Разгадка механизма вращения самого маленького биологического роторного мотора

Ферментный комплекс F-типа АТФ-синтаза выполняет в клетках двойную функцию: синтезирует аденозинтрифосфат (АТФ) и гидролизует его. При гидролизе АТФ его субкомплекс F1 (F1-АТФаза) демонстрирует вращательное движение, за что его называют самым маленьким в мире биологическим роторным мотором. Однако механизм, с помощью которого гидролиз АТФ заставляет молекулу вращаться, оставался неясным.

Группа исследователей из Японии под руководством доцента Томоко Масаике из Токийского университета науки решила изучить этот механизм на примере F1-АТФазы термофильной бактерии Bacillus PS3.

Ключевой вопрос и метод

Целью было выяснить угол поворота центрального вала между связыванием молекулы АТФ и расщеплением её высокоэнергетической фосфатной связи. Ранее этот угол оценивался в 200°, но экспериментальных доказательств не было.

Для наблюдения исследователи создали гибридную F1 с одной мутантной и двумя нормальными (wild type) β-субъединицами. У мутантной субъединицы скорость связывания и расщепления АТФ была крайне низкой, что позволило легко наблюдать паузы (dwells) между шагами вращения.

Результаты и открытие

Проведя одно-молекулярный анализ вращения при разной концентрации АТФ, учёные наблюдали чередование коротких и длинных пауз с интервалами в 80° и 40° за один оборот.

  • Длинная пауза перед шагом в 40° не зависела от концентрации АТФ и была идентифицирована как «каталитическая пауза» (catalytic dwell) — задержка вращения из-за расщепления АТФ.
  • Короткая пауза перед шагом в 80° явно зависела от концентрации АТФ, что указало на её роль как «паузы ожидания АТФ» (ATP-waiting dwell) — времени, необходимого β-субъединице для связывания субстрата.

«Мы смогли предоставить видимые доказательства с помощью оптической микроскопии, что углы вала в момент связывания и расщепления АТФ у Bacillus PS3 составляют 0° и 200° соответственно», — говорит соавтор работы Ю Хасимото.

Значение исследования

Это исследование разрешило давние споры об угле поворота при расщеплении АТФ и установило чёткую хемомеханическую корреляцию в работе АТФазы.

По словам доцента Масаике, понимание механизма работы этого «самого маленького биологического роторного мотора» может стать ориентиром для изучения преобразования энергии в живых организмах, помочь в создании эффективных наномашин, а также в разработке лекарств. Например, АТФ-синтаза Mycobacterium tuberculosis считается потенциальной мишенью для новых препаратов, и для её блокировки ингибиторами необходимо понимать механизм вращения.