БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 4, с. 550–559
УДК 577.151.6
Аминокислотные остатки β139, β189 и β319 H+-FOF1-АТФ синтазы Escherichia coli: влияние на АДФ+ингибирование*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия; электронная почта: feniouk@fbb.msu.ru
Поступила в редакцию 09.10.2018
После доработки 06.11.2018
Принята к публикации 06.11.2018
DOI: 10.1134/S0320972519040080
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АТФ-синтаза, F-АТФаза, АДФ-ингибирование, регуляция, Escherichia coli, FOF1.
Аннотация
Протон-транслоцирующая FOF1-АТФ-синтаза (АТФаза F-типа, F-АТФаза или FOF1), обнаруженная в митохондриях, хлоропластах и большинстве эубактерий, является одним из ключевых ферментов биоэнергетики и осуществляет синтез/гидролиз АТФ, сопряженный с транспортом протонов через мембрану. АТФазная активность фермента подавляется в отсутствии протондвижущей силы несколькими регуляторными механизмами. Наиболее консервативным из этих механизмов, обнаруженным во всех исследованных ферментах, является аллостерическое ингибирование гидролиза АТФ комплексом MgАДФ (АДФ-ингибирование). Когда MgАДФ связывается без фосфата в каталитическом сайте, фермент переходит в неактивное состояние, а MgАДФ оказывается замкнут в каталитическом сайте и не обменивается со средой. Степень выраженности АДФ-ингибирования различается у FOF1 из разных организмов. У фермента из Escherichia coli АДФ-ингибирование выражено слабо, и, в отличие от наблюдаемого на FOF1 из других организмов, усиливается, а не ослабляется фосфатом. В данной работе, с помощью сайт-направленного мутагенеза FOF1 E. сoli, была изучена роль аминокислотных остатков β139, β158, β189 и β319 в процессе АДФ-ингибирования и влияние на него протондвижущей силы. Тип аминокислотного остатка в этих позициях отличается между FOF1 бета- и гамма-протеобактерий (включая E. coli) и ферментами прочих эубактерий, хлоропластов и митохондрий. Замена βN158L не повлияла на активность фермента. Замены βF139Y, βF189L и βV319T мало повлияли на АТФазную активность при гидролизе 1 мМ АТФ. Однако в смеси АТФ и АДФ активность мутантных ферментов снижалась слабее, чем в FOF1 дикого типа. Кроме того, мутации βF189L и βV319T привели к ослаблению ингибирования АТФазной активности фермента фосфатом в присутствие АДФ. Мы предполагаем, что остатки β139, β189 и β319 задействованы в механизме АДФ-ингибирования и его модуляции фосфатом.
Текст статьи
Сноски
* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM 18-283, 31.12.2018.
** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект 14-14-00128 «Молекулярные механизмы преобразования энергии при бактериальном окислительном фосфорилировании»).
Благодарности
Авторы выражают благодарность Алексею Елисееву за помощь с экспериментами на мутанте βN158L.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Список литературы
1. Sobti, M., Smits, C., Wong, A.S., Ishmukhametov, R., Stock, D., Sandin, S., and Stewart, A.G. (2016) Cryo-EM structures of the autoinhibited E. coli ATP synthase in three rotational states, Elife, 5, e21598.
2. Stewart, A.G., Laming, E.M., Sobti, M., and Stock, D. (2014) Rotary ATPases – dynamic molecular machines, Curr. Opin. Struct. Biol., 25, 40–48.
3. Watanabe, R. (2013) Rotary catalysis of FOF1-ATP synthase, Biophysics, 9, 51–56.
4. Junge, W., and Nelson, N. (2015) ATP synthase, Annu. Rev. Biochem., 84, 631–657.
5. Feniouk, B.A., and Yoshida, M. (2008) Regulatory mechanisms of proton-translocating FOF1-ATP synthase, Results Probl. Cell Differ., 45, 279–308.
6. Carmeli, C., and Lifshitz, Y. (1972) Effects of Pi and ADP on ATPase activity in chloroplasts, Biochim. Biophys. Acta, 267, 86–95.
7. Minkov, I.B., Fitin, A.F., Vasilyeva, E.A., and Vinogradov, A.D. (1979) Mg2+-induced ADP-dependent inhibition of the ATPase activity of beef heart mitochondrial coupling factor F1, Biochem. Biophys. Res. Commun., 89, 1300–1306.
8. Yoshida, M., and Allison, W.S. (1983) Modulation by ADP and Mg2+ of the inactivation of the F1-ATPase from the thermophilic bacterium, PS3, with dicyclohexylcarbodiimide, J. Biol. Chem., 258, 14407–14412.
