АТФ-синтаза: исследуйте, как работает молекулярный ротор

Откуда в клетке берётся АТФ?

Как работает АТФ-синтаза? Протоны, возвращаясь через мембрану, вращают находящееся в ней кольцо, словно водяное колесо. Вращающийся стержень поочерёдно сжимает три каталитических центра головки, соединяющие АДФ и фосфат в АТФ. При обратном ходе тот же фермент расщепляет АТФ и перекачивает протоны, поэтому его также называют АТФазой.

Мышцы, нервы и ферменты копирования ДНК работают на одном топливе: аденозинтрифосфате. Отщепление третьего фосфата высвобождает энергию для работы; после его присоединения молекула вновь готова к использованию. Количества велики. По данным Нобелевского комитета, взрослый в покое за сутки обновляет примерно половину массы тела в АТФ, а при тяжёлой работе количество может приближаться к тонне. Запас клетки невелик, поэтому АТФ приходится восстанавливать так же быстро, как она расходуется.

Большую часть этой работы выполняет один фермент, АТФ-синтаза. Он находится во внутренней мембране митохондрий, мембранах бактерий и тилакоидах хлоропластов. Это также один из немногих белков, работающих вращением. Экспонат показывает упрощённый фермент в молекулярном масштабе, а затем ещё пять мест: складку митохондриальной мембраны с дыхательной цепью, освещённую мембрану хлоропласта, плывущую бактерию, лизосому с родственным насосом на АТФ и стекло опыта 1997 года, впервые показавшего вращение ротора. Нижняя панель переключает шесть сцен.

Плотина из мембраны

Энергия приходит не прямо из пищи. Дыхание передаёт её электроны по цепи мембранных белков. Цепь использует их энергию для перекачки протонов из матрикса, внутренней области митохондрии, в узкое пространство между двумя мембранами. Протоны накапливаются с одной стороны. Разности концентрации и электрического заряда вместе называют протондвижущей силой.

Peter Mitchell предложил эту хемиосмотическую идею в 1961 году и получил за неё Нобелевскую премию по химии в 1978 году. Клетка хранит энергию подобно плотине: как перепад уровня, стремящийся выровняться. АТФ-синтаза служит турбиной плотины. Через неё протоны возвращаются в матрикс и по пути вращают ротор.

В модели протоны обозначены красными шариками. Ползунки «Потенциал мембраны» и «Разность pH» задают силу напора. При изменении любого из них скопление под мембраной густеет или редеет, а ротор ускоряется, замедляется, стоит либо вращается обратно.

Складываем протондвижущую силу

Протон снаружи матрикса толкают внутрь две причины. Матрикс отрицательно заряжен относительно внешней среды и содержит меньше протонов, поэтому его pH выше. Mitchell объединил напор в одно число, протондвижущую силу Δp в милливольтах:

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

Здесь Δψ равна потенциалу матрикса минус внешний потенциал, а ΔpH равна pH матрикса минус внешний pH. В работающей митохондрии Δψ отрицательна, ΔpH положительна, поэтому оба слагаемых делают Δp более отрицательной. Чем она отрицательнее, тем сильнее протоны стремятся внутрь. Коэффициент 59 переводит единицу pH в милливольты: это ln 10 × RT/F, то есть 59,16 мВ при 25 °C и 61,5 мВ при температуре тела 37 °C. Модель использует 59.

В начальном положении Δψ = −150 мВ и ΔpH = 0,80, поэтому Δp = −150 − 59 × 0,80 = −197 мВ. При каждом перемещении ползунка расчёт выводится на экран. Brand и Nicholls называют 150–180 мВ типичной величиной потенциала митохондрий в клетках. Здесь напор преимущественно электрический. В хлоропластах наоборот: при сильном свете большая часть энергии хранится как разность pH через мембрану тилакоида.

Для фермента важна энергия каждого протона. Один моль протонов при прохождении 197 мВ высвобождает F × Δp = 96 485 × 0,197 ≈ 19 кДж. Далее мы неоднократно возвращаемся к этому числу.

Fo, часть в мембране

У двух половин фермента исторические имена. Fo, от олигомицин-чувствительного фактора, находится в мембране. F1, фактор 1, выступает головкой в матрикс. Группа Efraim Racker выделила целый фермент из митохондрий в 1960 году.

