Bestimmung der Struktur und des molekularen Mechanismus der F0F1 ATP-Synthase mittels Röntgenstrukturanalyse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
F-ATPasen katalysieren die mit der Translokation von Protonen über eine energiekonservierende Membran verbundene Bildung oder Spaltung von ATP. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes konnte die Kristallstruktur des mem bran Integra len Proteolipid- Komplexes der chloroplastidären ATP-Synthase mit einer Auflösung von 3.8 A bestimmt werden (PDB-Code 2W5J). Damit konnte erstmals die Struktur eines isolierten Rotorkomplexes einer protonentransportierenden F-ATPase gelöst werden. Die Struktur wurde über die Methode des molekularen Ersatzes (MR) mit einem aus einem Monomer der NaMransportierenden ATPase aus I. tartaricus generierten theoretischen tetradecameren Modell ermittelt. Die Struktur des chloroplastidären Enzyms zeigt im Bereich der für den Protonentransfer entscheidenden Aminosäure Glu-61, die sich auf der Außenseite etwa in der Mitte des insgesamt zylinderförmigen Proteolipid-Komplexes befindet, deutliche Unterschiede zur Struktur des Na+-transportierenden Komplexes auf. Die im Bereich der Protonenbindungsstelle befindlichen Aminosäuren besitzen eine erhöhte Hydrophobizität und ein geringeres Potential zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Aufgrund des in den Kristallisationsansätzen verwendeten aciden pH-Werts repräsentiert die ermittelte Kristallstruktur vermutlich den protonierten Zustand des Komplexes. In dieser Struktur ist das essentielle Glu-61 von der äußeren (Membran)phase abgeschirmt. Wir postulieren, dass der essentielle Glutamatrest bei Deprotonierung seine Konformation ändert und dass seine Seitenkette dann vollständig zugänglich ist. Reprotonierung des Glutamatrestes über das in der benachbarten a-Untereinheit lokalisierte Arginin-188 lässt den Glutamatrest wieder seine ursprüngliche Konformation einnehmen. Mit einem solchen Mechanismus ist keine substantielle Reorientierung einer kompletten a-Helix im Zuge der Rotationskatalyse verbunden wie sie in früheren Modellen postuliert wird. Die ebenfalls im Rahmen des Projektes angestrebte Strukturlösung des intakten FoF1-Komplexes konnte in der Förderperiode nicht realisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Structure of the C14-rotor ring of the proton translocating chloroplast ATP synthase. J. Biol. Chem.
Vollmar M, Schlieper D, Winn M, Büchner C, Groth G
