ИСТИНА

Точное определение сложного механизма работы АТФ-синтазы имеет фундаментального значение для современной химии и биологии. Множество работ посвящено исследованию функционирования АТФ-синтазы, механизм которого можно условно разделить на две стадии. Первая стадия – это вращение с-кольца вокруг своей оси в мембранном секторе белка F0 при миграции протонов из межмембранного пространства внутрь бактерий или митохондрий и вращение вместе с ним центрального ротора, образованного субъединицами γ, δ и ε и входящего в полость с-кольца. Вторая стадия включает изменение положения каталитических субъединиц α, β сектора F1, осуществляемое за счёт вращения центрального ротора. Таким образом, каталитическую работу фермента обуславливают процессы, протекающие в секторе F0. Роторный механизм с-кольца неизвестен, но есть экспериментальные данные, которые указывают на то, что протон-связывающие центры с-кольца в разные моменты времени испытывают влияние двух сред, с которыми взаимодействуют различным образом. Сначала такой центр связывает протон, перемещающийся от одной из поверхностей мембраны под действием градиента pH или электрического потенциала. Будучи обращен к липидному бислою, это центр должен удерживать протон до тех пор, пока не достигнет поверхности а-субъединицы, где он отдает протон в направлении противоположной стороны мембраны и на следующем шаге принимать другой протон. Авторами статей [1,2] в результате рентгеноструктурного анализа образцов, сформированных в различающихся по гидрофобности кристаллизационных средах, были получены структуры с10-кольца из митохондрий дрожжей S. cerevisiae с закрытой и открытой конформациями консервативного для протон-связывающего центра остатка глутаминовой кислоты, что может указывать на регуляцию протон-связывающего центра окружением. Поскольку экспериментально можно получить лишь косвенную информацию о вероятных стадиях функционирования АТФ-синтазы, детальное представление может дать теоретическое моделирование методами квантовой химии субмикро- и наноразмерных фрагментов реальной системы, играющих предположительно ключевую роль на различных стадиях. В данной работе была изучена первая стадия сложного процесса вращения с-кольца, а именно протонирование Н-связывающего центра с-кольца и сопряженного с ним поворота протонированного остатка глутаминовой кислоты вглубь центра с образованием закрытой конформации, способной удержать протон в ходе вреащения кольца. В качестве базовой модели взята структура белка алкалофильной бактерии Bacillus pseudofirmus (2X2V, PDB), которая характеризуется выраженной ориентацией молекулы воды в изучаемом центре [3]. Моделирование было выполнено методом функционала электронной плотности с использованием обменно-корреляционного функционала B3LYP и расширенного двухэкспонентного базиса, что позволяет получать надежные энергетические оценки для интересующих систем. Расчеты были проведены с использованием программного пакета Firefly 8.2 и вычислительных ресурсов суперкомпьютерного комплекса Ломоносов Московского государственного университета. 1. Srivastava A.,Luo M., Zhou W., Symersky J., Bai D., Chambers M., Faraldo-Gómez J., Liao M., Mueller D. High-resolution cryo-EM analysis of the yeast ATP synthase in a lipid membrane // Science, 2018, 360, 6389, 1-23. 2. Symersky J., Pagadala V., Osowski D., Krah A., Meier T., Faraldo-Gómez J., Mueller D. Structure of the c10 ring of the yeast mitochondrial ATP synthase in the open conformation // nature structural & molecular biology, 2012, 19, 5, 485-492. 3. Preiss L., Yildiz O. , Hicks D., Krulwich T. , Meier T. A New Type of Proton Coordination in an F1Fo-ATP Synthase Rotor Ring // PLOSS Biology, 2010, 8, 8, 1-10.