Подвижная часть Fo представляет собой c-кольцо из одинаковых небольших белков. Каждая c-субъединица образует шпильку из двух спиралей. Посередине внешней спирали расположена кислая боковая цепь: в митохондриях это глутамат, показанный тёмным шариком. Рядом находится неподвижная a-субъединица. Она предоставляет протону два полуканала: один открывается наружу, другой в матрикс.

Заряженная боковая цепь не может быть обращена в маслянистую толщу мембраны. c может отвернуться от a лишь после присоединения протона к глутамату и нейтрализации заряда. Протон входит через первый полуканал, совершает круг на c и выходит через второй в матрикс. Снаружи протонов больше, поэтому с одной стороны они приходят чаще, и кольцо вращается в одном направлении. Pogoryelov с коллегами показали на кристаллических структурах c15, как участок остаётся закрытым к липиду и открывается только у a. Шарики на кольце обозначают путешествующие протоны.

F1, часть, синтезирующая АТФ

F1 представляет собой кольцо из шести субъединиц: три α и три β чередуются, словно дольки апельсина. Noji с коллегами описали его как бочонок радиусом около 5 нм, поэтому головка модели имеет ширину 10 нм. Шкала над ней показывает эти 10 нм.

Только β синтезирует АТФ. Посередине проходит центральный стержень, главным образом из γ. Его роторная часть имеет радиус всего около 1 нм. Основание закреплено на c-кольце и вращается вместе с ним. С другой стороны длинная периферическая ножка проходит от a к крышке над F1 и удерживает головку α3β3. Без неё головка вращалась бы вместе с осью и внутри ничего не менялось бы.

γ несимметрична. Боковой выступ при вращении нажимает по очереди на каждую β и меняет её форму. «Разрезать головку» убирает переднюю половину и позволяет следить за выступом.

Три центра работают по очереди

За десятилетия изотопных опытов Paul Boyer обнаружил необычное свойство. Соединить АДФ и фосфат внутри фермента можно почти без затрат энергии. Энергия нужна для достаточно прочного связывания этих веществ и, прежде всего, для освобождения готовой АТФ. Он предположил, что три β-центра по очереди проходят три состояния:

1. Открытое (O): центр пуст или только что освобождает АТФ.
2. Слабое связывание (L): АДФ и фосфат удерживаются слабо.
3. Плотное связывание (T): центр закрывается, АДФ и фосфат превращаются в АТФ.

Поворот стержня на 120° переводит каждый центр в следующее состояние. Плотный открывается и отдаёт АТФ, слабый закрывается, открытый принимает новые АДФ и фосфат. Boyer назвал это механизмом изменения связывания и предположил вращение стержня. «Цвет β по состоянию» делает открытые β бледными, слабые жёлтыми, плотные красными; индикатор показывает те же состояния буквами. На шаге экскурсии с видом сверху можно проследить, как АДФ из белых и оранжевых шариков и отдельный фосфат становятся одной АТФ, прежде чем она улетит.

John Walker подошёл к ферменту через структуру. С Jan Pieter Abrahams и Andrew Leslie он определил кристаллическую структуру F1 сердца коровы при 2,8 Å в 1994 году. Три β действительно имели разные формы и связанные нуклеотиды, а в центре находилась асимметричная γ. Структура соответствовала механизму Boyer. Boyer и Walker разделили половину Нобелевской премии по химии 1997 года; вторую получил Jens Skou за натрий-калиевый насос, другой мембранный фермент на АТФ. По данным комитета, в покое один этот насос расходует около трети всей образующейся АТФ.

Где ротор останавливается

Почему он вообще идёт вперёд? Посчитаем энергию. Полный оборот переносит через мембрану n протонов, где n равно числу c-субъединиц, и даёт три АТФ. Каждая получает энергию n/3 протонов:

энергия на АТФ = (n/3) × F × Δp

Синтез АТФ в клетке тоже имеет определённую стоимость: потенциал фосфорилирования ΔGp. Он зависит от количества АТФ, АДФ и фосфата. Модель начинает с 45 кДж/моль, меняемых ползунком «Затраты на одну АТФ». Если поступление выше затрат, ротор синтезирует АТФ. Если ниже, АТФ побеждает и вращает его обратно. При равенстве ротор стоит:

Δp при остановке = 3 × ΔGp / (n × F)

Для коровы n = 8, и при 50 кДж/моль это 3 × 50 000 / (8 × 96 485) = 0,194 В, или 194 мВ. При 45 кДж/моль получается 175 мВ. График показывает модельную скорость против Δp для выбранного кольца и стоимости. Пунктир отмечает остановку, точка положение ползунков. Таблица под управлением делает тот же расчёт для c8–c15.

