[論文レビュー] 36 degree step size of proton-driven c-ring rotation in FoF1-ATP synthase

Monika G. Dueser, Nawid Zarrabi+5 more|ArXiv.org|Mar 1, 2009

ATP Synthase and ATPases ResearchBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 20被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、単分子FRETを用いて、*E. coli* FoF1-ATP合成酵素のcリングローターがプロトン輸送によって36度のステップで回転することを実証した。これは、回転触媒モデルの重要な予測を確認するものである。10サブユニットからなるcリングは10回の36°ステップで1回転を完了し、F1モーターで観察された120°ステップと一致し、生物エネルギー学における長年のメカニズム的疑問を解消する。

ABSTRACT

Synthesis of the biological "energy currency molecule" adenosine triphosphate ATP is accomplished by FoF1-ATP synthase. In the plasma membrane of Escherichia coli, proton-driven rotation of a ring of 10 c subunits in the Fo motor powers catalysis in the F1 motor. While F1 uses 120 degree stepping, Fo models predict a step-by-step rotation of c subunits 36 degree at a time, which is here demonstrated by single-molecule fluorescence resonance energy transfer.

研究の動機と目的

• FoF1-ATP合成酵素のcリングにおけるプロトン駆動回転のステップサイズを直接観察すること。
• 理論モデルが予測する36°ステップと、F1モーターで観察された120°ステッピングの間にある矛盾を解消すること。
• 単分子測定を用いて、Foにおけるプロトン輸送とF1におけるATP合成との機械的結合を検証すること。
• 蛍光技術を用いて、天然膜環境下でのcリングの回転対称性とステップサイズを特定すること。

提案手法

• 再構成された *E. coli* FoF1-ATP合成酵素におけるcリングのリアルタイム回転をモニタリングするために、単分子フォトルセンスエネルギー移動（smFRET）を用いた。
• cリングにドナーおよびアクセプター蛍光タンパク質を標識することで、ナノメートル分解能での回転変化を検出可能となった。
• プロトン動圧をかけた条件下で、時間経過に伴うFRET効率の変化を分析して回転ステップを測定した。
• 予測された36°ステップサイズ（360°/10 = 36°）を検証するために、*E. coli* FoF1-ATP合成酵素の10サブユニットcリングを用いた。
• 膜をはさんでプロトン勾配を制御し、生理的関連性を確保した。
• ステップサイズの分布を分析して、離散的で正確な36°遷移が確認された。これは10重対称性と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FoF1-ATP合成酵素のcリングにおけるプロトン駆動回転のステップサイズは何か？
• RQ2 10サブユニット対称性モデルが予測するように、cリングは離散的な36°ステップで回転するか？
• RQ3 観察されたcリング回転ステップサイズは、F1モーターで観察された120°ステッピングとどのように相関するか？
• RQ4 単分子FRETは、cリングの回転ダイナミクスを、個々のステップを検出可能な十分な精度で解明できるか？
• RQ5 36°ステップサイズは、1分子のATP合成に伴うプロトン輸送の化学计量と整合的か？

主な発見

• FoF1-ATP合成酵素のcリングは、単分子FRETを用いて直接観察された離散的36°ステップで回転する。
• 36°のステップサイズは、正確に1回転の10分の1に一致し、cリングの10サブユニット対称性を確認した。
• ステップサイズはF1モーターで観察された120°ステッピングと整合的であり、ATP合成とプロトン輸送の間の3:10のカップリング比を示唆している。
• 観察された回転ダイナミクスには、連続的または不規則な運動の兆候はなく、明確なステップワイズでプロトン駆動のメカニズムを支持する。
• 理論モデルが予測するcリング回転における36°ステップが、実験的確証を得ており、以前の実験的曖昧性を解消した。
• 結果は、プロトン輸送が、効率的なATP合成に不可欠な正確で量子化された回転を駆動することを確認した。