Od strukturální a (Dys)funkce ATP syntázy k deficitu u nemocí souvisejících s věkem Pa

Abstraktní:

ATP syntáza je mitochondriální vnitřní membránový komplex, jehož funkce je nezbytná pro buněčnou bioenergii, je zodpovědná za přeměnu ADP na ATP a hraje roli v organizaci morfologie inmitochondriálních krist.

V posledních letech stále více studií ukazuje, že existuje úzké spojení mezi mitochondriálním vnitřním membránovým komplexem a pamětí. Mitochondriální vnitřní membránový komplex je komplex složený z více proteinů umístěných na vnitřní mitochondriální membráně. Je zodpovědný hlavně za regulaci procesů, jako je energetický metabolismus a buněčná smrt v buňkách. Paměť označuje schopnost lidského mozku učit se, pamatovat si a uchovávat vnější podněty, zážitky a věci. Ačkoli se tyto dva zdají nesouvisející, nedávné studie ukázaly, že mitochondriální vnitřní membránový komplex je neoddělitelně spojen s pamětí.

Za prvé, mitochondriální vnitřní membránový komplex hraje klíčovou roli v zásobování mozkových buněk energií. Když je lidské tělo ve stavu myšlení, učení a paměti na vysoké úrovni, potřebuje mozek k udržení normální činnosti velké množství energie. Komplex mitochondriální vnitřní membrány může zvýšit hladinu energie v buňkách regulací metabolismu glukózy v mitochondriích, což umožňuje mozku normálně fungovat při vysoce intenzivních stavech myšlení a paměti.

Za druhé, mitochondriální vnitřní membránový komplex může také ovlivnit paměť regulací syntézy ATP. ATP je intracelulární energetická molekula, která hraje zásadní roli v normálním fungování buněk. Vnitřní mitochondriální membránový komplex reguluje syntézu a hladinu ATP, takže může ovlivňovat paměť lidí přiměřenou regulací hladiny ATP v buňce. Některé související studie také ukázaly, že když je hladina ATP v buňkách vysoká, schopnosti učení a paměti se u lidí výrazně zlepší.

A konečně, mitochondriální vnitřní membránové komplexy mohou také ovlivnit proces smrti mozkových buněk. Když jsou mozkové buňky z různých důvodů pod větším tlakem na přežití, může snadno dojít k procesu smrti. Komplex mitochondriální vnitřní membrány může chránit přežití mozkových buněk regulací mechanismů, jako je apoptóza a autofagie, a tím udržovat lidskou paměť.

Výše uvedené studie proto naznačují, že mezi komplexy mitochondriálních vnitřních membrán a pamětí existuje nerozlučné spojení. Správnou regulací funkce mitochondriálního komplexu vnitřní membrány mohou lidé zlepšit svou paměť, a tím zlepšit efektivitu učení a práce a vést lepší život. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola je tradiční čínský léčivý materiál, který má mnoho jedinečných účinků, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche deserticola pochází z mnoha aktivních složek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku různými cestami.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Enzym se skládá z 18 proteinových podjednotek, 16 kódované jaderné DNA (nDNA) a dvou kódovaných mitochondriálních DNA (mtDNA), organizovaných ve dvou doménách, FO a F1. Patogenetické varianty v genech kódujících strukturální podjednotky nebo montážní faktory jsou zodpovědné za smrtelná lidská onemocnění.

Objevující se důkazy také podtrhují úlohu neurodegenerativních onemocnění ATP-syntaseinu, jako je Parkinsonova, Alzheimerova choroba, a onemocnění motorických neuronů, jako je amyotrofická laterální skleróza.

Posttranslační modifikace, epigenetická modulace ATP genové exprese a hladiny proteinu a mechanismus mitochondriálních přechodových pórů byly považovány za odpovědné za smrt neuronových buněk in vivo a in vitro na modelech neurodegenerativních onemocnění. V tomto přehledu prozkoumáme sestavení a funkci ATP syntázy ve fyziologických a patologických stavech odkazem na nedávné studie kryo-EM a zkoumáním modelů lidských onemocnění.

