VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Механизмы трансформации энергии. Биоэнергетика. Молекулярные моторы

Структура протонных полуканалов FoF1-АТФсинтазы в различных типах модельных мембран

Л.А. Ивонцин1*, Е.В. Машковцева1,2, Я.Р. Нарциссов1,3

1.НИИ цитохимии и молекулярной фармакологии, Москва, Россия ;
2.Российский Национальный Исследовательский Медицинский Университет им. Н.И. Пирогова, Москва, Россия;
3.Группа биомедицинских исследований, БиДиФарма ГмбХ, Зик, Германия;

* ivontsin(at)icmph.ru

Важную роль в обмене веществ и энергии в живых организмах играет аденозинтрифосфат (АТФ), макроэргическое соединение, которое является универсальным источником энергии для многих биохимических процессов. В клетке образование АТФ осуществляется белковым комплексом FoF1-АТФсинтазой с использованием электрохимического градиента ионов водорода. Одним из важнейших процессов в каталитическом цикле фермента является перенос протонов через мембранный фактор Fo по двум несоосным полуканалам. Однако, несмотря на наличие большого числа pdb-структур с высоким разрешением, расположение и структура полуканалов все еще неизвестны, и оценка параметров протонного транспорта затруднена.

Для анализа возможных областей движения протона, а также исследования структурной динамики радикалов аминокислот и гидратации белка, было проведено молекулярно-динамическое моделирование мембранной части FoF1-АТФсинтазы из E. Сoli [PDB ID: 6VWK], встроенной в липидный бислой и водную среду. Универсальность молекулярного механизма работы фермента позволяет получать информацию о процессе при изучении белка из различных организмов. Были рассмотрены мембраны с различным липидным составом, в частности, разным уровнем содержания кардиолипинов, которые играют существенную роль в процессах передачи энергии, поддерживая структуру и функциональную активность дыхательных комплексов.

Во входном полуканале были обнаружены две водные полости, через которые протон может проникать внутрь фермента, и по высококонсервативной цепи переноса протона, включающей существенные полярные аминокислотные остатки, достигать Asp61 c-субъединицы. Однако непосредственно прямой переход между аминокислотами был возможен не всегда из-за их значительной удаленности друг от друга. С помощью анализа геометрии взаимного расположения аминокислотных остатков белка и растворителя были установлены критические для протонного транспорта консервативные области локализации трех структурных кластеров молекул воды (W1-W3), необходимых для существования непрерывной цепи переноса. При этом наличие в мембране кардиолипинов оказывало существенное влияние на гидратацию полуканалов, а также наблюдалось увеличение вероятности прямого переноса протона между некоторыми парами полярных аминокислот.

Кроме того, при моделировании во всех типах мембран мы обнаружили стабильные пространственные положения радикалов некоторых аминокислот а-субъединицы, характеризующиеся постоянным набором параметров и получивших названия SP1, SP2, SP3. Установлено, что аAsn214 работает подобно ключу в электрической цепи, в состоянии SP1 замыкая цепь переноса протона на aHis245, а в положении SP3 на cAsp61. Таким образом цепь переноса протона всегда незамкнута и вероятность нахождения aAsn214 в положении SP1 или SP3 будет определять время протонного транспорта [1].

При этом выходной полуканал представлял собой водную полость и содержал большое количество гидрофильных аминокислотных остатков, которые вместе с молекулами воды образовывали большие разветвленные сети водородных связей, по которым протон мог перемещаться от ключевого cAsp61 в цитоплазму.

Таким образом, описанные результаты дают представление о влиянии фосфолипидного состава мембраны на расположение и структуру обоих полуканалов в АТФсинтазе. Полученная в работе сеть полярных аминокислотных остатков и молекул воды позволит провести моделирование траекторий движения протона через мембранную часть белка, а также оценить параметры протонного транспорта, которые сложно измерить экспериментальными методами.

1. Ivontsin L.A., Mashkovtseva E.V, Nartsissov Y.R. Insights on the proton translocation pathways in FоF1-ATP synthase using molecular dynamics simulations // Archives of Biochemistry and Biophysics. 2022. V. 717. P. 109135.



Structure of proton half-channels of FoF1-ATP synthase in various types of model membranes

L.A. Ivontsin1*, E.V. Mashkovtseva1,2, Y.R. Nartsissov 1,3

1.Institute of Cytochemistry and Molecular Pharmacology, Moscow, Russia;
2.Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow, Russia;
3.Biomedical Research Group, BiDiPharma GmbH, Siek, Germany;

* ivontsin(at)icmph.ru

Adenosine triphosphate (ATP), a high-energy compound is a universal source of energy for many biochemical processes and plays an important role in the metabolism and energy transmission in living organisms. In a cell, the ATP formation is carried out by the protein complex FoF1-ATP synthase using an electrochemical gradient of hydrogen ions. Proton translocation through the Fo membrane factor along two non-coaxial half-channels is one of the crucial processes in the catalytic cycle of the enzyme. However, despite the presence of a large number of high-resolution pdb-structures, the location and structure of the half-channels are still the subject of investigation, and parameters of proton transport had not been finally established yet.

To analyze the possible areas of proton motion, as well as to investigate the structural dynamics of amino acid side chains and protein hydration, we performed molecular dynamics simulation of the membrane part of the E. сoli FoF1-ATP synthase [PDB ID: 6VWK] embedded in the lipid bilayer and water environment. The versatility of the molecular mechanism of the enzyme operation makes it possible to obtain information about the process when studying proteins from any organisms. We considered membranes with different lipid compositions, in particular, various levels of cardiolipins, which play an essential role in energy transducing processes maintaining the structure and functional activity of the respiratory complexes.

The inlet half-channel was a complex structure with two entrances in the form of water cavities and a highly conservative proton transfer chain near Asp61 of c-subunit including amino acids residues. However, a direct transition between amino acids was not always possible due to their distance from each other. The localization of three clusters of structural water molecules (W1-W3) critical for proton transport, necessary for the transport chain continuity, were established by analyzing the geometry of the mutual arrangement of the protein amino acid residues and the solvent. Wherein, the presence of cardiolipins in the membrane had a significant effect on the half-channels hydration, and an increase in the probability of direct proton transfer between some pairs of polar amino acids was also observed.

We found stable spatial positions (SP) of some amino acids side chains of the a-subunit, characterized by a constant set of parameters and called SP1, SP2, SP3, in all types of membranes. It has been established that aAsn214 in SP1 was oriented to aHis245, and in SP3 to cAsp61, change-over between which resembled the operation like a switcher between elements of an electric chain. Thus, the proton transfer chain is always unclosed, and switching between positions SP1 and SP3 of aAsn214 determines the time of proton transport [1].

While, the outlet half-channel was a water cavity and contained a high number of hydrophilic amino acid residues, which together with water molecules formed large networks of hydrogen bonds through which a proton can move from the key cAsp61 to the cytoplasm.

Thus, the obtained results give an idea of the membrane phospholipid composition impact on the location and structure of both half-channels in ATP synthase. This possible network of polar amino acids residues and water molecules allows us to simulate the possible proton trajectories through the membrane part of the protein, as well as to estimate the parameters of proton transport hardly detectable experimentally.

1. Ivontsin L.A., Mashkovtseva E.V, Nartsissov Y.R. Insights on the proton translocation pathways in FоF1-ATP synthase using molecular dynamics simulations // Archives of Biochemistry and Biophysics. 2022. V. 717. P. 109135.



Докладчик: Ивонцин Л.А.
84
2023-01-16

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists