Структура фермента, стоящего за самой маленькой турбиной в мире, определена

Химическое соединение АТФ (аденозинтрифосфат) — это топливо, которое питает всю жизнь. Несмотря на центральную роль АТФ, структура фермента, генерирующего АТФ, F1Fo-АТФ-синтазы, у млекопитающих, включая человека, ранее не была определена. Теперь учёные из IST Austria сообщают о первой полной структуре F1Fo-АТФ-синтазы млекопитающих. Эта структура также разрешает спор о том, как формируется пора перехода проницаемости — структура, участвующая в гибели клеток, раке и сердечных приступах.

АТФ-синтаза также упоминается как комплекс V дыхательной цепи — серии белковых комплексов в мембране митохондрий. Эта дыхательная цепь создаёт протонный градиент, который АТФ-синтаза использует для производства АТФ. Ранее Сазанов первым определил белковую структуру бактериального комплекса I и первым определил структуру комплекса I млекопитающих. В новом исследовании Сазанов и члены его лаборатории Гергей Пинке и Лонг Чжоу обратились к комплексу V млекопитающих — последней нерешённой структуре в дыхательной цепи млекопитающих. «F1Fo-АТФ-синтаза — один из важнейших ферментов на Земле. Она обеспечивает энергией большинство форм жизни, включая нас, людей, но до сих пор мы не знали полностью, как она работает», — объясняет Сазанов.

Вращение усложняет картину

Поскольку структура растворимого домена F1, похожего на гриб, уже известна, Сазанов и его команда особенно внимательно изучили домен Fo, встроенный в митохондриальную мембрану. Здесь протоны переносятся на границе раздела так называемого c-кольца (кольца, состоящего из идентичных белковых субъединиц) и остальной части Fo. Протоны перемещаются через мембрану, когда каждая c-субъединица захватывает протон с одной стороны мембраны, вращается вместе с кольцом и высвобождает протон с другой стороны. Это c-кольцо прикреплено к центральному валу F1, и его вращение генерирует АТФ внутри F1. Чтобы определить структуру домена Fo и всего комплекса, исследователи изучили фермент из митохондрий овцы с помощью криоэлектронной микроскопии. И здесь АТФ-синтаза создаёт особую проблему: поскольку она вращается, она может останавливаться в трёх основных положениях, а также в промежуточных состояниях. «Очень сложно различить эти положения, приписав структуру каждому положению, которое может занимать АТФ-синтаза. Но нам удалось решить эту задачу вычислительными методами, чтобы построить первую полную структуру фермента», — говорит Сазанов.

Местоположение поры перехода проницаемости найдено

В своей высокоразрешающей структуре Fo исследователи обнаружили, что c-кольцо закупорено двумя липидами — по одному с каждой стороны мембраны. В то время как верхний липид (обращённый к F1) вращается вместе с валом, нижний липид не вращается, так как, вероятно, соединён с доменом Fo через «крючковый аппарат».

Эта вновь открытая структура проливает свет на спор в биологии: как и где открывается так называемая пора перехода проницаемости. Эта пора связана с гибелью клеток и открывается, например, во время инсультов и сердечных приступов. До сих пор было известно, что пора образуется в митохондриях в ответ на высокий уровень кальция, но точное местоположение поры оставалось неизвестным. Теперь, используя полностью решённую структуру F1Fo, Сазанов и его группа могут описать, как пора формируется в F1Fo-АТФ-синтазе: когда кальций связывается в субъединице F1, индуцируется большое конформационное изменение. Комплексу приходится приспосабливаться к этому изменению, и, делая это, он тянет за крючковый аппарат. Аппарат, в свою очередь, вытягивает липидную пробку на нижней стороне Fo, инициируя открытие поры. «Когда пора открыта в течение более длительного периода времени, c-кольцо дестабилизируется, и формирование поры становится необратимым», — говорит Сазанов. «Эта модель согласуется со всеми доступными данными по мутантам. Чтобы быть полностью уверенными, что именно так формируется пора перехода проницаемости, необходимо определить структуру АТФ-синтазы во время переходов, индуцированных кальцием, чем мы сейчас и занимаемся».

Исследование опубликовано в Nature Structural & Molecular Biology.