stringtranslate.com

Транслокатор аденинового нуклеотида

Транслокатор аденинового нуклеотида ( ANT ), также известный как транслоказа АДФ/АТФ ( ANT ), белок-переносчик АДФ/АТФ ( AAC ) или митохондриальный переносчик АДФ/АТФ, обменивает свободный АТФ на свободный АДФ через внутреннюю митохондриальную мембрану . [1] [2] ANT является наиболее распространенным белком во внутренней митохондриальной мембране и принадлежит к семейству митохондриальных переносчиков . [3]

Свободный АДФ транспортируется из цитоплазмы в митохондриальный матрикс, в то время как АТФ, полученный в результате окислительного фосфорилирования , транспортируется из митохондриального матрикса в цитоплазму , тем самым обеспечивая клетку ее основной энергетической валютой. [4] Транслоказы АДФ/АТФ являются эксклюзивными для эукариот и, как полагают, эволюционировали в ходе эукариогенеза . [5] Человеческие клетки экспрессируют четыре транслоказы АДФ/АТФ: SLC25A4 , SLC25A5 , SLC25A6 и SLC25A31 , которые составляют более 10% белка во внутренней митохондриальной мембране. [6] Эти белки классифицируются как суперсемейство митохондриальных переносчиков .

Типы

У человека существуют три паралогичные изоформы ANT :

Структура

Боковой вид транслоказы, охватывающей внутреннюю митохондриальную мембрану. Шесть α-спиралей обозначены разными цветами. Карман связывания в настоящее время открыт для цитоплазматической стороны и будет связываться с АДФ, транспортируя его в матрикс. (Из PDB : 1OKC ​)
Транслоказа (как молекулярная поверхность, зеленая) видна с обеих сторон липидного бислоя, представляющего внутреннюю митохондриальную мембрану. Левая панель (IM): вид из межмембранного пространства. Белок находится в открытой конформации по отношению к этой стороне. Правая панель (M): вид из матрицы. Белок закрыт по отношению к этой стороне.

Долгое время считалось, что ANT функционирует как гомодимер, но эта концепция была поставлена ​​под сомнение проекционной структурой дрожжевого Aac3p, решенной с помощью электронной кристаллографии, которая показала, что белок был трехкратно симметричным и мономерным, с путем транслокации субстрата через центр. [7] Атомная структура бычьего ANT подтвердила это представление и предоставила первую структурную складку митохондриального носителя. [8] Дальнейшие исследования продемонстрировали, что ANT является мономером в детергентах [9] и функционирует как мономер в митохондриальных мембранах. [10] [11]

Транслоказа АДФ/АТФ 1 является основным ААК в клетках человека и архетипическим белком этого семейства. Он имеет массу приблизительно 30 кДа, состоит из 297 остатков. [12] Он образует шесть трансмембранных α-спиралей , которые формируют ствол, что приводит к глубокому конусообразному углублению, доступному снаружи, где связывается субстрат . Карман связывания, сохраняющийся во всех изоформах , в основном состоит из основных остатков, которые обеспечивают прочное связывание с АТФ или АДФ, и имеет максимальный диаметр 20 Å и глубину 30 Å. [8] Действительно, было показано, что остатки аргинина 96, 204, 252, 253 и 294, а также лизин 38 необходимы для активности транспортера. [13]

Функция

Транслоказа АДФ/АТФ переносит синтезированный в результате окислительного фосфорилирования АТФ в цитоплазму, где он может быть использован в качестве основной энергетической валюты клетки для питания термодинамически неблагоприятных реакций. После последующего гидролиза АТФ в АДФ, АДФ переносится обратно в митохондриальный матрикс, где он может быть рефосфорилирован в АТФ. Поскольку человек обычно ежедневно обменивает эквивалент своей собственной массы АТФ, транслоказа АДФ/АТФ является важным транспортным белком с серьезными метаболическими последствиями. [4] [8]

ANT транспортирует свободные, т.е. депротонированные, не связанные с магнием и кальцием формы АДФ и АТФ в соотношении 1:1. [1] Транспорт полностью обратим, и его направленность регулируется концентрациями его субстратов (АДФ и АТФ внутри и снаружи митохондрий), хелаторами адениновых нуклеотидов и митохондриальным мембранным потенциалом. Связь этих параметров можно выразить с помощью уравнения, решающего «потенциал реверсии ANT» (Erev_ANT), значение митохондриального мембранного потенциала, при котором не происходит чистого транспорта адениновых нуклеотидов ANT. [14] [15] [16] ANT и F0-F1 АТФ-синтаза не обязательно находятся в направленной синхронности. [14]

