Аннотация
Введение. В организме аденозинтрифосфат (АТФ) является одним из самых часто обновляемых соединений. Критическим условием для синтеза АТФ с помощью FоF1-АТФ-синтазы является наличие трансмембранного градиента электрохимического потенциала ионов водорода, который оказывает влияние на протонный транспорт через фактор Fо. Целью данной работы была оценка влияния трансмембранного потенциала на параметры протонного транспорта через входной полуканал FоF1-АТФ-синтазы с учетом возможного пространственного полиморфизма структуры белка. Методы. При моделировании движения протона используется комбинированный подход, в котором вероятности переноса протона определяются в квантово-механической модели одномерного движения, а задача транспорта через последовательность заряженных центров в полуканале рассмотрена в рамках стохастического подхода. Результаты. Полученные в модели значения времен протонного транспорта 10 ‾10–10 ‾8 с согласуются с экспериментальной оценкой времени переноса ионов в различных биологических объектах, с учетом особенностей физико-химических условий экспериментов. В диапазоне физиологических значений мембранного потенциала время транспорта практически не менялось. Для трансмембранно ориентированной формы полуканала (pdb-структура 1С17) установлена линейная зависимость между временем транспорта и потенциалом на мембране. При отсутствии потенциала время транспорта увеличивается на 11%. Для латерально ориентированной формы полуканала (pdb-структура 5T4O) наблюдается некоторое замедление транспорта, однако явной линейной зависимости не выявлено. Заключение. Полученные в работе результаты могут быть использованы для расчета протонного тока через полуканал и вклада времени транспорта в общее время синтеза АТФ. Кроме того, анализ адаптивности протонного транспорта свидетельствует о наличии дополнительных точек уязвимости каталитического цикла FоF1-АТФ-синтазы при нарушении целостности и характеристик биологических мембран.
Авторы и аффилиации
Л.А. Ивонцин, Е.В. Машковцева, кандидат физико-математических наук, Я.Р. Нарциссов, кандидат физико-математических наук, доцент Частное учреждение «Научно-исследовательский институт цитохимии и молекулярной фармакологии», Российская Федерация, 115404, Москва, ул. 6-я Радиальная, д. 24, стр. 14 Е-mail: ivontsin@icmph.ru
Литература
Bonora M., Patergnani S., Rimessi A., Marchi E., Suski J., Bononi A., Giorgi C., Marchi S., Missiroli S., Poletti F., Wieckowski M., PintonP. ATP synthesis and storage. Purinergic Signalling. 2012; 8 (3): 343–57. https://doi.org/10.1007/s11302-012-9305-8
2. Ржешевский А.В. Снижение синтеза АТФ и дисфункция биологических мембран. Два возможных ключевых звена в развитии феноптоза. Биохимия. 2014; 79 (10): 1300–15. [Rzheshevsky A.V. Decrease in ATP biosynthesis and dysfunction of biological membranes. Two possible key mechanisms of phenoptosis. Biochemistry (Moscow). 2014; 79 (10): 1056–68 (in Russian)]
3. Mashkovtseva E., Boronovsky S., Nartsissov Ya. Combined mathematical methods in the description of the FоF1-ATP synthase catalytic cycle. Mathematical Biosciences. 2013; 243 (1): 117–25. https://doi.org/10.1016/j.mbs.2013.02.013
4. Boyer P. What makes ATP synthase spin? Nature. 1999; 402: 247–9. https://doi.org/10.1038/46193
5. Altendorf K., Stalz W., Greie J., Deckers-Hebestreit G. Structure and function of the F(o) complex of the ATP synthase from Escherichia coli. J. of Experimental Biology. 2000; 203 (1): 19–28.
