ID のアイコン、ATP 合成酵素は回転するだけではありません

回転機械の生化学的象徴である ATP シンターゼは、新しい発見で今でもニュースになっています。 現在、極低温電子顕微鏡法が広く使用されているため、生物物理学者はエンジンの個々のサブユニットの機能を観察し、それらが何をするのかを解明しています。 分子機械がよく見るほど機能的に優雅さを示すという事実は、インテリジェントなデザインが最良の説明であることを示しています。

動物と植物はどちらも、必要なエネルギーを ATP で供給する重要なロータリー エンジンを備えています。 動物ではミトコンドリアに存在します。 植物や他の光合成生物では、葉緑体に存在します。 光合成は光に依存しているため、暗くなるとロータリーエンジンが逆回転し始め、「無駄なATP加水分解反応」の危険性があるという問題がある。

緑藻クラミドモナス・ラインハルティ（上の写真）を「モデル生物」として研究し、8人の日本の科学者チームは、葉緑体ATP合成酵素のγサブユニット（これは、細胞を駆動するエンジンの「カムシャフト」部分である）を詳しく調べた。 F1 ドメインでの ATP の合成)。 彼らは、γ サブユニット内の 2 つの特定のドメインが暗闇での自動ブレーキとして機能することを発見しました。 彼らは1月にPNASにこう書いている。

すべての生物の FoF1-ATP 合成酵素複合体の中で、葉緑体 FoF1 (CFoCF1) は個性的酵素入り酸化還元調節機構 ; しかし、CFoCF1におけるアデノシン三リン酸（ATP）合成反応の酸化還元制御の根底にある機構は完全には解明されていない。 光合成のモデル生物としてのクラミドモナス・ラインハルティの強力な遺伝学を利用して、CFoCF1分子の包括的な生化学的解析を実施しました。 今回我々は、細胞内酸化還元反応の動態の構造的決定因子を特定し、ATP合成の酸化還元制御は、2つのγサブユニットドメインの協力的な相互作用によって達成されます。光合成生物に特有の CFoCF1 の性質。 [強調を追加しました。]

記事の図 6 (Phys.org によって転載) は、2 つのドメインがどのようにストッパーのように機能するかを示しています。

緊密な構造により、酸化還元ループとβヘアピンの間の相互作用が弱まります。 その結果、βヘアピンはαサブユニットとβサブユニットの間の空洞に留まったままになり、ストッパーのように回転を阻止します中央の茎（γεc リング）の。 還元型では、酸化還元ループ柔軟性を回復します βヘアピンと相互作用します。 酸化還元ループが相互作用するβヘアピンを空洞から引き抜き、協調制御装置のように中央の茎を加速します。

もう一つの日本のチーム、これは東京大学のチームは、リン酸の付加によってADPがATPに変換されるATP合成酵素エンジンのF1ドメインの「触媒滞留」を詳しく調べた。 F1 ドメインには、花びらのように配置された 3 対の α、β サブユニットがあり、各対は、成分の挿入、触媒作用、ATP の排出という異なる活性段階にあります。 γ サブユニットは、カムシャフトと同様に、360 度回転するたびに、α、β の各ペアを順番に活性化します。 3 で割ると、α、β の各ペアは、触媒作用段階 (ADP + P が ATP を生成する) で、クランクシャフトが 1 回転するたびに 120° 以内でカムシャフトの力を感じます。 それ以外の時には、ペアは材料を受け取るか、完成した ATP を排出します。 逆回転時には、F1 モーターが ATP 切断機となり、ATP を加水分解して ADP と P を生成し、その過程でプロトンを排出します。 加水分解では、ATP がモーターを逆回転させる燃料になります。

通常の動作中、モーターは ATP を触媒します。 生物物理学者たちは、カムシャフト (γ サブユニット) が入ってくる ADP と P に圧力をかけて、それらを結合させるのではないかと長い間疑っていました。 0°がATPが触媒される瞬間を表すとすると、これまでの研究では、80°で短い休止段階があり、その後の回転40°でより長い滞留段階があり、論文で言うところの「化学機械結合スキーム」を表していることがわかっている。

しかし、逆反応では、ATP が切断される角度は不明でした。 研究チームは、「世界最小の回転生体分子モーター」が逆回転するのを観察できるように、非常にゆっくりと動作するハイブリッド ATP 合成酵素を作成した。 彼らのハイブリッドにより、ATP 切断が起こる角度を測定できるようになりました。