Помимо обмена АДФ и АТФ через внутреннюю митохондриальную мембрану, ANT также проявляет внутреннюю разобщающую активность [1] [17]

ANT является важным модуляторным [18] и возможным структурным компонентом поры перехода проницаемости митохондрий, канала, участвующего в различных патологиях, функция которого до сих пор остается неясной. Карч и др. предлагают «модель с несколькими порами», в которой ANT является по крайней мере одним из молекулярных компонентов поры. [19]

Механизм транслоказы

В нормальных условиях АТФ и АДФ не могут пересекать внутреннюю митохондриальную мембрану из-за их высоких отрицательных зарядов, но АДФ/АТФ транслоказа, антипортер , связывает транспорт двух молекул. Депрессия в АДФ/АТФ транслоказе попеременно обращена к матриксу и цитоплазматическим сторонам мембраны. АДФ в межмембранном пространстве, поступая из цитоплазмы, связывает транслоказу и вызывает ее выворачивание, что приводит к высвобождению АДФ в матрикс. Связывание АТФ из матрикса вызывает выворачивание и приводит к высвобождению АТФ в межмембранное пространство, впоследствии диффундируя в цитоплазму, и одновременно возвращает транслоказу к ее исходной конформации. [4] АТФ и АДФ являются единственными естественными нуклеотидами , распознаваемыми транслоказой. [8]

Чистый процесс обозначается как:

АДФ 3− цитоплазма + АТФ 4− матрикс → АДФ 3− матрикс + АТФ 4− цитоплазма

Обмен АДФ/АТФ энергетически затратен: около 25% энергии, получаемой при переносе электронов аэробным дыханием , или одного иона водорода , расходуется на восстановление мембранного потенциала , который используется транслоказой АДФ/АТФ. [4]

Транслокатор циклически переходит из одного состояния в другое, называемое цитоплазматическим и матричным, попеременно открываясь в эти отсеки. [1] [2] Существуют структуры, которые показывают, что транслокатор заблокирован в цитоплазматическом состоянии ингибитором карбоксиатрактилозидом , [8] [20] или в матричном состоянии ингибитором бонгкрековой кислотой. [21]

Изменения

Редкие, но тяжелые заболевания, такие как митохондриальные миопатии , связаны с дисфункцией человеческой транслоказы АДФ/АТФ. Митохондриальные миопатии (ММ) относятся к группе клинически и биохимически гетерогенных расстройств, которые имеют общие черты основных митохондриальных структурных аномалий в скелетных мышцах . Основным морфологическим признаком ММ являются рваные красные волокна, содержащие периферические и межмиофибриллярные скопления аномальных митохондрий. [22] [23] В частности, аутосомно-доминантная прогрессирующая наружная офтальмоплегия (adPEO) является распространенным заболеванием, связанным с дисфункцией АДФ/АТФ транслоказы, и может вызывать паралич мышц, отвечающих за движения глаз. Общие симптомы не ограничиваются глазами и могут включать непереносимость физических упражнений, мышечную слабость, дефицит слуха и многое другое. adPEO демонстрирует менделевские модели наследования , но характеризуется крупномасштабными делециями митохондриальной ДНК (мтДНК). мтДНК содержит мало интронов или некодирующих областей ДНК, что увеличивает вероятность вредных мутаций . Таким образом, любая модификация мтДНК транслоказы АДФ/АТФ может привести к дисфункциональному транспортеру, [24] в частности, остаткам, вовлеченным в связывающий карман, что поставит под угрозу эффективность транслоказы. [13] ММ обычно ассоциируется с дисфункцией транслоказы АДФ/АТФ, но ММ может быть вызвана множеством различных митохондриальных аномалий.

Ингибирование

Бонгкрековая кислота

Транслоказа АДФ/АТФ очень специфически ингибируется двумя семействами соединений. Первое семейство, которое включает атрактилозид (ATR) и карбоксиатрактилозид (CATR), связывается с транслоказой АДФ/АТФ с цитоплазматической стороны, запирая ее в открытой конформации цитоплазматической стороны. Напротив, второе семейство, которое включает бонгкрековую кислоту (BA) и изобонгкрековую кислоту (isoBA), связывает транслоказу из матрицы, запирая ее в открытой конформации матричной стороны. [7] Отрицательно заряженные группы ингибиторов прочно связываются с положительно заряженными остатками глубоко внутри связывающего кармана. Высокое сродство ( Kd в наномолярном диапазоне ) делает каждый ингибитор смертельным ядом, препятствуя клеточному дыханию/переносу энергии в остальную часть клетки. [8] Существуют структуры, показывающие, что транслокатор заблокирован в цитоплазматическом состоянии ингибитором карбоксиатрактилозидом , [8] [20] или в матричном состоянии ингибитором бонгкрековой кислотой. [21]

