Un'icona dell'ID, l'ATP sintasi fa molto più che girare

L'icona biochimica delle macchine rotanti, l'ATP sintasi, rimane nelle notizie con nuove scoperte. Ora che la microscopia crioelettronica è ampiamente utilizzata, i biofisici stanno esaminando la funzione delle singole subunità del motore e cercando di capire cosa fanno. Il fatto che le macchine molecolari mostrino maggiore eleganza funzionale quanto più si guarda da vicino indica che il design intelligente è la migliore spiegazione.

Sia gli animali che le piante contengono questi motori rotanti vitali che soddisfano il loro fabbisogno energetico in ATP. Negli animali si trovano nei mitocondri. Nelle piante e in altri organismi fotosintetici si trovano nei cloroplasti. La fotosintesi, essendo dipendente dalla luce, ha un problema: quando è buio, i loro motori rotanti potrebbero iniziare a funzionare al contrario, rischiando "una dispendiosa reazione di idrolisi dell'ATP".

Lavorando con l'alga verde Chlamydomonas reinhardtii (nella foto sopra) come "organismo modello", un team di otto scienziati giapponesi ha esaminato più da vicino la subunità γ dell'ATP sintasi del cloroplasto (questa è la parte "albero a camme" del motore che aziona il motore). sintesi di ATP nel dominio F1). Hanno scoperto che due domini specifici nella subunità γ agiscono come un freno automatico nell’oscurità. Hanno scritto su PNAS a gennaio,

Tra i complessi FoF1-ATP sintasi di tutti gli organismi, il cloroplasto FoF1 (CFoCF1) è ununicoenzima conun meccanismo di regolazione redox ; tuttavia, il meccanismo alla base della regolazione redox della reazione di sintesi dell'adenosina trifosfato (ATP) in CFoCF1 non è stato completamente chiarito. Sfruttando la potente genetica di Chlamydomonas reinhardtii come organismo modello per la fotosintesi, abbiamo condotto un'analisi biochimica completa della molecola CFoCF1. Qui identifichiamo i determinanti strutturali per la cinetica della risposta redox intracellulare e dimostriamo che ilLa regolazione redox della sintesi di ATP è ottenuta dall'interazione cooperativa di due domini di subunità γ di CFoCF1 che sono unici per gli organismi fotosintetici. [Enfasi aggiunta.]

La Figura 6 nell'articolo (riprodotto da Phys.org) mostra come i due domini agiscono come un tappo:

La conformazione stretta indebolisce l’interazione tra il ciclo redox e la forcina β. Di conseguenza, la forcina β rimane bloccata nella cavità tra le subunità α e β,come un tappo e inibisce la rotazione del gambo centrale (anello γεc). In forma ridotta, il ciclo redoxrecupera la flessibilità interagire con la forcina β. Il ciclo redox interagisceper estrarre la forcina β dalla cavità e quindi accelerare il gambo centrale, come un regolatore cooperativo.

Un altro team giapponese, questa volta dell’Università di Tokyo, ha osservato più da vicino la “sosta catalitica” nel dominio F1 del motore ATP sintasi dove l’ADP viene convertito in ATP con l’aggiunta di un fosfato. Il dominio F1 ha 3 paia di subunità α, β disposte come petali di un fiore, ciascuna coppia in una diversa fase di attività: inserimento degli ingredienti, catalisi ed espulsione di ATP. La subunità γ, come un albero a camme, attiva a turno ciascuna coppia α, β mentre ruota di 360°. Dividendo per tre, ciascuna coppia α, β percepisce la forza dell'albero a camme durante la fase di catalisi (ADP + P che produce ATP) entro 120° ad ogni giro completo dell'albero motore. Altre volte, la coppia riceve gli ingredienti o espelle l'ATP finito. Quando funziona all'indietro, il motore F1 diventa una mannaia di ATP, idrolizzando l'ATP per produrre ADP e P, espellendo protoni nel processo. Nell'idrolisi, quindi, l'ATP diventa il carburante per far funzionare il motore al contrario.

Durante il normale funzionamento, il motore catalizza l'ATP. I biofisici sospettano da tempo che l’albero a camme (la subunità γ) eserciti una pressione sull’ADP e sul P in entrata per farli scattare insieme. Se 0° rappresenta il momento in cui l'ATP viene catalizzato, studi precedenti hanno trovato una breve fase di pausa a 80° e una sosta più lunga ai successivi 40° di rotazione, che rappresentano lo "schema di accoppiamento chemiomeccanico", come lo chiama il loro articolo.