その結果、新型ハイブリッドF1は200度離れた2つの一時停止角度を示した。 それらの原因は次のとおりです。2 つの遅い反応ステップしたがって、ATP 切断は 0°での ATP 結合の後に 80°ではなく 200°で起こるという直接的な証拠を提供します。 このシナリオは、ケメメカニカルカップリングスキームにおける長年の未解明な問題を解決し、一方向回転駆動機構。

彼らが測定したこの「非常に長い滞留」を説明する論文の「グラフィック要約」を参照してください。 この発見は、ATP 合成酵素が両方向でその働きに合わせて細かく調整されていることを明らかにしました。 逆方向 (加水分解) は、モーターの燃料漏れのようなものではありません。 その部分は正確に作用して、特定の方法で ATP を切断します。

ATP シンターゼには親戚があります。 これは、V-ATPase (液胞型アデノシントリホスファターゼ) と呼ばれるプロトンポンプで、その触媒部分には F1Fo ではなく V1Vo とラベルが付けられています。 対応するものと同様に、V-ATPase は回転動作で動作しますが、プロトンを細胞小器官に送り込むために ATP を消費します。 その役割は、機能するために低い pH を必要とする液胞やその他の細胞小器官、または細胞内コンパートメントを酸性化することです。 Vo 部分はプロトン (H+ イオン) を液胞に送り込み、液胞の酸性度を高めます。 少し考えれば、そのようなモーターは危険である可能性があることがわかります。 酸を生成するモーターが緩んでしまうことを望みますか?

PNAS に発表したトロントの病院の科学者たちは、細胞に害を及ぼさずにこれらの酸ポンプがどのように構築されるかを理解することに興味を持っていました。 Vo複合体は小胞体（ER）で組み立てられ、ゴルジ体に輸送されてV1と結合します。 ドメインが完全に組み立てられ、実行可能になるまで、ドメインが非アクティブ化されるのはどのような品質管理メカニズムですか?

研究チームは、極低温電子顕微鏡を使用して、組み立て中に酸ポンプを安全に取り扱うための品質管理を達成するために連携する必要がある 3 つのタンパク質 (Vma12p、Vma22p、および Vma21p) を画像化しました。 「結果として得られた構造は、次のことを示している」と彼らは発見した。一連の調整された相互作用そして構造変化により、正しく組み立てられただけVo は ER から出て、中性 ER へのプロトンの送り込みが回避される。「ER に酸をこぼすのは悪いことかもしれない!」「当然のことながら、Vo の集合、Vma12p、Vma22p、Vma22p、Vma22p、では、これら 3 つの必須タンパク質はどのように品質管理を行っているのでしょうか? 本当に知りたいですか?

上で説明した構造が示唆するのは、一連の出来事これは、ER 膜での Vo の組み立てとその後のゴルジ体での V1 の結合中に起こります。 c リングは Voa1p の周囲に集合し、サブユニット d が c8c'c''Voa1p リングに結合し、Voa1p の ER 検索モチーフをマスクします。 VoΔaef:Vma12-22p 構造は、Vma12-22p 複合体がこの完全に組み立てられたリングに結合していることを示しています。やり取りの前にサブユニット a、e、および f を含む (図 4A)。 Vma12-22pインタラクションの採用と確保に役立ちますVma12p とサブユニット a および d との相互作用を介して、サブユニット a と c 環が結合します…。

はいはい。 V-ATPase の組み立てが安全であることを保証するために、一連の複雑な相互作用が行われていると言えば十分でしょう。 生化学者は詳細を調べたいと思うかもしれません。 幸いなことに、著者はこれらすべての動作部分のダイナミクスを示す図とアニメーションを提供してくれました。 彼らの最後の文に注目してください。「重要なことに、この構造は、Vma21p と Vma12-22p が V-ATPase の構築と品質管理の両方でどのように中心的な役割を果たしているかを示しています。」

品質管理: これは、これら 3 つの研究すべてに浸透している工学的な概念です。 品質管理がなければ、すべての生命が依存しているこれらのナノスケールのロータリー エンジンは決して存続することはなく、そもそも誕生することもありません。 品質管理は、インテリジェントな設計とエンジニアリングの実用用語に属します。 ダーウィンの辞書には載っていない。