5.9.3. Принцип действия

Из многочисленных биофизических и биохимических экспериментов следует, что F₁F₀-АТФсинтаза представляет собой биологический молекулярный мотор, состоящий из статора и вращающегося в нем ротора. Именно с вращением ротора связана каталитическая активность F₁F₀-АТФсинтазы.

Статор включает в себя гексомер и связанную с ним субъединицу , мембранную субъединицу а и две субъединицы b, жестко соединяющие мембрану и комплекс . Ротор состоит из субъединиц и кольца С_n. Субъединица γ не может свободно вращаться только за счет тепловой энергии из-за стерических (пространственных) ограничений. Для вращения ротора требуется определенный момент сил.

При синтезе АТФ вращение ротора осуществляется за счет (протонного потенциала) энергии ионов Н⁺, двигающихся по протонному каналу. При гидролизе – за счет энергии гидролиза АТФ.

Каждая из трех идентичных каталитических субъединиц может находиться в трех различных устойчивых конформациях , и , различающихся по степени сродства молекул АТФ, АДФ и Ф_i к каталитическому центру (рис. 5–15). В конформации активный центр открыт и сообщается с окружающей водной средой. В конформации каталитический (активный) центр полуоткрыт (полузакрыт). В конформации активный центр плотно закрыт.

Энергия сродства (энергия связи) активного центра к АДФ, АТФ и Ф_i минимальна в открытой конформации . При переходе к конформациям и она сильно возрастает, и субстраты реакции прочно связываются с каталитическим центром. Возрастание энергии сродства связано с изменением пространственной конфигурации связывающих групп атомов.

Схематически каждую субъединицу можно представить в виде двух вытянутых и соединенных шарниром частей, образующих угол (рис. 5–15). Различным конформациям соответствуют различные значения угла θ. В открытой конформации угол θ максимален. При переходе к конформации угол θ уменьшается за счет поворота нижней части субъединицы вверх приблизительно на ~15°. В плотно закрытой конформации угол θ минимален в результате поворота нижней части еще на ~15°, и составляет θ_min~(θ_max–30°). Ферментативные реакции происходят только в закрытой конформации. Из трех конформаций субъединицы β устойчивой является только конформация , соответствующая ненапряженному состоянию. βββ

Рис. 5–15. Механическая модель субъединицы γ (ротора) с двумя лопастиобразными выступами (1 и 2) и субъединицы (статора) в различных конформационных состояниях. Нижний конец субъединицы , находящейся в открытом (растянутом с ) состоянии обозначен светлым кружком, в полуоткрытом (свободном с ) – заштрихованным, в закрытом (сжатом с ) – темным. Ось z направлена вдоль продольной оси ротора

Изменение угла θ связано с вращением субъединицы γ. Положения верхних концов субъединиц фиксируются субъединицей , жестко соединенной субъединицами b₂ с мембраной (рис. 5–14). Нижние концы связаны с γ сложным образом. Эта связь не препятствует вращению γ, но обеспечивает перемещение нижних концов вверх и вниз при вращении ротора γ.

Характер связи и γ можно проиллюстрировать на следующей механической модели (рис. 5–15, 5–16). Представим себе, что на роторе, на уровне нижних концов субъединиц , находятся два лопастиобразных выступа 1 и 2, повернутых друг относительно друга (рис. 5–16). Профиль лопастей в направлении, перпендикулярном оси z, показан на рис. 5–15. Положение лопастей по высоте различно.

Положение нижнего конца субъединицы , находящейся в конформации , обозначено светлым кружком, субъединицы в конформации – заштрихованным кружком, а в конформации – темным.

Если ротор вращается против часовой стрелки (рис. 5–16), то лопасть 2 поднимает нижний конец субъединицы вверх, сгибая до предела, в результате чего происходит изменение конформации .

Рис. 5–16. Схематическое изображение лопастей 1 и 2 субъединицы γ (вид сверху). Направление их движения при синтезе и гидролизе показано стрелками. Нижние концы субъединиц , находящихся в различных состояниях, изображены кружками: e – открытая конформация, t – закрытая, l – полуоткрытая. Профиль лопастей в направлении, перпендикулярном оси z, изображен на рис. 5–15, 5–17, 5–18

Если же нижний конец смещается вверх (при переходе ), то он давит на лопасть 1 снизу, смещая ее влево, что приводит к повороту γ по часовой стрелке.

Таким образом, вращение ротора приводит к изменению конформации субъединиц , а изменение конформации вызывает вращение ротора.

Поскольку функционирование F₁F₀-АТФсинтазы чрезвычайно сложный процесс, многие детали которого не выяснены, рассмотрим простейший возможный механизм синтеза/гидролиза АТФ, основанный на ряде предположений.