История

В 1955 году Сикевиц и Поттер продемонстрировали, что адениновые нуклеотиды распределены в клетках в двух пулах, расположенных в митохондриальном и цитозольном отсеках. [25] Вскоре после этого Прессман выдвинул гипотезу, что два пула могут обмениваться нуклеотидами. [26] Однако существование транспортера АДФ/АТФ не было постулировано до 1964 года, когда Бруни и др. обнаружили ингибирующее действие атрактилозида на систему передачи энергии (окислительное фосфорилирование) и сайты связывания АДФ митохондрий печени крысы . [27]

Вскоре после этого было проведено огромное количество исследований, доказывающих существование и выяснение связи между транслоказой АДФ/АТФ и транспортом энергии. [28] [29] [30] кДНК транслоказы АДФ/АТФ была секвенирована для крупного рогатого скота в 1982 году [31] и для вида дрожжей Saccharomyces cerevisiae в 1986 году [32], прежде чем Баттини и др. наконец секвенировали клон кДНК человеческого транспортера в 1989 году. Гомология в кодирующих последовательностях между человеческой и дрожжевой транслоказой АДФ/АТФ составила 47%, в то время как последовательности крупного рогатого скота и человека значительно расширились до 266 из 297 остатков, или 89,6%. В обоих случаях наиболее консервативные остатки лежат в субстрат-связывающем кармане АДФ/АТФ. [12]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Клингенберг М (октябрь 2008 г.). «Транспорт АДФ и АТФ в митохондриях и его переносчик». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1778 (10): 1978–2021. дои : 10.1016/j.bbamem.2008.04.011. ПМИД  18510943.
  2. ^ ab Кунджи Э.Р., Александрова А., Кинг М.С., Мажд Х., Эштон В.Л., Серсон Э., Спрингетт Р., Кибальченко М., Тавулари С., Крайтон П.Г., Рупрехт Дж.Дж. (октябрь 2016 г.). «Механизм транспорта митохондриального носителя АДФ/АТФ». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . Каналы и транспортеры в клеточном метаболизме. 1863 (10): 2379–93. дои : 10.1016/j.bbamcr.2016.03.015 . ПМИД  27001633.
  3. ^ Palmieri F, Monné M (октябрь 2016 г.). «Открытия, метаболические роли и заболевания митохондриальных переносчиков: обзор». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . Каналы и транспортеры в клеточном метаболизме. 1863 (10): 2362–78. doi : 10.1016/j.bbamcr.2016.03.007 . hdl : 11563/126168 . PMID  26968366.
  4. ^ abcd Страйер Л., Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. (2007). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. п. 553. ИСБН 978-0-7167-8724-2.
  5. ^ Radzvilavicius AL, Blackstone NW (октябрь 2015 г.). «Конфликт и сотрудничество в эукариогенезе: последствия для сроков эндосимбиоза и эволюции пола». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 12 (111): 20150584. doi :10.1098/rsif.2015.0584. PMC 4614496. PMID  26468067 . 
  6. ^ Brandolin G, Dupont Y, Vignais PV (апрель 1985 г.). «Модификации внутренней флуоресценции изолированного белка-переносчика аденинового нуклеотида, вызванные субстратом: демонстрация различных конформационных состояний». Биохимия . 24 (8): 1991–7. doi :10.1021/bi00329a029. PMID  2990548.
  7. ^ ab Kunji ER, Harding M (сентябрь 2003 г.). "Проекционная структура ингибируемого атрактилозидом митохондриального переносчика АДФ/АТФ Saccharomyces cerevisiae". Журнал биологической химии . 278 (39): 36985–8. doi : 10.1074/jbc.C300304200 . PMID  12893834.
  8. ^ abcdefg Pebay-Peyroula E, Dahout-Gonzalez C, Kahn R, Trézéguet V, Lauquin GJ, Brandolin G (ноябрь 2003 г.). "Структура митохондриального переносчика АДФ/АТФ в комплексе с карбоксиатрактилозидом". Nature . 426 (6962): 39–44. Bibcode :2003Natur.426...39P. doi :10.1038/nature02056. PMID  14603310. S2CID  4338748.
