Молекулярный мотор работает на воде

Биохимикам удалось раскрыть подробности одной из главных реакций в живой клетке -- синтеза АТФ. Оказалось, в центре бешено вращающегося моторчика, который и запасает энергию, висит молекула воды. Исследование подтвердило гипотезу.

Подобно вырабатывающим электроэнергию гидротурбинам молекулярная нанотурбина в составе фермента АТФ-синтазы добывает энергию для синтеза молекулы АТФ. Именно в форме АТФ в клетке хранится энергия, которая потом используется для жизнедеятельности. Нанотурбина, как ей и положено, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Строение этого ротора и выяснила группа исследователей из Института биофизики Общества Макса Планка (Max Planck Institute of Biophysics) во Франкфурте под руководством Томаса Мейера (Thomas Meier). Оказалось, ключевым элементом молекулярной турбины служит молекула воды.

Ученые изучали работу АТФ-синтазы у бактерии Bacillus pseudofirmus. У этой бактерии, как и у некоторых других организмов, фермент работает благодаря переносу протонов Н⁺ (другой вариант – ионы Na⁺) от внешней стороны мембраны внутрь клетки. Перенос происходит потому, что на поверхностях мембраны создается разность потенциалов.

Наноротор похож на стакан для пива

Строение фермента удалось увидеть с помощью метода рентгеновской кристаллографии. Молекула, состоящая из множества субъединиц, включает каталитический домен в цитоплазме и энергетический домен, связанный с клеточной мембраной.

Ключевой компонент последнего – ротор в виде кольца из 13 одинаковых субъединиц с-типа, расположенных вокруг центрального отверстия, так называемое с₁₃-кольцо. По форме оно напоминает «тюльпанообразный стакан для пива», пишут авторы статьи в PLOS Biology. Диаметры кольца составляют 63 Å и 54 Å. Одна часть расположена в цитоплазме клетки, другая – в периплазме (это пространство между плазматической и внешней мембраной бактериальной клетки). Каждая с-субъединица образована двумя a-спиралями молекул белка. Внутренние спирали прямые, а внешние изогнуты и образуют выпуклую поверхность внешней части кольца.

Вода в сердце мотора

Вращение ротора вызвано потоком ионов, причем в данном случае это ионы Н⁺. Ученые определили местоположение ион-связывающего центра, который образован двумя соседними с-субъединицами. Характерные линии позволили увидеть, что внутри этого центра находится молекула воды. Она-то и выполняет основную роль при перекачке ионов.

Протон Н⁺ присоединяется к молекуле воды, образуя гидроксоний -- Н₃О⁺. Помогает ему в этом аминокислота глутамат (Glu54) в составе белковой спирали с-субъединицы. Соответственно, протон удерживается между атомом кислорода глутамата и атомом кислорода молекулы воды. Затем он проворачивается на роторном кольце и высвобождается в цитоплазму. Молекулярный ротор вращается со скоростью свыше 500 оборотов в секунду. Его вращение приводит к конформационным изменениям в каталитической субъединице. Конечный результат – синтез молекулы АТФ.

Молекула воды в ион-связывающем центре фермента удерживается благодаря глутамату одной с-субъединицы и трем аминокислотам (лейцин, аланин, валин) соседней с-субъединицы.

Так ученые подтвердили идею нобелевского лауреата Пола Бойера, высказанную еще в 70-е годы XX века, что не только протон, но и гидроксоний (Н3О⁺) работает на дело синтеза АТФ.