ATPaseを回転させるメカニズム

F-ATPase（ATPシンターゼ、FOF1）とV-ATPase（内膜プロトンポンプ）の2つのプロトンポンプは、異なる生理学的機能を持っていますが、サブユニット構造とメカニズムが類似しています。それらは、膜外因性（F1またはV1）と膜固有（FOまたはVO）セクターで構成され、回転メカニズムによるプロトン輸送に対するATP合成または加水分解の結合触媒で構成されています。回転のメカニズムは、運動、熱力学、生理学的アプローチによって広く研究されてきました。サブユニットの回転を観察するための技術が開発されました。ミクロンの長さのアクチンフィラメント、またはローターサブユニットに付着したポリスチレンまたは金のビーズの観察は、ATP加水分解駆動型回転の回転挙動について非常に有益です。ローターとステーターサブユニットに付着した蛍光プローブ間の単一分子FRET実験は、ATP合成反応におけるプロトンの動機駆動力駆動回転の監視に効果的に使用されています。直径40〜60 nmの小さな金のビーズを使用することにより、大腸菌F1セクターは驚くほど高速（> 400 rps）で回転することがわかりました。この実験システムは、変異酵素の速度論と熱力学を評価するために使用されました。結果は、酵素反応ステップとベータサブユニット間のドメイン相互作用のタイミング、またはベータ版とガンマサブユニット間のタイミングが、すべてのステップの活性化エネルギーを低下させ、ローテーションを介して深いエネルギーウェルを回避する方法で調整されることを明らかにしました。結合された定常状態反応。このレビューでは、触媒と回転の間の結合効率を最大化する定常状態F1-ATPase回転のメカニズムに焦点を当てます。

Two proton pumps, the F-ATPase (ATP synthase, FoF1) and the V-ATPase (endomembrane proton pump), have different physiological functions, but are similar in subunit structure and mechanism. They are composed of a membrane extrinsic (F1 or V1) and a membrane intrinsic (Fo or Vo) sector, and couple catalysis of ATP synthesis or hydrolysis to proton transport by a rotational mechanism. The mechanism of rotation has been extensively studied by kinetic, thermodynamic and physiological approaches. Techniques for observing subunit rotation have been developed. Observations of micron-length actin filaments, or polystyrene or gold beads attached to rotor subunits have been highly informative of the rotational behavior of ATP hydrolysis-driven rotation. Single molecule FRET experiments between fluorescent probes attached to rotor and stator subunits have been used effectively in monitoring proton motive force-driven rotation in the ATP synthesis reaction. By using small gold beads with diameters of 40-60 nm, the E. coli F1 sector was found to rotate at surprisingly high speeds (>400 rps). This experimental system was used to assess the kinetics and thermodynamics of mutant enzymes. The results revealed that the enzymatic reaction steps and the timing of the domain interactions among the beta subunits, or between the beta and gamma subunits, are coordinated in a manner that lowers the activation energy for all steps and avoids deep energy wells through the rotationally-coupled steady-state reaction. In this review, we focus on the mechanism of steady-state F1-ATPase rotation, which maximizes the coupling efficiency between catalysis and rotation.