Учёные выяснили, как фотосинтезирующие организмы регулируют синтез АТФ

АТФ, жизненно важное соединение для растений, водорослей и цианобактерий, производится ферментом хлоропластной АТФ-синтазой (CF_oCF₁). Для контроля производства АТФ в меняющихся световых условиях фермент использует редокс-регуляторный механизм, который изменяет активность синтеза АТФ в ответ на изменение редокс-состояния остатков цистеина (Cys). В восстановленных (световых) условиях они существуют в виде дитиолов, а в окисленных (темновых) — образуют дисульфидную связь. Однако детали этого механизма оставались не до конца понятны.

В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда под руководством профессора Тору Хисабори из Токийского технологического института раскрыла роль аминокислотных последовательностей в CF_oCF₁, объяснив, как фермент регулирует производство АТФ.

Методология: использование генетики водоросли

Для понимания роли конформации аминокислот в редокс-регуляции исследователи использовали одноклеточную зелёную водоросль Chlamydomonas reinhardtii в качестве модели для производства фермента. Внедрив плазмиды, кодирующие F₁ компонент CF_oCF₁ (часть, содержащую каталитические сайты для синтеза АТФ), команда создала мутантные версии белка, целенаправленно изменяя:

• DDE-мотив (кластер отрицательно заряженных аминокислот)

• Редокс-петлю

• β-шпилечный домен

Результаты: ключевые домены для регуляции

Было очищено пять вариантов CF_oCF₁: дикий тип и четыре мутантных штамма. Тестирование активности синтеза АТФ в восстановленных (имитация света) и окисленных (имитация темноты) условиях показало:

• Дикий тип и мутант с изменённым DDE-мотивом функционировали нормально (высокая активность при восстановлении, низкая — при окислении).
• Ферменты без редокс-петли или β-шпильки утратили редокс-ответ, что указывает на критическую роль обоих регионов в механизме регуляции.

Предложенный механизм

Учёные предполагают, что в темноте дисульфидная связь между остатками Cys делает редокс-петлю жёсткой и ослабляет её взаимодействие с β-шпилькой. В результате β-шпилька остаётся заблокированной в полости белка. На свету, когда дисульфидная связь восстанавливается, редокс-петля вновь обретает гибкость и "вытягивает" β-шпильку из полости, позволяя ей участвовать в синтезе АТФ.

"Редокс-регуляция синтеза АТФ осуществляется за счёт кооперативного взаимодействия двух доменов γ-субъединицы CF_oCF₁, уникальных для фотосинтезирующих организмов", — говорит профессор Хисабори. — "Мы полагаем, что это результат взаимодействия β-шпильки и редокс-петли с каталитическим сайтом".

Это открытие — важный шаг к лучшему пониманию фотосинтеза, имеющий потенциальное значение для сельского хозяйства и биоэнергетики.