Синтез АТФ комплексом ATФ-синтаза играет фундаментальную роль при окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании в образовании клеточной энергии. Для синтеза одной молекулы АТФ требуется одна молекула АДФ, ион фосфата и протон в активном центре фермента, хотя пути доставки протона и фосфата в классической модели не рассматриваются. В то же время хорошо известно, что связывание иона фосфата и освобождение АТФ являются энергозависимыми процессами. Предполагается, что вращение гамма субъединицы связано с образованием и исчезновением фосфат-связывающего участка [1]. В синтезе и гидролизе АТФ играет важную роль Pi-связывающий положительно заряженный карман Р – петли, образующийся из остатков βLys155, βArg182 и αArg376, а также остатки βThr156, βGlu181, βGlu185, βAsp242 [2,3].

Согласно нашему механо-хемиосмотическому механизму [4](https://www.youtube.com/watch?v=48jScej4dl0), протон и ион фосфата доставляются в связанном состоянии с гамма субъединицей в активные центры ATФ-синтазы против энергетического барьера петли DELSEED, образованной из кислых амино-кислотных остатков. При синтезе АТФ фосфорилированный остаток лизина или аргинина на С–конце γ-субъединицы будет взаимодействовать с βGlu181 (при гидролизе АТФ он связывает молекулу воды) Pi-связывающего участка, где при нейтральной области рН βGlu181 будет выступать донором протона для βArg182.

В каталитическом центре β-субъединицы, по-видимому, протонированный лизин или аргинин гамма субъединицы протонирует βGlu181, а остатки βLys155,α-Arg376 и βArg182 разрыхляют структуру иона фосфата, доставленного вместе с протоном гамма субъединицей. В итоге, βGlu181 отрывает ОН- - группу от НРО42- в результате нуклеофильного замещения находящегося в Р кармане. Высокоэргический РО3 – радикал (фосфорильная группа) связывается с MgАДФ-, в результате образуются MgАТФ2- и молекула воды (Н2О). Возможно, что, для того, чтобы избежать гидролиза синтезированного АТФ в каталитическом центре, происходит обмен местами MgАТФ2- в β-субъединице и MgАДФ- в α-субъединице.

Таким образом, энергозависимая доставка протонов и ионов фосфата в активные центры АТФ-синтазы происходит с помощью гамма субъединицы против энергетического барьера. В докладе обсуждается также роль b2-субъединиц в доставке протонов и ионов фосфата в активные центры фермента при вращении гамма субъединицы.



1. Boyer P.D., Catalytic site forms and controls in ATP synthase. Biochim. Biophys. Acta. 2000. 1458, 252–262.

2. Menz R.I., Walker J.E., Leslie A.G.W., Cell 106. 2001. 331-341. Structure of Bovine Mitochondrial F1-ATPase with Nucleotide Bound to All Three Catalytic Sites: Implications for the Mechanism of Rotary Catalysis.

3. Senior А.S., Nadanaciva S.,Weber J. The molecular mechanism of ATP synthesis by F1F0-ATP synthase . Biochemica et Biophysica Acta. 2002. V. 1553. Р. 188-211.

4. Kasumov E.A., Kasumov R.E., Kasumova I.V. A mechano-chemiosmotic model for the coupling of electron and proton transfer to ATP synthesis in energy-transforming membranes: a personal perspective. Photosynth Res 123, 1–22 (2015). https://doi.org/10.1007/s11120-014-0043-3.

The synthesis of ATP by the ATP synthase complex plays a fundamental role in oxidative phosphorylation and photophosphorylation in the formation of cellular energy. The synthesis of one ATP molecule requires one ADP molecule, a phosphate ion, and a proton in the active site of the enzyme, although proton and phosphate delivery routes are not considered in the classical model. At the same time, it is well known that phosphate ion binding and ATP release are energy dependent processes. It is assumed that the rotation of the gamma subunit is associated with the formation and disappearance of the phosphate-binding site [1]. In the synthesis and hydrolysis of ATP, an important role is played by the Pi-binding positively charged P-loop pocket formed from the residues βLys155, βArg182, and αArg376, as well as the residues βThr156, βGlu181, βGlu185, βAsp242 [2,3].

According to our mechano-chemiosmotic mechanism [4](https://www.youtube.com/watch?v=48jScej4dl0), protons and phosphate ions are delivered in a bound state with the gamma subunit to the active sites of ATP synthase against the energy barrier of the DELSEED loop formed from acidic amino acid residues. During ATP synthesis, the phosphorylated lysine or arginine residue at the C-terminus of the γ-subunit will interact with βGlu181 (during ATP hydrolysis, it binds a water molecule) of the Pi-binding site, where, at a neutral pH region, βGlu181 will act as a proton donor for βArg182.

In the catalytic center of the β-subunit, apparently, the protonated lysine or arginine of the gamma subunit protonates βGlu181, and the residues βLys155, αArg376 and βArg182 loosen the structure of the phosphate ion delivered along with the proton by the gamma subunit. Finally, βGlu181 removes the OH- group from HPO42- as a result of nucleophilic substitution located in the P pocket. The high-energy PO3-radical (phosphoryl group) binds to MgADP-, resulting in the formation of MgATP2- and a water molecule (H2O). It is possible that, in order to avoid hydrolysis of the synthesized ATP in the catalytic center, there is an exchange of MgATP2- in the β-subunit and MgADP- in the α-subunit.

Thus, the energy-dependent delivery of protons and phosphate ions to the active sites of ATP synthase occurs with the help of the gamma subunit against the energy barrier. The report also discusses the role of b2-subunits in the delivery of protons and phosphate ions to the active sites of the enzyme during rotation of the gamma subunit.





1. Boyer P.D., Catalytic site forms and controls in ATP synthase. Biochim. Biophys. Acta. 2000. 1458, 252–262.

2. Menz R.I., Walker J.E., Leslie A.G.W., Cell 106. 2001. 331-341. Structure of Bovine Mitochondrial F1-ATPase with Nucleotide Bound to All Three Catalytic Sites: Implications for the Mechanism of Rotary Catalysis.

3. Senior А.S., Nadanaciva S.,Weber J. The molecular mechanism of ATP synthesis by F1F0-ATP synthase . Biochemica et Biophysica Acta. 2002. V. 1553. Р. 188-211.

4. Kasumov E.A., Kasumov R.E., Kasumova I.V. A mechano-chemiosmotic model for the coupling of electron and proton transfer to ATP synthesis in energy-transforming membranes: a personal perspective. Photosynth Res 123, 1–22 (2015). https://doi.org/10.1007/s11120-014-0043-3.