол Бойер (Paul Delos Boyer)
Американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии 1997 года за открытие ферментативного характера синтеза АТФ. Он разделил премию с английским химиком Джоном Уокером.

Молекула воды в ион-связывающем центре фермента удерживается благодаря глутамату одной с-субъединицы и трем аминокислотам (лейцин, аланин, валин) соседней с-субъединицы.

Так ученые подтвердили идею нобелевского лауреата Пола Бойера, высказанную еще в 70−е годы XX века, что не только протон, но и гидроксоний (Н3О⁺) работает на дело синтеза АТФ.