[논문 리뷰] 36 degree step size of proton-driven c-ring rotation in FoF1-ATP synthase

Monika G. Dueser, Nawid Zarrabi외 5명|ArXiv.org|2009. 03. 01.

ATP Synthase and ATPases ResearchBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 20인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 단일분자 FRET를 통해 *E. coli* FoF1-ATP synthase의 c-링 로터가 수소이온 수송에 의해 36도 단위로 회전하는 것을 입증하여, 회전 촉매 모델의 핵심 예측을 확인한다. 10개의 단위를 가진 c-링은 10개의 36도 단계를 거쳐 한 바퀴를 완료하며, F1 운동기에서 관찰된 120도 단계와 일치하여 생에너지학 분야에서 오랫동안 남아있던 기계적 메커니즘 문제를 해결한다.

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.

연구 동기 및 목표

• FoF1-ATP synthase의 c-링에서 수소이온에 의해 구동되는 회전의 단계 크기를 직접 관찰하는 것.
• 이론적 모델에서 예측한 36도 단계와 F1 운동기에서 관찰된 120도 단계 간의 모순을 해결하는 것.
• 단일분자 측정을 통해 Fo에서의 수소이온 수송과 F1에서의 ATP 합성 간의 기계적 결합을 검증하는 것.
• 유전자형 막 환경에서의 c-링의 회전 대칭성과 단계 크기를 광학 기법을 사용하여 결정하는 것.

제안 방법

• 재구성된 *E. coli* FoF1-ATP synthase의 c-링에서 실시간으로 회전을 모니터링하기 위해 단일분자 광학 공명 에너지 전달(smFRET)을 사용하였다.
• c-링에 도너 및 액цеп터 형광체를 표지하여 나노미터 이하의 해상도로 회전 변화를 감지할 수 있었다.
• 수소이온의 기질 에너지에 의해 구동되는 조건에서 시간에 따른 FRET 효율 전이를 분석하여 회전 단계를 측정하였다.
• *E. coli* FoF1-ATP synthase의 10개의 단위를 가진 c-링을 사용하여 예측된 36도 단계 크기(360°/10 = 36°)를 시험하였다.
• 회전을 유도하고 생리학적 관련성을 확보하기 위해 세포막을 통해 수소이온 기울기를 제어하였다.
• 단계 크기 분포를 분석하여 이산적인 36도 전이가 확인되었으며, 이는 10중 대칭성과 일치하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FoF1-ATP synthase의 c-링에서 수소이온에 의해 구동되는 회전의 단계 크기는 무엇인가?
• RQ2 10개의 단위를 가진 대칭 모델이 예측한 바와 같이 c-링은 이산적인 36도 단계로 회전하는가?
• RQ3 관찰된 c-링의 회전 단계 크기는 F1 운동기에서 관찰된 120도 단계와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 단일분자 FRET는 c-링의 회전 역학을 충분한 정밀도로 개별 단계를 감지할 수 있는가?
• RQ5 36도 단계 크기는 ATP 합성 당 수소이온 수송의 스토이히오메트리와 일치하는가?

주요 결과

• FoF1-ATP synthase의 c-링은 단일분자 FRET를 통해 직접 관찰된 이산적인 36도 단계로 회전한다.
• 36도의 단계 크기는 정확히 360도 회전의 1/10에 해당하며, c-링의 10개의 단위 대칭성을 확인한다.
• 이 단계 크기는 F1 운동기에서 관찰된 120도 단계와 일치하여 ATP 합성과 수소이온 수송 간의 3:10 비율 결합을 시사한다.
• 관찰된 회전 역학은 연속적이거나 비정규적인 운동의 증거를 보이지 않으며, 이는 단계적인 수소이온에 의해 구동되는 메커니즘을 지지한다.
• 이러한 데이터는 c-링 회전에서 36도 단계를 예측하는 이론적 모델을 검증하며, 이전의 실험적 모호함을 해소한다.
• 결과적으로 수소이온 수송이 효율적인 ATP 합성에 필수적인 정밀하고 양자화된 회전을 구동한다는 것이 확인된다.