БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 8, с. 1077–1087

УДК 577.23

Взаимодействие FO·F1‑АТРазы/АТР‑синтазы Paracoccus denitrificans и вентурицидина в условиях генерации мембранного потенциала

© 2022 Т.В. Жарова 1*tzharova2018@gmail.com, В.С. Козловский 2, В.Г. Гривенникова 1

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биохимии, 119234 Москва, Россия

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119234 Москва, Россия

Поступила в редакцию 15.04.2022
После доработки 18.05.2022
Принята к публикации 20.05.2022

DOI: 10.31857/S0320972522080073

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Fo∙F1-АТРаза/синтаза, Paracoccus denitrificans, вентурицидин.

Аннотация

Протонтранслоцирующая Fo∙F1-АТРаза/синтаза катализирует синтез и гидролиз АТР, и ее принято рассматривать как обратимо функционирующий комплекс. Ранее мы показали, что вентурицидин, специфический Fo‑направленный ингибитор, блокирует синтез и гидролиз АТР со значительным различием в сродстве (Zharova, T. V., and Vinogradov, A. D. (2017) Biochim. Biophys. Acta, 1858, 939–944). В настоящей работе мы детально исследовали торможение вентурицидином Fo∙F1-АТРазы/синтазы в составе прочносопряженных мембран Paracoccus denitrificans в условиях генерации мембранного потенциала. Гидролиз АТР регистрировали в реакции, сопряженной с потенциал-зависимым восстановлением NAD+ убихинолом (обратный перенос электронов), катализируемым комплексом I дыхательной цепи. Продемонстрировано, что энергизация мембраны не влияет на сродство Fo∙F1-АТРазы/синтазы к вентурицидину. Зависимость остаточной АТР-синтазной активности от концентрации ингибитора приближается к линейной функции, тогда как при гидролизе АТР эта зависимость была сигмоидальной: в области низких концентраций ингибитора значительное торможение синтеза АТР вентурицидином не сопровождается падением скорости гидролиза. Предложена модель, рассматривающая две разные формы Fo∙F1, одна из которых катализирует синтез, а вторая – гидролиз АТР.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Вклад авторов

Т.В. Жарова – руководство работой и проведение экспериментов; Т.В. Жарова, В.Г. Гривенникова, В.С. Козловский – обсуждение результатов исследования, В.С. Козловский – разработка математической модели; Т.В. Жарова, В.Г. Гривенникова – написание и редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-24-00106).

Благодарности

Мы с особой теплотой вспоминаем Андрея Дмитриевича Виноградова, выдающегося ученого, нашего учителя, бессменно руководившего нашей лабораторией и воспитавшего не одно поколение ученых, успешно работавших и работающих в настоящее время в России и за рубежом. Мы бесконечно благодарны ему за долгие годы совместной работы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Walker, J. E. (2013) The ATP synthase: the understood, the uncertain and the unknown, Biochem. Soc. Trans., 41, 1-16, doi: 10.1042/BST20110773.

2. Abrahams, J. P., Leslie, A. G., Lutter, R., and Walker, J. E. (1994) Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria, Nature, 370, 621-628, doi: 10.1038/370621a0.

3. Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., and Kinosita, K. Jr. (1997) Direct observation of the rotation of F1-ATPase, Nature, 386, 299-302, doi: 10.1038/386299a0.

4. Boyer, P.D. (1998) Energy, life, and ATP, Biosci. Rep., 18, 97-117, doi: 10.1023/a:1020188311092.

5. Schulz, S., Wilkes, M., Mills, D. J., Kühlbrandt, W., and Meier, T. (2017) Molecular architecture of the N‐type ATPase rotor ring from Burkholderia pseudomallei, EMBO Rep., 18, 526-535, doi: 10.15252/embr.201643374.

6. Kühlbrandt, W. (2019) Structure and mechanisms of F-type ATP synthases, Annu. Rev. Biochem., 88, 515-549, doi: 10.1146/annurev-biochem-013118-110903.

7. Boyer, P. D. (1997) The ATP synthase – a splendid molecular machine, Annu. Rev. Biochem., 66, 717-749, doi: 10.1146/annurev.biochem.66.1.717.

8. Itoh, H., Takahashi, A., Adachi, K., Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., et al. (2004) Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase, Nature; 427, 465-468, doi: 10.1038/nature02212.

