Ny undersøgelse undersøger ATP-syntase i sur tilstand for at afsløre, hvordan enzymet fungerer

Abstrakt:

ATP-syntase, et afgørende enzym i cellulær energiproduktion, gennemgår dynamiske konformationelle ændringer i løbet af sin katalytiske cyklus. Et spændende aspekt af ATP-syntase er dens evne til at fungere i forskellige pH-miljøer. Mens dens aktivitet er optimal ved fysiologisk pH, udviser ATP-syntase også betydelig aktivitet ved sur pH. Imidlertid er de detaljerede mekanismer, der ligger til grund for dens ydeevne under sure forhold, stadig dårligt forstået.

I denne undersøgelse brugte vi en kombination af eksperimentelle teknikker og beregningsmodellering til at undersøge de strukturelle og funktionelle karakteristika af ATP-syntase i den sure tilstand. Ved hjælp af avanceret kryo-elektronmikroskopi fangede vi højopløsningsstrukturer af ATP-syntase fra en termofil bakterie, Thermus thermophilus, ved en sur pH på 6,0. Detaljeret analyse af disse strukturer afslørede slående forskelle sammenlignet med de velkendte strukturer opnået ved neutral pH. Den sure pH inducerede signifikante konformationelle ændringer i enzymet, hvilket involverede justeringer i de transmembrane domæner, den centrale stilk og den perifere stilk.

Vores biokemiske assays komplementerede de strukturelle resultater, hvilket viste, at ATP-syntase bevarer væsentlig ATP-synteseaktivitet ved sur pH. Kinetiske målinger indikerede ændringer i enzymets kinetiske parametre, hvilket tyder på tilpasninger til det sure miljø. Ydermere udpegede site-dirigeret mutagenese-eksperimenter specifikke aminosyrerester, der var kritiske for at opretholde aktivitet ved sur pH.

For at få dybere indsigt i den dynamiske opførsel af ATP-syntase under sure forhold, udførte vi omfattende simuleringer af molekylær dynamik. Disse simuleringer gav detaljer på atomniveau om de strukturelle fluktuationer, konformationelle ændringer og protonoverførselsveje involveret i ATP-syntese. De beregningsmæssige resultater bekræftede de eksperimentelle observationer og gav et grundlag for at dissekere de energetiske aspekter af enzymets funktion.

Gennem vores omfattende undersøgelse har vi markant udvidet vores forståelse af ATP-syntases funktionelle mekanismer i den sure tilstand. Denne undersøgelse kaster lys over enzymets tilpasningsevne til forskellige pH-forhold, hvilket er relevant for dets funktion i forskellige biologiske miljøer, herunder sure rum i celler, acidofile organismer og barske industrielle applikationer. Desuden bidrager vores resultater til den bredere forståelse af bioenergetik og enzymkatalyse, hvilket åbner muligheder for fremtidig forskning og potentielle bioteknologiske anvendelser.