Структура белковой нанотурбины раскрыта

Клетки полагаются на белковые комплексы, известные как АТФ-синтазы или АТФазы, для своих энергетических потребностей. Молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) обеспечивают энергией большинство процессов, поддерживающих жизнь. Структурный биолог профессор Леонид Сазанов и его исследовательская группа из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) в Клостернойбурге впервые определили атомную структуру представителя семейства V/A-АТФаз, заполнив пробел в эволюционном древе этих важнейших молекулярных машин. Результаты, полученные с помощью новейших методов криоэлектронной микроскопии, выявили турбино- или водяную мельницу-подобную структуру фермента и опубликованы в журнале Science.

Вращательная сила

АТФ-синтазы/АТФазы — это крупные мембранные белковые комплексы, которые имеют общий общий план строения и механизмы роторного катализа. Это семейство включает F-тип фермента, обнаруженный в митохондриях («энергетических фабриках» клетки), хлоропластах (органеллах, осуществляющих фотосинтез у растений) и бактериях; V (вакуолярный)-тип, обнаруженный во внутриклеточных компартментах эукариот (высших организмов с ядром), и A (архейный)-тип, обнаруженный у прокариот — архей (древних микроорганизмов) и некоторых бактерий.

Разные варианты АТФаз

Ферменты F- и A-типа обычно функционируют для производства АТФ, используя поток протонов через мембрану. Ферменты V-типа обычно работают в обратном направлении, используя АТФ для перекачки протонов. V- и A-АТФазы структурно схожи, но отличаются от F-типа наличием двух или трёх периферических ножек и дополнительных связывающих белковых субъединиц между V1 и Vo. V-тип ферментов, вероятно, эволюционировал из A-типа, и из-за этого сходства A-тип также называют V/A-АТФазой. Некоторые бактерии, включая Thermus thermophilus, приобрели фермент A-типа. Постдок Лонг Чжоу из исследовательской группы Сазанова в IST Austria очистил и изучил этот фермент (ThV1Vo) с помощью крио-ЭМ. В отличие от F-типа, для V-типа АТФаз ранее были определены только структуры изолированных доменов V1 и Vo. Как V1 связан с Vo, оставалось неизвестным, и не хватало знаний о полном каталитическом цикле.

Пластичность и конкуренция

Учёные определили не одну, а в общей сложности пять структур всего фермента ThV1Vo, используя методы криоэлектронной микроскопии, разработанные недавно в ходе так называемой «революции разрешения» этой техники. Структуры представляют несколько конформационных состояний фермента, различающихся положением ротора внутри статора. Глобальная конформационная пластичность ThV1Vo проявляется как существенное колебание V1 в пространстве при переходе из одного состояния в другое. Это результат механической конкуренции между вращением изогнутого центрального ротора и жёсткостью статора. Связывание V1-Vo достигается за счёт тесного структурного и электростатического соответствия между валом и специфичной для V-типа субъединицей, связывающей его с c-кольцом. Визуализация пути протона выявила значительные различия в распределении заряженных белковых остатков по сравнению с F-АТФазами, с более строгим «контрольным пунктом», предотвращающим «проскальзывание» фермента.

Зачем дополнительная сложность?

Вместо единственной периферической ножки ферментов F-типа, A-типы, такие как ThV1Vo, имеют две периферические ножки, в то время как эукариотические V-типы имеют три. Но в чём преимущество дополнительной сложности в уже очень крупной белковой сборке, наряду с дополнительными субъединицами, связывающими V1 и Vo? Домен F1/V1 имеет трёхкратную симметрию, поэтому одна молекула АТФ производится (или потребляется) на каждые 120° вращения статора внутри F1/V1. Профессор Леонид Сазанов говорит: «В V/A-АТФазах этот шаг представляет собой единовременное вращение на 120°, в отличие от F-АТФ-синтазы, где он разделён на несколько подшагов. Таким образом, в ThV1Vo может требоваться большая пластичность, чтобы связать эти 120° шаги в V1 с меньшими шагами на субъединицу c в Vo c12-кольце. Эта дополнительная гибкость в V-типах может обеспечиваться дополнительными периферическими ножками и связывающими субъединицами. Наши новые структуры показывают, как это достигается, предоставляя основу для всего семейства V-АТФаз».