  9. ^ Bamber L, Slotboom DJ, Kunji ER (август 2007 г.). «Дрожжевые митохондриальные переносчики АДФ/АТФ являются мономерными в детергентах, как показано с помощью дифференциальной аффинной очистки». Журнал молекулярной биологии . 371 (2): 388–95. doi :10.1016/j.jmb.2007.05.072. PMID  17572439. S2CID  6153793.
  10. ^ Bamber L, Harding M, Monné M, Slotboom DJ, Kunji ER (июнь 2007 г.). «Митохондриальный переносчик АДФ/АТФ дрожжей функционирует как мономер в митохондриальных мембранах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (26): 10830–4. Bibcode : 2007PNAS..10410830B. doi : 10.1073/pnas.0703969104 . PMC 1891095. PMID  17566106 . 
  11. ^ Кунджи Э.Р., Крайтон П.Г. (март 2010 г.). «Митохондриальные переносчики действуют как мономеры». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1797 (6–7): 817–31. дои : 10.1016/j.bbabio.2010.03.023. ПМИД  20362544.
  12. ^ ab Battini R, Ferrari S, Kaczmarek L, Calabretta B, Chen ST, Baserga R (март 1987). «Молекулярное клонирование кДНК для человеческого носителя АДФ/АТФ, который регулируется ростом». Журнал биологической химии . 262 (9): 4355–9. doi : 10.1016/S0021-9258(18)61355-9 . hdl : 11380/811305 . PMID  3031073.
  13. ^ ab Nelson DR, Lawson JE, Klingenberg M, Douglas MG (апрель 1993 г.). «Сайт-направленный мутагенез дрожжевого митохондриального транслокатора АДФ/АТФ. Шесть аргининов и один лизин являются необходимыми». Журнал молекулярной биологии . 230 (4): 1159–70. doi :10.1006/jmbi.1993.1233. PMID  8487299.
  14. ^ ab Chinopoulos C, Gerencser AA, Mandi M, Mathe K, Töröcsik B, Doczi J, Turiak L, Kiss G, Konràd C, Vajda S, Vereczki V, Oh RJ, Adam-Vizi V (июль 2010 г.). "Прямая работа транслоказы аденинового нуклеотида во время реверсии FOF1-АТФазы: критическая роль фосфорилирования на уровне матричного субстрата". FASEB Journal . 24 (7): 2405–16. doi : 10.1096/fj.09-149898 . PMC 2887268. PMID  20207940 . 
  15. ^ Чинопулос С (май 2011). «Митохондриальное потребление цитозольного АТФ: не так быстро». FEBS Letters . 585 (9): 1255–9. doi : 10.1016/j.febslet.2011.04.004 . PMID  21486564. S2CID  24773903.
  16. ^ Чинопулос C (декабрь 2011 г.). «Пространство B митохондриального фосфорилирования». Журнал исследований нейронауки . 89 (12): 1897–904. doi : 10.1002/jnr.22659 . PMID  21541983. S2CID  6721812.
  17. ^ Брустовецкий Н., Клингенберг М. (ноябрь 1994 г.). «Восстановленный переносчик АДФ/АТФ может опосредовать транспорт H+ свободными жирными кислотами, который дополнительно стимулируется мерсалилом». Журнал биологической химии . 269 (44): 27329–36. doi : 10.1016/S0021-9258(18)46989-X . PMID  7961643.
  18. ^ Дочи Дж., Торочик Б., Эчаниз-Лагуна А., Муссон де Камаре Б., Старков А., Старкова Н., Гал А., Мольнар М.Дж., Кавамата Х., Манфреди Г., Адам-Визи В., Чинопулос С. (май 2016 г.). «Изменения в чувствительности к напряжению переходной поры митохондриальной проницаемости в клетках с дефицитом ANT1». Научные отчеты . 6 : 26700. Бибкод : 2016NatSR...626700D. дои : 10.1038/srep26700. ПМЦ 4879635 . ПМИД  27221760. 
  19. ^ Карч Дж., Браунд М.Дж., Халил Х. и др. Ингибирование перехода митохондриальной проницаемости путем удаления семейства ANT и CypD. Sci Adv. 2019;5(8):eaaw4597. Опубликовано 28 августа 2019 г. doi:10.1126/sciadv.aaw4597