9. Al-Shawi, M. K., Ketchum, C. J., and Nakamoto, R. K. (1997) The Escherichia coli Fo∙F1 gamma M23K uncoupling mutant has a higher K0.5 for Pi. Transition state analysis of this mutant and others reveals that synthesis and hydrolysis utilize the same kinetic pathway, Biochemistry, 36, 12961-12969, doi: 10.1021/bi971478r.

10. Weber, J., and Senior, A. E. (2000) ATP synthase: what we know about ATP hydrolysis and what we do not know about ATP synthesis, Biochim. Biophys. Acta, 1458, 300-309, doi: 10.1016/s0005-2728(00)00082-7.

11. Schwerzmann, K., and Pedersen, P. L. (1986) Regulation of the mitochondrial ATP synthase/ATPase complex, Arch. Biochem. Biophys., 250, 1-18, doi: 10.1016/0003-9861(86)90695-8.

12. Васильева Е. А., Панченко М. В., Виноградов А. Д. (1989) Взаимодействие АТФазы субмитохондриальных фрагментов и природного белка-ингибитора в условиях генерации ΔµH+ на мембране, Биохимия, 54, 1490-1498.

13. Lee, C., and Ernster, L. (1968) Studies of the energy-transfer system of submitochondrial particles. 2. Effects of oligomycin and aurovertin, Eur. J. Biochem., 3, 391-400, doi: 10.1111/j.1432-1033.1967.tb19542.x.

14. Roberton, A. M., Holloway, C. T., Knight, I. G., and Beechey, R. B. (1968) A comparison of the effects of NN’-dicyclohexylcarbodi-imide, oligomycin A and aurovertin on energy-linked reactions in mitochondria and submitochondrial particles, Biochem. J., 108, 445-456, doi: 10.1042/bj1080445.

15. Syroeshkin, A. V., Vasilyeva, E. A., and Vinogradov, A. D. (1995) ATP synthesis catalyzed by the mitochondrial F1-F0 ATP synthase is not a reversal of its ATPase activity, FEBS Lett., 366, 29-32, doi: 10.1016/0014-5793(95)00487-t.

16. Bald, D., Amano, T., Muneyuki, E., Pitard, B., Rigaud, J. L., et al. (1998) ATP synthesis by FoF1-ATP synthase independent of noncatalytic nucleotide binding sites and insensitive to azide inhibition, J. Biol. Chem., 273, 865-870, doi: 10.1074/jbc.273.2.865.

17. García, J. J., Tuena de Gómez-Puyou, M., and Gómez-Puyou, A. J. (1995) Inhibition by trifluoperazine of ATP synthesis and hydrolysis by particulate and soluble mitochondrial F1: competition with H2PO4–, J. Bioenerg. Biomembr., 27 127-136, doi: 10.1007/BF02110340.

18. Виноградов А. Д. (1984) Каталитические свойства АТР-синтетазы митохондрий, Биохимия, 49, 1220-1238.

19. Gao, Y. Q., Yang, W., and Karplus, M. (2005) A structure-based model for the synthesis and hydrolysis of ATP by F1-ATPase, Cell, 123, 195-205, doi: 10.1016/j.cell.2005.10.001.

20. Vinogradov, A. D. (2000) Steady-state and pre-steady-state kinetics of the mitochondrial Fo∙F1 ATPase: is ATP synthase a reversible molecular machine? J. Exp. Biol., 203, 41-49, doi: 10.1242/jeb.203.1.41.

21. Виноградов А. Д. (2019) Новый взгляд на проблему обратимости синтеза и гидролиза АТР Fo∙F1-АТРазой (гидролазой), Биохимия, 84, 1553-1563, doi: 10.1134/S0320972519110034.

22. John, P., and Whatley, F. R. (1975) Paracoccus denitrificans and the evolutionary origin of the mitochondrion, Nature, 254, 495-498, doi: 10.1038/254495a0.

23. Perez, J. A., and Ferguson, S. J. (1990) Kinetics of oxidative phosphorylation in Paracoccus denitrificans. 1. Mechanism of ATP synthesis at the active site(s) of FoF1-ATPase, Biochemistry, 29, 10503-10518, doi: 10.1021/bi00498a013.