Отсюда два следствия. Большое кольцо останавливается при меньшем градиенте: c15 достаточно 93 мВ для тех же 45 кДж/моль, поскольку оно приносит 15 протонов вместо 8. И фермент обратим. Отдельного решения о направлении нет: его задаёт баланс двух энергий. Плавная кривая скорости через точку остановки выбрана для изображения, но сама точка вычислена.

Обратный ход

Понизьте градиент ниже точки остановки или повысьте стоимость АТФ, и индикатор покажет расход АТФ и перекачку протонов. АТФ связывается в головке, расщепляется, стержень поворачивается обратно шагами по 120°. c-кольцо выносит протоны из матрикса через мембрану. Счётчик расхода растёт.

В здоровой митохондрии это редко бывает: дыхательная цепь поддерживает высокий градиент. При его исчезновении, например без кислорода, обратный ход мог бы исчерпать клеточную АТФ за несколько минут. Для этого есть тормоз IF1. Cabezón с коллегами показали в 2003 году, что он вклинивается в границу α-β головки и касается γ. Выберите IF1 и уменьшите градиент: ротор остановится вместо обратного хода, а удерживающая спираль засветится.

Бактерии используют обратный режим. Без кислорода E. coli получает АТФ брожением и тратит её на обратный ход синтазы, сохраняя градиент для жгутиков и переноса питательных веществ. Это показывает сцена «Бактерия» при выключении кислорода. Некоторые родственные ферменты изначально устроены для обратной работы; они представлены в сцене V-АТФазы.

Лекарства и яды, останавливающие фермент

Поскольку от фермента зависит многое, ряд природных и искусственных веществ нацелен на него. В управлении доступны пять ингибиторов.

• Олигомицин дал имя Fo. Symersky с коллегами определили его на дрожжевом c10 в 2012 году: снаружи между двумя c он закрывает протон-переносящий глутамат. Протон не может сесть, ротор стоит. Остатки кармана одинаковы у дрожжей и человека. В лабораториях им измеряют, сколько дыхания идёт на АТФ, а сколько на утечку.
• DCCD (дициклогексилкарбодиимид) реагирует с тем же карбоксилатом и блокирует его необратимо. Pogoryelov с коллегами использовали модифицированное c15 для изучения открытия и закрытия участка. В модели глутаматные шарики зеленеют.
• Бедаквилин лечит туберкулёз. Andries с коллегами нашли его в 2005 году как вещество, убивающее Mycobacterium tuberculosis; у устойчивых мутантов менялась протон-переносящая часть синтазы. Preiss с коллегами в 2015 году определили его на микобактериальном c9: препарат закрывает ионные участки и прекращает перенос. Они называют его первым за 40 лет одобренным препаратом против множественно устойчивого туберкулёза. Исследование 2024 года показало связывание и с ферментом человека на похожем месте c-кольца.
• DNP (2,4-динитрофенол) не касается фермента. Он переносит протоны прямо через липид, убирает градиент и превращает пищу в тепло без АТФ. В 1933 году его продавали для похудения. Он вызывает опасный перегрев; обзор 2011 года насчитал 62 опубликованных смертельных случая. В модели протоны пересекают мембрану напрямую, ротор стоит. Бурый жир делает контролируемый вариант того же с UCP1, согревая животных.
• IF1, собственный тормоз клетки, блокирует только обратное направление, как описано выше.

Кольца разных размеров

Размер c-кольца задаёт цену АТФ. При n субъединицах нужно n/3 протонов. Watt с коллегами нашли восемь c в митохондриях сердца коровы в 2010 году и отметили одинаковую последовательность почти у всех позвоночных. Вероятно, все они платят 2,7 протона на АТФ. Грибы, бактерии и хлоропласты используют 9–15. Таблица под управлением содержит 13 колец и соответствующие структуры:

Почему не использовать везде минимум? Малое кольцо дёшево синтезирует АТФ, но требует высокого градиента. Большое работает при слабом напоре, но тратит больше протонов. Bacillus pseudofirmus OF4 живёт в щелочной воде, где внешних протонов мало; его c13 делит протон со связанной водой. Ilyobacter tartaricus переносит вместо протонов натрий. Vollmar с коллегами нашли у шпинатного c14 расстояние между ионными участками 10,6–10,8 Å, такое же, как у Ilyobacter c11. Кольцо с большим числом субъединиц просто шире.

Меняйте «Размер c-кольца» в сцене фермента и следите за совместным изменением остановки и цены АТФ. Где есть измеренный организм, ползунок называет его; c12 в таблице нет.

Внутри митохондрии

Откройте сцену «Митохондрия». Внутренняя мембрана образует кристы; одна складка показана в разрезе с открытым передним краем. Снаружи складки матрикс. Внутри узкое пространство, связанное с межмембранным; там собираются перекачанные протоны.

Четыре комплекса сбоку передают электроны пищи кислороду:

1. Комплекс I забирает два электрона у NADH и передаёт убихинону, небольшому подвижному переносчику в мембране. Это один из крупнейших ферментов клетки. Zhu, Vinothkumar и Hirst в 2016 году разместили все 45 субъединиц фермента коровы. Он качает 4 протона на два электрона.
2. Комплекс II передаёт электроны сукцината тому же пулу убихинона без перекачки протонов. Он также входит в цикл лимонной кислоты.
3. Комплекс III, цитохром bc1, передаёт электроны убихинола цитохрому c и высвобождает снаружи 4 протона на два электрона.
4. Комплекс IV, цитохром-c-оксидаза, отдаёт их кислороду, который становится водой, и качает ещё 2 протона.

Два электрона NADH перемещают 10 протонов, сукцината только 6. Watt с коллегами рассчитали выход по этим числам. При c8 на АТФ требуется 8/3 = 2,67 протона, а вывод из митохондрии стоит ещё один: обмен АТФ на АДФ и ввоз фосфата вместе используют эквивалент одного протона. Итого 3,67 на выведенную АТФ:

• NADH: 10 / 3,67 = 2,7 АТФ на атом кислорода
• сукцинат: 6 / 3,67 = 1,6 АТФ на атом кислорода

Это отношения P/O. Обзор измерений Hinkle даёт около 2,5 и 1,5, чуть меньше из-за утечки протонов через мембрану мимо фермента. Индикатор показывает расчёт и отношение, подсчитанное в работающей модели. Смена топлива на сукцинат понижает оба.

АТФ-синтазы здесь стоят парами на гребне. Davies с коллегами нашли криоэлектронной томографией дрожжевых митохондрий V-образные пары с углом 86° в рядах вдоль крист. Штаммы без пар имеют лишь пузыревидные кристы либо вовсе их лишены. Атомная модель парной области Fo от Guo, Bueler и Rubinstein показывает изгиб мембраны. Здесь вдоль гребня четыре V-пары, каждый фермент вращает свой ротор.

Сцена содержит небольшой протонный контур. При низком градиенте цепь качает быстрее, при высоком медленнее: это дыхательный контроль. Синтаза и небольшая утечка возвращают протоны. Попробуйте ингибиторы. Олигомицин останавливает синтазу, градиент растёт, дыхание почти прекращается. DNP открывает утечку, градиент падает, дыхание ускоряется, топливо становится теплом. Тогда индикатор показывает обратное вращение на АТФ, как в разобщённых митохондриях без торможения IF1. Выключение кислорода останавливает всю цепь.

Внутри хлоропласта

Сцена «Хлоропласт» показывает участок мембраны тилакоида. Сверху строма, снизу просвет тилакоида. Энергия приходит от света, а не пищи, но фермент того же типа, головкой в строму.

1. Фотосистема II поглощает свет и извлекает электроны из воды. Структура Umena с коллегами при 1,9 Å показывает кластер Mn₄CaO₅: две воды дают одну O₂, четыре электрона и четыре протона в просвете.
2. Пластохинон переносит электроны через мембрану к цитохрому b6f, который добавляет протоны в просвет.
3. Пластоцианин, небольшой медный белок просвета, несёт их к фотосистеме I. Второй фотон поднимает электроны к ферредоксину и NADP⁺; в строме образуется NADPH.

Kramer и Evans насчитывают в линейном потоке 12 протонов в просвет и 2 NADPH на O₂. Кольцо c14 требует 14/3 = 4,67 протона на АТФ; 12 протонов дают 12 × 3 / 14 = 2,57 АТФ. Это 1,29 АТФ на NADPH, но цикл Кальвина тратит 3 АТФ на 2 NADPH, то есть 1,5. Недостаток восполняют другие пути, например циклический поток вокруг фотосистемы I, качающий протоны без NADPH. Индикатор показывает оба отношения и пересчитывает при смене кольца.

Просвет закисляется. В живых листьях Arabidopsis Takizawa с коллегами оценили около pH 7,5 при слабом свете и 5,7 при сильном свете и малом CO₂. График отслеживает pH при смене освещения. В модели строма фиксирована на pH 8, а 70 % градиента хранится как ΔpH. Оба значения выбраны для модели.

Уменьшите свет до нуля. Вскоре индикатор сообщит о блокировке переключателем γ. Структура целого фермента из 26 субъединиц, определённая Hahn с коллегами в 2018 году, показывает β-шпильку в γ, действующую как окислительно-восстановительный переключатель в темноте.

Фермент хлоропласта участвовал и в классическом опыте. В 1966 году André Jagendorf и Ernest Uribe выдержали тилакоиды шпината в кислоте, перенесли в щелочной буфер с АДФ и фосфатом и получили АТФ в темноте. Одной разности pH было достаточно, как требовала идея Mitchell.

Бактерия и её жгутики

У бактерий нет митохондрий. Дыхательная цепь находится в самой клеточной мембране и качает протоны в периплазму, узкий промежуток между внутренней и внешней мембранами. Сцена показывает E. coli длиной около 2 мкм справа сзади, а впереди участок её внутренней мембраны, изображённый примерно в 50 раз крупнее клетки.

Две машины используют один градиент. Первая, АТФ-синтаза: группа Fillingame в 2001 году показала предпочтение c10 у E. coli. Крио-ЭМ Sobti с коллегами показывает десять c и ε, способную вытянуться и заблокировать фермент. Вторая, жгутиковый мотор: Howard Berg описывает ширину около 45 нм и около 20 типов деталей. Здесь он в одном масштабе с синтазой, более чем вчетверо шире. Протоны через кольцо статорных элементов вращают ротор. Meister, Lowe и Berg показали пропорциональность протонного потока скорости.

В отличие от синтазы мотор меняет направление по команде. Белок CheY с фосфатом связывается с C-кольцом внизу и переключает вращение на движение по часовой стрелке. У E. coli против часовой нити собираются в пучок и клетка плывёт; по часовой пучок распадается, клетка кувыркается и отправляется в новом направлении. Включите «Жгутики по часовой»: розовые шарики CheY связываются, нити расходятся, клетка кувыркается.

Выключите кислород. Дыхание останавливается, градиент падает ниже остановки c10, и АТФ-синтаза идёт обратно на АТФ брожения, выкачивая протоны для мотора. Градиент устанавливается чуть ниже, клетка продолжает плыть медленнее.

Насосы для обратной работы

Некоторые родственники синтазы обычно тратят АТФ. Вакуолярные, или V-АТФазы, качают протоны в клеточные отсеки для подкисления. Пищеварительные мешочки лизосомы поддерживаются при pH 4,5–5, где работают их ферменты. Обзор Mindell объясняет, что насос не справится один: вход протонов накапливает заряд, поэтому должен двигаться другой ион. Обменник хлорида и протонов ClC-7 участвует в этом и показан рядом.

Сцена V-АТФазы содержит два насоса на мембране и маленькую целую лизосому сзади. Её цвет следует внутреннему pH. Строение знакомо: головка из трёх A и трёх B, аналогов β и α, центральный ротор и мембранное кольцо. Видны и отличия. Zhao, Benlekbir и Rubinstein показали крио-ЭМ дрожжей три периферические ножки вместо одной и несколько видов протеолипидов в кольце. Позже Mazhab-Jafari с коллегами определили их как c8, c′ и c″. Murata с коллегами определили десятисубъединичный ротор родственного натриевого насоса Enterococcus hirae.

У V-АТФазы есть переключатель, которого нет у F-типа: половины могут разделяться. При голодании по глюкозе дрожжевая V1 отделяется от Vo, перекачка прекращается. Именно так Mazhab-Jafari с коллегами получили свободную Vo для атомной модели. «Голод: V1 отделяется» поднимает головки, а просвет медленно возвращается к нейтральному pH.

Увидеть вращение

До 1997 года вращение оставалось выводом. Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida и Kazuhiko Kinosita закрепили F1 через β на стекле вверх ногами, прикрепили к γ флуоресцентную актиновую нить и добавили АТФ. В микроскоп нить сделала более 100 оборотов, всегда против часовой стрелки со стороны мембраны. Сам по себе F1 не синтезирует АТФ; получив её, расщепляет и вращает стержень противоположно синтезу.

«Опыт вращения» воспроизводит это. Главный вид соответствует микроскопу: стекло и зелёная нить, вращающаяся вокруг конца. Боковая картинка показывает сам F1 примерно в 50-кратном увеличении: γ вращается в закреплённой головке.

Нить не движется с заранее заданной скоростью. Мотор создаёт около 40 пН·нм момента, вода сопротивляется нити. Для стержня, вращающегося вокруг конца, сопротивление растёт как куб длины:

сопротивление = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0,447)

η обозначает вязкость воды, r радиус нити. При 1 мкм получается около 6,3 оборота в секунду, при 2 мкм менее одного. «Длина актина» запускает пересчёт; «сопротивление метки» означает, что скорость задаёт нить, не фермент.

Позднее использовали меньшие метки. Yasuda с коллегами в 1998 году нашли при низкой АТФ отдельные шаги по 120°, по одному на АТФ. Работа за шаг оставалась почти одинаковой при разных нагрузках, близкой к свободной энергии гидролиза одной АТФ. С лёгким золотым шариком 40 нм, почти не тормозящим мотор, в 2001 году они разделили шаг на примерно 90° и 30° и измерили около 130 оборотов в секунду при избытке АТФ. Sakaki с коллегами получили тот же момент около 40 пН·нм при 2 mM, 60 nM и 2 nM АТФ и константу связывания 2 × 10⁷ на молярную концентрацию в секунду.

Модель использует эти числа. АТФ связывается после случайного ожидания со средним 1 / (kon × [ATP]); затем момент поворачивает метку на 120° так быстро, как позволяет сопротивление. При концентрации около 0,2 µM ожидания становятся длиннее поворотов: нить скачет, график становится ступенчатым. С золотым шариком шаги резкие, потому что он почти не тормозит. Ограничением становится связывание АТФ, воспроизведение замедляется для наблюдения.

Последний шаг обратил опыт. В 2004 году Itoh с коллегами прикрепили магнитный шарик к γ и вращали его обратно электромагнитами. В растворе появилась АТФ. Rondelez с коллегами заключили одиночные F1 в камеры объёмом несколько фемтолитров и нашли до 77 % продуктивных принудительных оборотов при наличии малой ε. Выберите магнитный шарик и обратное вращение магнитами: катушки загораются по очереди, шарик идёт по часовой, каждые 120° добавляют одну АТФ в счётчик.

Проверяем числа

Каждая c переносит один протон за оборот, каждый оборот даёт три АТФ. Протоны на АТФ равны числу c, делённому на 3: у коровы 8 ÷ 3 = 2,67, у дрожжей и E. coli 10 ÷ 3 = 3,33, у шпината 14 ÷ 3 = 4,67, у Spirulina platensis 15 ÷ 3 = 5,00.

Watt с коллегами указывают около 100 оборотов в секунду в митохондриях. При 3 АТФ за оборот это около 300 АТФ в секунду от фермента и при c8 около 800 протонов через него. Модель примерно в 100 раз медленнее, до 1,2 оборота в секунду, чтобы можно было следить за шариками.

Группа Noji измерила момент около 40 пН·нм. Шаг 120° равен 2π/3 радиана, поэтому работа около 40 × 2,09 ≈ 84 пН·нм, или 8,4 × 10⁻²⁰ J. АТФ при 50 кДж/моль содержит 50 000 / (6,022 × 10²³) ≈ 8,3 × 10⁻²⁰ J, или 83 пН·нм. Значения почти одинаковы: мотор превращает почти всю химическую энергию в работу, как сообщили Yasuda с коллегами. Индикатор опыта показывает оба; энергия АТФ следует ползунку затрат.

Остановка получается обратным расчётом. При 50 кДж/моль кольцо c8 требует (8/3) × 96 485 × Δp = 50 000 Дж, откуда Δp = 0,194 В. c14 уравновешивается при 0,111 В, c10 при 0,155 В.