9. Turina, P., Rumberg, B., Melandri, B.A., and Graber, P. (1992) Activation of the H+-ATP synthase in the photosynthetic bacterium Rhodobacter capsulatus, J. Biol. Chem., 267, 11057–11063.
10. Zharova, T.V., and Vinogradov, A.D. (2004) Energy-dependent transformation of FOF1-ATPase in Paracoccus denitrificans plasma membranes, J. Biol. Chem., 279, 12319–12324.
11. Fischer, S., Graber, P., and Turina, P. (2000) The activity of the ATP synthase from Escherichia coli is regulated by the transmembrane proton motive force, J. Biol. Chem., 275, 30157–30162.
12. Lapashina, A.S., and Feniouk, B.A. (2018) ADP-inhibition of H+-FOF1-ATP synthase, Biochemistry (Moscow), 10, 1141–1160.
13. Zharova, T.V., and Vinogradov, A.D. (2006) Energy-linked binding of Pi is required for continuous steady-state proton-translocating ATP hydrolysis catalyzed by FOF1 ATP synthase, Biochemistry, 45, 14552–14558.
14. Feniouk, B.A., Suzuki, T., and Yoshida, M. (2007) Regulatory interplay between proton motive force, ADP, phosphate, and subunit ε in bacterial ATP synthase, J. Biol. Chem., 282, 764–772.
15. D’Alessandro, M., Turina, P., and Melandri, B.A. (2008) Intrinsic uncoupling in the ATP synthase of Escherichia coli, Biochim. Biophys. Acta, 1777, 1518–1527.
16. Feniouk, B.A., Wakabayashi, C., Suzuki, T., and Yoshida, M. (2012) A point mutation, betaGln259Leu, relieves MgADP inhibition in Bacillus PS3 ATP synthase, Biochim. Biophys. Acta, 1817, S13.
17. Prikhodko, A., Lapashina, A., Zinovkin, R., Vitushkina, M., and Feniouk, B. (2012) The effect of mutations γM23K and βL249Q on ADP-inhibition of H+-FOF1-ATP-synthase in Escherichia coli, Biochim. Biophys. Acta, 1817, S22.
18. Galperin, M.Y., Makarova, K.S., Wolf, Y.I., and Koonin, E.V. (2015) Expanded microbial genome coverage and improved protein family annotation in the COG database, Nucleic Acids Res., 43, D261–D269.
19. Dibrova, D.V., Konovalov, K.A., Perekhvatov, V.V., Skulachev, K.V., and Mulkidjanian, A.Y. (2017) COGcollator: a web server for analysis of distant relationships between homologous protein families, Biol. Direct., 12, 29.
20. Finn, R.D., Clements, J., and Eddy, S.R. (2011) HMMER web server: interactive sequence similarity searching, Nucleic Acids Res., 39, W29–W37.
21. Edgar, R.C. (2004) MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput, Nucleic Acids Res., 32, 1792–1797.
22. Waterhouse, A.M., Procter, J.B., Martin, D.M.A., Clamp, M., and Barton, G.J. (2009) Jalview Version 2 – a multiple sequence alignment editor and analysis workbench, Bioinformatics, 25, 1189–1191.
23. Ishmukhametov, R.R., Galkin, M.A., and Vik, S.B. (2005) Ultrafast purification and reconstitution of His-tagged cysteine-less Escherichia coli F1FO ATP synthase, Biochim. Biophys. Acta, 1706, 110–116.
24. Nishimura, M., Ito, T., and Chance, B. (1962) Studies on bacterial photophosphorylation. III. A sensitive and rapid method of determination of photophosphorylation, Biochim. Biophys. Acta, 59, 177–182.
25. Casadio, R., and Melandri, B.A. (1985) Calibration of the response of 9-amino acridine fluorescence to transmembrane pH differences in bacterial chromatophores, Arch. Biochem. Biophys., 238, 219–228.
26. Dibrova, D.V., Galperin, M.Y., and Mulkidjanian, A.Y. (2010) Characterization of the N-ATPase, a distinct, laterally transferred Na+-translocating form of the bacterial F-type membrane ATPase, Bioinformatics, 26, 1473–1476.
27. Hards, K., Robson, J.R., Berney, M., Shaw, L., Bald, D., Koul, A., Andries, K., and Cook, G.M. (2015) Bactericidal mode of action of bedaquiline, J. Antimicrob. Chemother., 70, 2028–2037.
28. Koul, A., Dendouga, N., Vergauwen, K., Molenberghs, B., Vranckx, L., Willebrords, R., Ristic, Z., Lill, H., Dorange, I., Guillemont, J., Bald, D., and Andries, K. (2007) Diarylquinolines target subunit c of mycobacterial ATP synthase, Nat. Chem. Biol., 3, 323–324.