24. Pacheco-Moises, F., García, J. J., Rodriguez, J. S., and Moreno-Sanchez, R. (2000) Sulfite and membrane energization induce two different active states of the Paracoccus denitrificans FoF1-ATPase, Eur. J. Biochem., 267, 993-1000, doi: 10.1046/j.1432-1327.2000.01088.x.

25. Жарова Т. В., Виноградов А. Д. (2003) Протон-транслоцирующая ATP-синтетаза Paracoccus denitrificans: ATP-гидролазная активность, Биохимия, 68, 1370-1380.

26. Zharova, T. V., and Vinogradov, A. D. (2004) Energy-dependent transformation of Fo·F1-ATPase in Paracoccus denitrificans plasma membranes, J. Biol. Chem., 279, 12319-12324, doi: 10.1074/jbc.M311397200.

27. Кегярикова К. А., Жарова Т. В., Виноградов А. Д. (2010) Протон-транслоцирующая АТРаза Paracoccus denitrificans: кинетика окислительного фосфорилирования, Биохимия, 75, 1424-1434.

28. Hong, S., and Pedersen, P. L. (2008) ATP synthase and the actions of inhibitors utilized to study its roles in human health, disease, and other scientific areas, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 72, 590-641, doi: 10.1128/MMBR.00016-08.

29. Zharova, T. V., and Vinogradov, A. D. (2017) Functional heterogeneity of Fo·F1 H+-ATPase/synthase in coupled Paracoccus denitrificans plasma membranes, Biochim. Biophys. Acta, 1858, 939-944, doi: 10.1016/j.bbabio.2017.08.006.

30. Schafer, G. (1982) Differentiation of two states of F1-ATPase by nucleotide analogs, FEBS Lett, 139, 271-275, doi: 10.1016/0014-5793(82)80868-5.

31. Vinogradov, A. D. (1998) Catalytic properties of the mitochondrial NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) and the pseudo-reversible active/inactive enzyme transition, Biochim. Biophys. Acta, 1364, 169-185, doi: 10.1016/s0005-2728(98)00026-7.

32. John, P., and Whatley, F. R. (1970) Oxidative phosphorylation coupled to oxygen uptake and nitrate reduction in Micrococcus denitrificans, Biochim. Biophys. Acta, 216, 342-352, doi: 10.1016/0005-2728(70)90225-2.

33. John, P., and Hamilton, W. A. (1970) Respiratory control in membrane particles from Micrococcus denitrificans, FEBS Lett., 10, 246-248, doi: 10.1016/0014-5793(70)80639-1.

34. Chance, B., and Nishimura, M. (1967) Sensitive measurements of changes of hydrogen ion concentration, Methods Enzymol., 10, 641-650, doi: 10.1016/0076-6879(67)10106-7.

35. Waggoner, A. S. (1979) The use of cyanine dyes for the determination of membrane potentials in cells, organelles, and vesicles, Methods Enzymol., 55, 689-695, doi: 10.1016/0076-6879(79)55077-0.

36. Perlin, D. S., Latchey, L. R., and Senior, A. E. (1985) Inhibition of Escherichia coli H+-ATPase by venturicidin, oligomycin and ossamycin, Biochim. Biophys. Acta, 807, 238-244, doi: 10.1016/0005-2728(85)90254-3.

37. Linnett, P. E., and Beechey, R. B. (1979) Inhibitors of the ATP synthethase system, Methods Enzymol., 55, 472-518, doi: 10.1016/0076-6879(79)55061-7.

38. Grivennikova, V. G., Roth, R., Zakharova, N. V., Hagerhall, C., and Vinogradov, A. D. (2003) The mitochondrial and prokaryotic proton-translocating NADH:ubiquinone oxidoreductases: similarities and dis-similarities of the quinone-junction sites, Biochim. Biophys. Acta, 1607, 79-90, doi: 10.1016/j.bbabio.2003.09.001.

39. Kotlyar, A. B., and Borovok, N. (2002) NADH oxidation and NAD+ reduction catalysed by tightly coupled inside-out vesicles from Paracoccus denitrificans, Eur. J. Biochem., 269, 4020-4024, doi: 10.1046/j.1432-1033.2002.03091.x.

