5.9.6. F1f0-atФсинтаза как биорегулятор клетки

Режим работы ATФсинтазы зависит, как указывалось выше, от соотношения концентраций ADP, Р_i и АТP в цитоплазме клетки и величины трансмембранного потенциала. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Предположим, что градиент трансмембранного потенциала равен нулю. В этом случае синтез АТP невозможен, так как для синтеза АТP необходимо, чтобы существовала сила, вращающая ротор против часовой стрелки. Если ротор неподвижен, синтез АТP не происходит, не зависимо от величин концентраций АDP и P_i.

Однако, при возможна реакция гидролиза по рассмотренному выше сценарию. Вероятность процесса гидролиза определяется вероятностью сорбции активным центром субъединиц в конформации молекул АТP, а эта вероятность определяется соотношением концентраций АТP, АDP и P_i в цитоплазме. В результате слабости связи (низкого сродства) в активном центре какое-то время могут находиться молекулы АТP, затем замещаться молекулами АDP и P_i, и наоборот.

Когда в активный центр, например, субъединицы , сорбируется молекула АDP, конформация субъединицы изменяется и, за счет вращения ротора, происходит переход (рис. 5–17а).

Когда же сорбируется молекула АТР, конформация изменяется на ( ), в результате чего ротор поворачивается на 120° по часовой стрелке (рис. 5–18а).

Таким образом, при идут реакции гидролиза, ротор вращается по часовой стрелке, ионы Н⁺ перекачиваются из цитоплазмы наружу, что приводит к возникновению отличной от нуля трансмембранной разности потенциалов. Когда эта разность достигает величины, достаточной для того, чтобы поток ионов Н⁺ внутри клетки вызвал вращение ротора в направлении против часовой стрелки, становятся возможными реакции синтеза АТР из АDP и P_i. Это значит, что клетка сама создает нужную для ее функционирования разность трансмембранного потенциала.

Если же концентрация молекул АТP внутри клетки уменьшается, то возрастает вероятность попадания в активные центры субъединиц молекул АDP и P_i и, следовательно, — вероятность синтеза АТP.

Поэтому режим работы ATФсинтазы непрерывно изменяется так, чтобы поддерживать определенное соотношение концентраций АТP и АDP внутри клетки и оптимальное значение величины трансмембранной разности потенциалов.

Таким образом, АТФсинтаза является ферментом, в котором каталитическая реакция синтеза/гидролиза сопровождается конформационными изменениями сразу в трех каталитических центрах. Каждый каталитический центр может находиться в одном из четырех химических состояний (свободном от субстратов, содержащим или АТФ, или АДФ+Ф_i, или АДФ). При этом АТФсинтаза имеет 4³=64 возможных химических состояний. Переходы между состояниями сопровождаются вращением ротора. Вращение шагообразное и содержит три шага (по 120⁰) на один оборот поворота ротора.

Время поворота ротора на 120°сотавляет несколько миллисекунд. Вращающий момент равен, приблизительно, 40 пН·нм. Суммарное производство энергии за один цикл гидролиза составляет ~20 k_BT. Коэффициент полезного действия F₁F₀-АТФсинтазного мотора близок к 100%.

Интересно, что в природе F₁F₀-ATФсинтаза является самым маленьким мотором с вращающимся ротором и поэтому является важнейшим объектом нанотехнологии.