Разгадан механизм работы гигантского протонного насоса

Митохондрии — энергетические станции клетки. Ключевую роль в выработке энергии играет гигантский молекулярный протонный насос, комплекс I. Он запускает цепь реакций, создавая протонный градиент, который питает синтез клеточного топлива — АТФ. Однако механизм транспорта протонов через мембрану оставался неизвестным. Группа Леонида Сазанова из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) раскрыла эту тайну: протоны перемещаются в митохондриальный матрикс благодаря конформационным изменениям белка в сочетании с электростатической волной. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Комплекс I — первый фермент дыхательной цепи, серии белковых комплексов во внутренней митохондриальной мембране, ответственной за большую часть выработки клеточной энергии. В этой цепи три мембранных белка создают градиент протонов, перемещая их из цитоплазмы в матрикс. Энергия для этого процесса поступает в основном от переноса электронов с молекул NADH (получаемых из пищи) на кислород. Затем АТФ-синтаза использует протонный градиент для синтеза АТФ.

Комплекс I примечателен не только своей центральной ролью, но и размером: с молекулярной массой 1 МДа эукариотический комплекс I является одним из крупнейших мембранных белков, что затрудняет его изучение.

Водная "проволока" помогает протонам перемещаться через мембрану

Ранее было показано, что L-образный комплекс I состоит из гидрофильного и мембранного плеч. В гидрофильном плече электроны туннелируют от NADH к хинону. В мембранном плече, где происходит перенос протонов, есть три похожих субъединицы, структурно родственных антипортерам, и одна субъединица с полостью связывания хинона. Загадкой оставалось, как взаимодействие электронов с хиноном в этой полости может перемещать четыре протона за цикл, поскольку антипортероподобные субъединицы находятся далеко от неё.

Чтобы решить эту задачу, команда провела крио-ЭМ-исследование комплекса I овцы. Было получено 23 различные структуры комплекса в разных условиях. Добавление NADH и хинона позволило зафиксировать комплекс I в работе, переключающимся между двумя основными состояниями. Благодаря высокому разрешению удалось различить молекулы воды внутри белка, необходимые для переноса протона. Оказалось, что множество молекул воды в центральной оси мембранного плеча образуют путь, по которому протоны могут "перепрыгивать" между полярными остатками и водой, формируя пути вдоль и поперёк мембраны.

Однако только в одной субъединице, наиболее удалённой от хинона, протоны пересекают мембрану. Две другие субъединицы обеспечивают сопряжение между этой дальней субъединицей и хиноном. Когда полость связывания "ждёт" хинон, спираль блокирует водную "проволоку" в центральной оси. Когда хинон связывается, конформация белка в этой области резко меняется, и эта спираль поворачивается. Теперь водная "проволока" соединяет все мембранные субъединицы комплекса I, и два протона доставляются к хинону для его восстановления. Эта ключевая часть механизма создаёт заряд возле первого антипортера и запускает электростатическую волну взаимодействий между заряженными остатками, которая распространяется вдоль антипортеров, что в итоге приводит к переносу четырёх протонов.

«Мы показали, что в комплексе I работает новый и неожиданный механизм. Смесь конформационных изменений и электростатической волны перекачивает протоны через мембрану», — объясняет Сазонов. «Этот механизм весьма необычен, так как включает вращение целой спирали внутри белка. Это кажется избыточным, но, вероятно, обеспечивает надёжность механизма».