40. Grivennikova, V. G., Kotlyar, A. B., Karliner, J. S., Cecchini, G., and Vinogradov, A. D. (2007) Redox-dependent change of nucleotide affinity to the active site of the mammalian complex I, Biochemistry, 46, 10971-10980, doi: 10.1021/bi7009822.

41. Gladyshev, G. V., Grivennikova, V. G., and Vinogradov, A. D. (2018) FMN site-independent energy-linked reverse electron transfer in mitochondrial respiratory complex I, FEBS Lett., 592, 2213-2219, doi: 10.1002/1873-3468.13117.

42. 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 Fo·F1 ATP synthase, Biochemistry, 45, 14552-14558, doi: 10.1021/bi061520v.

43. Harris, D. A., John, P., and Rada, G. K. (1977) Tightly bound nucleotides of the energy-transducing ATPase, and their role in oxidative phosphorylation. I. The Paracoccus denitrificans system, Biochim. Biophys. Acta, 459, 546-559, doi: 10.1016/0005-2728(77)90053-6.

44. Morales-Rios, E., de la Rosa-Morales, F., Mendoza-Hernandez, G., Rodríguez-Zavala, J. S., Celis, H., et al. (2010) A novel 11-kDa inhibitory subunit in the F1FO ATP synthase of Paracoccus denitrificans and related alpha-proteobacteria, FASEB J., 24, 599-607, doi: 10.1096/fj.09-137356.

45. Guo, H., Suzuki, T. and Rubinstein, J. L. (2019) Structure of a bacterial ATP synthase, eLife, 8, e43128, doi: 10.7554/eLife.43128.

46. Mendoza-Hoffmann, F., Pérez-Oseguera, Á., Cevallos, M. Á., Zarco-Zavala, M., Ortega, R., et al. (2018) The biological role of the ζ subunit as unidirectional inhibitor of the F1 Fo-ATPase of Paracoccus denitrificans, Cell Rep., 22, 1067-1078, doi: 10.1016/j.celrep.2017.12.106.

47. Morales-Rios, E., Watt, I. N., Zhang, Q., Ding, S., Fearnley, I. M., et al. (2015) Purification, characterization and crystallization of the F-ATPase from Paracoccus denitrificans, Open Biol., 5, 150119, doi: 10.1098/rsob.150119.

48. Zarco-Zavala, M., Mendoza-Hoffmann, F., and García-Trejo. J. J. (2018) Unidirectional regulation of the F1Fo-ATP synthase nanomotor by the ζ pawl-ratchet inhibitor protein of Paracoccus denitrificans and related α-proteobacteria, Biochim. Biophys. Acta, 1859, 762-774, doi: 10.1016/j.bbabio.2018.06.005.

49. Guo, H., Courbon, G. M., Bueler, S. A., Mai, J., Liu, J., et al. (2021) Structure of mycobacterial ATP synthase bound to the tuberculosis drug bedaquiline, Nature, 589, 143-147, doi: 10.1038/s41586-020-3004-3.

50. Milgrom, Y. M., and Duncan, T. D. (2021) Complex effects of macrolide venturicidins on bacterial F-ATPases likely contribute to their action as antibiotic adjuvants, Sci. Rep., 11, 13631, doi: 10.1038/s41598-021-93098-8.

51. Andries, K., Verhasselt, P., Guillemont, J., Göhlmann, H. W., Neefs, J. M., et al. (2005) A diarylquinoline drug active on the ATP synthase of Mycobacterium tuberculosis, Science, 307, 223-227, doi: 10.1126/science.1106753.

52. Patel, B. A., D’Amico, T. L., and Blagg, B. S. J. (2020) Natural products and other inhibitors of F1Fo ATP synthase, Eur. J. Med. Chem., 207, 112779, doi: 10.1016/j.ejmech.2020.112779.

53. Wang, T., Ma, F., and Qian, H. L. (2021) Defueling the cancer: ATP synthase as an emerging target in cancer therapy, Mol. Ther. Oncolytics, 23, 82-95, doi: 10.1016/j.omto.2021.08.015.

54. Yarlagadda, V., Medina, R., and Wright, G. D. (2020) Venturicidin A, a membrane-active natural product inhibitor of ATP synthase potentiates aminoglycoside antibiotics, Sci. Rep., 10, 8134, doi: 10.1038/s41598-020-64756-0.