Struktur af protein nanoturbin afsløret

Celler er afhængige af proteinkomplekser kendt som ATP-syntaser eller ATPaser for deres energibehov. Adenosintrifosfat (ATP) molekyler driver de fleste af de processer, der opretholder liv. Strukturbiolog professor Leonid Sazanov og hans forskningsgruppe fra Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (IST Østrig) i Klosterneuburg, Østrig har nu bestemt den første atomare struktur af repræsentanten for V/A-ATPase-familien, udfylde hullet i det evolutionære træ i disse essentielle molekylære maskiner. Disse resultater opnået ved hjælp af de nyeste kryo-elektronmikroskopimetoder afslørede en turbine eller vandmølle lignende struktur af enzymet og er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Roterende kraft

ATP-syntaser/ATPaser er store membranproteinkomplekser, som deler overordnede bruttobygningsplaner og roterende katalysemekanismer. Denne proteinfamilie inkluderer F-type enzym fundet i mitokondrier (cellekraftfabrikker), kloroplaster (organeller, der udfører fotosyntese i planter) og bakterier; V (vakuolær)-type fundet i intracellulære rum i eukaryoter (højere organismer med en kerne) og A (arkæal)-type fundet i prokaryoter - archaea (gamle mikroorganismer) og nogle bakterier.

Forskellige smagsvarianter af ATPaser

F- og A-type enzymer fungerer normalt til at producere ATP, drevet af protonstrøm over membranen. V-type enzymer virker normalt omvendt, bruge ATP til at pumpe protoner. V- og A-ATPaser ligner strukturelt, men de adskiller sig fra F-typen ved at have to eller tre perifere stilke og yderligere forbindende proteinunderenheder mellem V1 og Vo. V-type enzymer udviklede sig sandsynligvis fra A-typen og på grund af disse ligheder kaldes A-type også V/A-ATPase. Nogle bakterier, inklusive Thermus thermophilus , erhvervet et A-type enzym. Long Zhou, postdoc i Sazanov forskningsgruppen i IST Østrig, har oprenset og undersøgt dette enzym (ThV1Vo) ved cryo-EM. I modsætning til F-type, for V-type ATPaser blev kun strukturerne af de isolerede V1- og Vo-domæner bestemt tidligere. Hvordan V1 er koblet til Vo var derfor ikke kendt, og viden om den fulde katalytiske cyklus manglede.

Plasticitet og konkurrence

Forskerne bestemte ikke én, men i alt fem strukturer af hele ThV1Vo enzymet, ved hjælp af kryo-elektronmikroskopi metoder udviklet for nylig i den såkaldte "resolution revolution" af denne teknik. Strukturerne repræsenterer flere konformationelle tilstande af enzymet, der adskiller sig efter rotorens position inde i statoren. Global konformationel plasticitet af ThV1Vo afsløres som væsentlig V1, der vakler i rummet i overgangen fra en tilstand til en anden. Det er et resultat af mekanisk konkurrence mellem rotation af den bøjede centrale rotor og statorens stivhed. V1-Vo kobling opnås via tæt strukturel og elektrostatisk match mellem akslen og den V-type specifikke underenhed, der forbinder den med c-ringen. Visualiseringen af ​​protonbanen afslørede signifikante forskelle i fordelingen af ​​ladede proteinrester fra den i F-ATPaser, med et strengere "checkpoint", der forhindrer "glidning" af enzymet.

Hvorfor yderligere kompleksitet?

I stedet for en enkelt perifer stilk af F-type enzymer, A-typer såsom ThV1Vo har to perifere stilke, mens eukaryote V-typer har tre. Men hvad er fordelen ved den ekstra kompleksitet i den allerede meget store proteinsamling, sammen med yderligere underenheder, der forbinder V1 og Vo? F1/V1-domænet har en tredobbelt symmetri, og derfor produceres (eller forbruges) ét ATP-molekyle for hver 120° rotation af statoren inde i F1/V1. Professor Leonid Sazanov siger:"I V/A-ATPases er dette trin en engangs 120° rotation, i modsætning til F-ATP syntase hvor den er opdelt i flere undertrin. Dermed, større plasticitet kan være påkrævet i ThV1Vo for at forbinde disse 120° trin i V1 til mindre pr. c underenhedstrin i Vo c12-ringen. Denne yderligere fleksibilitet kan gives i V-typer af de yderligere perifere stilke og forbindende underenheder. Vores nye strukturer viser, hvordan dette opnås, giver en ramme for hele V-ATPase-familien".