  20. ^ ab Ruprecht JJ, Hellawell AM, Harding M, Crichton PG, McCoy AJ, Kunji ER (январь 2014 г.). "Структуры переносчиков АДФ/АТФ дрожжевых митохондрий поддерживают механизм транспорта с альтернативным доступом на основе доменов". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (4): E426-34. Bibcode : 2014PNAS..111E.426R. doi : 10.1073 /pnas.1320692111 . PMC 3910652. PMID  24474793. 
  21. ^ аб Рупрехт Дж. Дж., Кинг М. С., Зогг Т., Александрова А. А., Пардон Э., Крайтон П. Г., Стейарт Дж., Кунджи Э. Р. (январь 2019 г.). «Молекулярный механизм транспорта митохондриальным переносчиком АДФ/АТФ». Клетка . 176 (3): 435–447.e15. дои : 10.1016/j.cell.2018.11.025. ПМК 6349463 . ПМИД  30611538. 
  22. ^ Harding AE, Petty RK, Morgan-Hughes JA (август 1988). «Митохондриальная миопатия: генетическое исследование 71 случая». Журнал медицинской генетики . 25 (8): 528–35. doi :10.1136/jmg.25.8.528. PMC 1080029. PMID  3050098 . 
  23. ^ Rose MR (январь 1998). «Митохондриальные миопатии: генетические механизмы». Архивы неврологии . 55 (1): 17–24. doi :10.1001/archneur.55.1.17. PMID  9443707. S2CID  36345010.
  24. ^ Кауконен Дж., Юселиус Дж.К., Тиранти В., Киттяля А., Зевиани М., Коми Г.П., Керянен С., Пелтонен Л., Суомалайнен А. (август 2000 г.). «Роль транслокатора адениновых нуклеотидов 1 в поддержании мтДНК». Наука . 289 (5480): 782–5. Бибкод : 2000Sci...289..782K. дои : 10.1126/science.289.5480.782. ПМИД  10926541.
  25. ^ Siekevitz P, Potter VR (июль 1955). «Биохимическая структура митохондрий. II. Радиоактивная маркировка внутримитохондриальных нуклеотидов во время окислительного фосфорилирования». Журнал биологической химии . 215 (1): 237–55. doi : 10.1016/S0021-9258(18)66032-6 . PMID  14392158.
  26. ^ Pressman BC (июнь 1958). «Внутримитохондриальные нуклеотиды. I. Некоторые факторы, влияющие на чистые взаимопревращения адениновых нуклеотидов». Журнал биологической химии . 232 (2): 967–78. doi : 10.1016/S0021-9258(19)77415-8 . PMID  13549480.
  27. ^ Bruni A, Luciani S, Contessa AR (март 1964). «Ингибирование атрактилозидом связывания адениновых нуклеотидов с митохондриями печени крысы». Nature . 201 (1): 1219–20. Bibcode :1964Natur.201.1219B. doi :10.1038/2011219a0. PMID  14151375. S2CID  4170544.
  28. ^ Duee ED, Vignais PV (август 1965). "[Обмен между вне- и внутримитохондриальными адениновыми нуклеотидами]". Biochimica et Biophysica Acta . 107 (1): 184–8. doi :10.1016/0304-4165(65)90419-8. PMID  5857365.
  29. ^ Пфафф Э., Клингенберг М., Хелдт Х.В. (июнь 1965 г.). «Неспецифическое проникновение и специфический обмен адениновых нуклеотидов в митохондриях печени». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 104 (1): 312–5. дои : 10.1016/0304-4165(65)90258-8. ПМИД  5840415.
  30. ^ Сакс ВА, Липина НВ, Смирнов ВН, Чазов ЕИ (март 1976). "Исследования транспорта энергии в клетках сердца. Функциональная связь между митохондриальной креатинфосфокиназой и АТФ-АДФ-транслоказой: кинетические доказательства". Архив биохимии и биофизики . 173 (1): 34–41. doi :10.1016/0003-9861(76)90231-9. PMID  1259440.
  31. ^ Акила Х, Мисра Д, Юлитц М, Клингенберг М (март 1982 г.). «Полная аминокислотная последовательность носителя АДФ/АТФ из митохондрий говяжьего сердца». Zeitschrift für Physiologische Chemie Хоппе-Зейлера . 363 (3): 345–9. дои : 10.1515/bchm2.1982.363.1.345. ПМИД  7076130.
  32. ^ Adrian GS, McCammon MT, Montgomery DL, Douglas MG (февраль 1986). «Последовательности, необходимые для доставки и локализации транслокатора АДФ/АТФ на внутренней мембране митохондрий». Молекулярная и клеточная биология . 6 (2): 626–34. doi :10.1128/mcb.6.2.626. PMC 367554. PMID  3023860 . 

Внешние ссылки