АТФ за сутки

Сколько АТФ человек производит за день? Калькулятор лаборатории под управлением начинает с кислорода. Один MET, используемая в нагрузочных тестах величина покоя, равен 3,5 мл кислорода на килограмм массы в минуту. Для взрослого 70 кг это около 245 мл в минуту. За сутки 245 × 1440 = 352 800 мл, или 352,8 л. При 22,414 л на моль, объёме газа при 0 °C и 1 атмосфере, принятом для таких данных, получается около 15,7 моль O₂, или 31,5 моль атомов кислорода.

При P/O 2,5 это 31,5 × 2,5 ≈ 79 моль АТФ. Молярная масса АТФ 507,18 г, поэтому 79 моль весят около 40 кг, немного больше половины тела, в согласии с оценкой комитета. При тяжёлой работе потребление кислорода растёт в несколько раз, вместе с ним растёт суточная АТФ. Обратный расчёт показывает: при P/O 2,5 человеку 70 кг нужно около 430 мл кислорода в минуту, чтобы суточная АТФ весила как тело.

Сколько ферментов нужно? 79 моль составляют 4,7 × 10²⁵ молекул. Фермент с производительностью 300 в секунду даёт 2,6 × 10⁷ за сутки, значит, нужно около 1,8 × 10¹⁸ постоянно вращающихся ферментов. Это оборот вещества: одновременно АТФ в теле мало, она многократно обновляется.

Когда фермент повреждён

Неподвижная a, через которую проходят протоны, кодируется MT-ATP6 в собственной ДНК митохондрии. MedlinePlus Genetics Национальной медицинской библиотеки США перечисляет болезни, вызванные изменениями этого гена. Около 10 % людей с синдромом Лея, прогрессирующим заболеванием мозга, обычно начинающимся в младенчестве или раннем детстве, имеют изменение MT-ATP6. Чаще всего это замена одной буквы T8993G. Те же изменения могут вызвать более лёгкий NARP: нейропатию, атаксию и пигментный ретинит. В клетке много митохондрий, и тяжесть обычно связана с долей изменённых: типично 70–90 % при NARP и более 90 % при синдроме Лея.

Lai с коллегами в структуре человека 2023 года разместили болезнетворные мутации и нашли большинство на контактах субъединиц, где они могут ослабить всю машину. Экспонат не является медицинским справочником; вопросы здоровья следует обсуждать с врачом.

Что модель опускает

• Формы представляют сглаженные объёмы на местах субъединиц, а не измеренные белковые поверхности из указанных записей PDB.
• Скорость задана модельной плавной кривой через вычисленную остановку. У настоящих ферментов связь силы и скорости сложнее, ротор примерно в 100 раз быстрее.
• При синтезе модель движется малыми шагами на каждый протон. Обратно показывает измеренные на F1 шаги 120°, но не подшаги 90° и 30°; они есть только в опыте с золотым шариком.
• Murphy с коллегами нашли, что головка F1 идёт с ротором первые примерно 30° каждого шага 120° на гибком шарнире. Модель удерживает головку.
• Малые субъединицы у основания стержня нарисованы единым целым; копии синтазы в других сценах имеют одну упрощённую форму.
• Скорости протонных контуров митохондрии, хлоропласта и бактерии и кривая pH V-АТФазы условны. Стехиометрия, 10 и 6 протонов, 12 на O₂, n/3 на АТФ, взята из источников.

Краткая история

• 1929: Karl Lohmann открывает АТФ. Alexander Todd синтезирует её в 1948 году.
• 1939–1941: Fritz Lipmann показывает перенос энергии АТФ по клетке.
• 1957: Jens Skou описывает натрий-калиевый насос.
• 1960: Группа Efraim Racker выделяет фермент из митохондрий.
• 1961: Peter Mitchell предлагает хемиосмотическую идею; Нобелевская премия 1978 года.
• 1966: Jagendorf и Uribe получают АТФ в темноте с помощью кислотной ванны.
• 1974: Racker и Stoeckenius получают АТФ от света в искусственных пузырьках.
• 1994: Abrahams, Leslie, Lutter и Walker определяют структуру F1.
• 1997: Noji с коллегами видят вращение; Boyer, Walker и Skou делят Нобелевскую премию по химии.
• 2001: Yasuda с коллегами различают подшаги 90° и 30°.
• 2004: Itoh с коллегами получают АТФ, вращая F1 магнитами.
• 2010: Watt с коллегами находят c8 у млекопитающих.
• 2015–2023: Крио-ЭМ показывает целые ферменты коровы, дрожжей, бактерий, хлоропластов и человека в состояниях вращения.