6. Nesci S., Trombetti F., Ventrella V., Pagliarani A. The c-Ring of the F1FO-ATP Synthase: Facts and Perspectives. 2016; 249: 11–21. https://doi.org/10.1007/s00232-015-9860-3
7. Allegretti M., Klusch N., Mills D., Vonck J., Kühlbrandt W., Davies K. Horizontal membrane-intrinsic α-helices in the stator a-subunit of an F-type ATP synthase. Nature. 2015; 521: 237–40. https://doi.org/10.1038/nature14185
8. Sobti M., Smits C., Wong A., Ishmukhametov R., Stock D., Sandin S., Stewart A. Cryo-EM structures of the autoinhibited E. coli ATP synthase in three rotational states. Elife. 2016; 5: e21598. https://doi.org/10.7554/eLife.21598
9. Fillingame R., Steed P. Half channels mediating H(+) transport and the mechanism of gating in the Fo sector of Escherichia coli F1Fo ATP synthase. Biochimica et BiophysicaActa. 2014; 1837 (7): 1063–8. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2014.03.005
10. Morozenko A., Stuchebrukhov A. Dowser++, a New Method of Hydrating Protein Structures. Proteins. 2016; 84 (10): 1347–57. https://doi.org/10.1002/prot.25081
11. Ernst J., Clubb R., Zhou H., Gronenborn A., Clore G. Demonstration of positionally disordered water within a protein hydrophobic cavity by NMR. Science. 1995; 267: 1813–7. https://doi.org/10.1126/science.7892604
12. Covalt J., Roy M., Jennings P. Core and surface mutations affect folding kinetics, stability and cooperativity in IL-1 beta: does alteration in buried water play a role? J. of Molecular Biology. 2001; 307 (2): 657–69. https://doi.org/10.1006/jmbi.2001.4482
13. Скулачев В.П., Богачев А.В., Каспаринский Ф.О. Мембранная биоэнергетика. М.: Издательство Московского университета; 2010. [Skulachev V.P., Bogachev A.V., Kasparinskiy F.O. Membrane Bioenergy. М.: Izdatel’stvo Moskovskogo universiteta; 2010 (in Russian)]
14. Junge W., Nelson N. ATP Synthase. Annual review of biochemistry. 2015; 84 (1): 631–57. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060614-034124
15. Романовский Ю.М., Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза — вращающийся молекулярный мотор. Успехи физических наук. 2010; 180 (9): 931–56. https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201009b.0931 [Romanovsky Yu.M., Tikhonov A.N. Molecular energy transducers of the living cell. Proton ATP synthase: a rotating molecular motor. Physics-Uspekhi. 2010; 53 (9): 893–914. https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201009b.0931 (in Russian)]
16. Ягужинский Л.С., Мотовилов К.А., Волков Е.М., Еремеев С.А. О взаимодействии поверхностно-активного основания с фракцией мембраносвязанных протонов Вильямса. Биофизика. 2013; 58 (1): 117–25. [Yaguzhinsky L.S., Motovilov K.A., Volkov E.M., Eremeev S.A. Interaction of a surface-active base with the fraction of membrane-bound Williams’ protons. Biophysics. 2013; 58 (1): 117–25. https://doi.org/10.1134/S0006350913010181]
17. Mulkidjanian A., Heberle J., Cherepanov D. Protons @ interfaces: implications for biological energy conversion. Biochimica et Biophysica Acta. 2006; 1757 (8): 913–30. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2006.02.015
18. Ivontsin L., Mashkovtseva E., Nartsissov Ya. Quantum-mechanical analysis of amino acid residues function in the proton transport during FoF1-ATP synthase catalytic cycle. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 917 (4): 042004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/4/042004
19. Rastogi V., Girvin M. Structural changes linked to proton translocation by subunit c of the ATP synthase. Nature. 1999; 402: 263–8. https://doi.org/10.1038/46224
20. Ivontsin L., Mashkovtseva E., Nartsissov Ya. Simulation of proton movement in FoF1-ATP synthase by quantum-mechanical approach. Journal of Physics: Conference Series. 2017; 784 (1): 012021. https://doi.org/10.1088/1742-6596/784/1/012021
21. Feniouk B., Kozlova M., Knorre D., Cherepanov D., Mulkidjanian A., Junge W. The Proton-Driven Rotor of ATP Synthase: Ohmic Conductance (10 fS), and Absence of Voltage Gating. Biophysical J. 2004; 86 (6): 4094–109. https://doi.org/10.1529/biophysj.103.036962