Ротаційний каталіз – ключ до розуміння механізму синтезу АТР

На підставі результатів детального дослідження кінетики реакцій, що їх каталізує комплекс F₀F₁, а також зв’язування нуклеотидів, Пауль Бойєр запропонував механізм ротаційного каталізу, згідно якого три активні центри F₁ по черзі каталізують синтез АТР (Рис. 19-24). Спочатку певна β-субодиниця набуває конформації β -ADP і зв’язує наявні у середовищі ADP та P_i. Далі ця субодиниця змінює конформацію і переходить у форму β -AТP, яка міцно зв’язує та стабілізує АТР, забезпечуючи рівноважний стан між ADP + P_і та АТР на поверхні ензиму. Врешті субодиниця набуває так званої β -порожньої конформації, спорідненість якої до АТР є дуже низькою, і тому новосинтезована молекула АТР залишає поверхню ензиму. β -субодиниця знову переходить у форму β-ADP, зв’язує ADP та Р_і і починає новий цикл каталізу.

Пауль Бойер

Рушійною силою конформаційних змін, на яких ґрунтується цей механізм, є рух електронів через F₀. Потік протонів через пору в F₀ змушує утворений субодиницями с циліндр з прикріпленою g-субодиницею обертатися навколо довгої осі g, перпендикулярної до площини мембрани. Субодиниця g проходить через центр α₃β₃-сфероїда, який утримується субодиницями b₂ та d у нерухомому стосовно мембранної поверхні стані (Рис. 19-23є). Кожен раз, коли g-субодиниця повертається на 120⁰, вона контактує з іншою β -субодиницею, яка внаслідок такого контакту набуває β -порожньої конформації.

Три β -субодиниці взаємодіють у такий спосіб, що коли одна з них набуває β-порожньої конформації, то сусідня з одного боку субодиниця змушена перейти у форму β -ADP, а сусідня з іншого боку – у форму β -АТР. Отже, коли g-субодиниця робить один повний оберт, кожна з β-субодиниць по черзі набуває трьох різних конформацій, і під час кожного оберту синтезуються та від’єднуються від поверхні ензиму три молекули АТР.

Така модель «зв’язування-зміни» передбачає, що g-субодиниця повинна обертатися в одному напрямку, коли комплекс F₀F₁ синтезує АТР, і у протилежному – коли ензим гідролізує АТР. Це передбачення було підтверджене у витончених експериментах, здійснених Масасуке Йошідою та Казугіко Кіносітою молодшим. Вченим вдалося побачити під мікроскопом обертання g-субодиниці у складі молекули F₁. Для цього до g-субодиниці прикріпили довгу флюоресцентно мічену полімерну молекулу актину та спостерігали під мікроскопом за її переміщенням відносно імобілізованого на предметному склі комплекса α₃β₃ під час гідролізу АТР. Коли у подібному експерименті було використано повний комплекс F₀F₁ (а не лише F₁), разом з g-субодиницею оберталось усе кільце с-субодиниць (Рис. 19-25). “Стержень” обертався у передбаченому напрямку, описуючи коло (360⁰С). Обертання не було рівномірним, а відбувалось дискретно у три етапи по 120⁰. Розрахунки, зроблені на основі значень відомої швидкості гідролізу АТР, здійснюваного однією молекулою F₁, та гальмівного тертя на довгому актиновому полімері показали, що ефективність такого механізму перетворення хімічної енергії на рух є близькою до 100%. Як висловився Бойєер, “це чудова молекулярна машина!”

Дата добавления: 2015-08-18