Abstrakt:
ATP-syntas, ett avgörande enzym i cellulär energiproduktion, genomgår dynamiska konformationsförändringar under sin katalytiska cykel. En spännande aspekt av ATP-syntas är dess förmåga att fungera i olika pH-miljöer. Även om dess aktivitet är optimal vid fysiologiskt pH, uppvisar ATP-syntas också betydande aktivitet vid surt pH. De detaljerade mekanismerna bakom dess prestanda under sura förhållanden är dock fortfarande dåligt förstådda.
I denna studie använde vi en kombination av experimentella tekniker och beräkningsmodellering för att undersöka de strukturella och funktionella egenskaperna hos ATP-syntas i surt tillstånd. Med hjälp av toppmodern kryoelektronmikroskopi fångade vi högupplösta strukturer av ATP-syntas från en termofil bakterie, Thermus thermophilus, vid ett surt pH på 6,0. Detaljerad analys av dessa strukturer avslöjade slående skillnader jämfört med de välkända strukturerna som erhölls vid neutralt pH. Det sura pH-värdet inducerade signifikanta konformationsförändringar i enzymet, vilket involverade justeringar i de transmembrana domänerna, centrala stjälken och perifera stjälken.
Våra biokemiska analyser kompletterade de strukturella fynden och visade att ATP-syntas bibehåller betydande ATP-syntesaktivitet vid surt pH. Kinetiska mätningar indikerade förändringar i enzymets kinetiska parametrar, vilket tyder på anpassningar till den sura miljön. Vidare identifierade platsriktade mutagenesexperiment specifika aminosyrarester som var avgörande för att upprätthålla aktivitet vid surt pH.
För att få djupare insikter i det dynamiska beteendet hos ATP-syntas under sura förhållanden utförde vi omfattande simuleringar av molekylär dynamik. Dessa simuleringar gav detaljer på atomnivå om strukturella fluktuationer, konformationsförändringar och protonöverföringsvägar involverade i ATP-syntes. Beräkningsresultaten bekräftade de experimentella observationerna och gav en grund för att dissekera de energetiska aspekterna av enzymets funktion.
Genom vår omfattande undersökning har vi avsevärt utökat vår förståelse av ATP-syntas funktionella mekanismer i surt tillstånd. Denna studie belyser enzymets anpassningsförmåga till olika pH-förhållanden, vilket är relevant för dess funktion i olika biologiska miljöer, inklusive sura avdelningar i celler, acidofila organismer och hårda industriella tillämpningar. Dessutom bidrar våra resultat till en bredare förståelse av bioenergetik och enzymkatalys, vilket öppnar vägar för framtida forskning och potentiella biotekniska tillämpningar.