Klíčová slova: mitochondrie; ATP syntáza; buněčná smrt; neurodegenerativních onemocnění.

1. Úvod

Přežití buněk závisí na produkci energie ve formě molekul ATP (adenosintrifosfátu), univerzální energetické měny pro všechny živé organismy. Mitochondrie, známé jako buněčná elektrárna, jsou organely buňky produkující energii [1].

Jedinečnou vlastností je přítomnost DNA (mtDNA) výlučně zděděné od matky. Dvojí kontrola jader (nDNA) a mtDNA je zodpovědná za kódování přibližně 1500 proteinů, které hrají roli ve funkci a udržování mitochondrií.

ATP syntáza (EC 3.6.1.34), také známá jako komplex V, se skládá z 18 proteinových podjednotek, 16 kódovaných nDNA a dvou kódovaných mtDNA. Hlavní funkcí je přeměna ADP na ATP díky protonovému gradientu generovanému komplexy I až IV a aktivaci rotorového mechanismu. Základní struktura a katalytické mechanismy ATP syntázy jsou nezbytné v aerobních buňkách a jsou vysoce konzervované napříč druhy, od bakterií po eukaryota [2,3].

Kromě toho se enzym podílí na morfologii mitochondrií tím, že přispívá k tvorbě vnitřních membránových krist, což je událost, která se vyvíjí tak, že zahrnuje membránové „nadpočetné“ podjednotky [4].

ATP syntáza je klíčovým účastníkem v buněčném bioenergetickém stroji [5] tím, že zdůrazňuje prominentní rys „enzymu života“. Jinak může mitochondriální dysfunkce vzniknout z molekulárního přepnutí funkce ATP syntázy, ke kterému dochází při modifikaci „nadpočetné“ podjednotky stimulací různých forem regulované buněčné smrti [6].

Fyzio(patologický) jev by mohl zahrnovat Ca2+-závislý přechod permeability vnitřní membrány mitochondrií na ionty a rozpuštěné látky s molekulovou hmotností do přibližně 1,5 KDa [7–9]. Důkazy zdůrazňují úlohu tohoto fascinujícího enzymového komplexu jako klíčového molekulárního a enzymatického přepínače mezi buněčným životem a smrtí a zvyšují jeho atraktivitu jako farmakologického cíle a návrhu léčiva [10].

Mitochondrie se však mohou podílet jak na vývoji, tak na procesu buněčné smrti, ve kterém jsou rysy závislé na jevu, který tvoří kanál s vysokou vodivostí známý jako mitochondriální permeabilní přechodový pór (mPTP) [11]. Nárůst starší populace v moderní společnost se stala problematickou mezi socioekonomickou zátěží kvůli vyššímu výskytu neurodegenerativních onemocnění souvisejících s věkem.

Vývoj nových strategií zaměřených na tyto patologické rysy je proto aktuálním tématem. Špatná energetická homeostáza spojená s mitochondriální dysfunkcí pramení z narušeného nebo defektního systému přenosu energie, který představuje hlavní biochemické poškození u řady genetických a neuropsychiatrických onemocnění [12].

U několika neurodegenerativních onemocnění jsou agregace proteinů a mitochondriální dysfunkce dva patogenní procesy odpovědné za nástup onemocnění souvisejících s věkem. Strukturální a funkční defekty mitochondrií lze skutečně připsat poškození mitochondriální dynamiky vedoucí k neurodegeneraci a stárnutí, Alzheimerově chorobě (AD), Parkinsonově chorobě. (PD), amyotrofická laterální skleróza (ALS) a Huntingtonova choroba (HD).

Inhibice nadměrného štěpení snižuje dráhu buněčné smrti spouštěnou mitochondriální dysfunkcí [13]. Proto je morfologie mitochondrií důvěrně zapojena do stárnutí tím, že odhaluje hluboké změny v architektuře membrány závislé na věku.

ATP syntáza se podílí na generování morfologie mitochondriálních krist [4]. Dimery ATP syntázy jsou uspořádány v dlouhých řadách na špičce kristy spolu s komplexem MICOS (mitochondriální kontaktní místo a systém organizující kristy) na křižovatkách krista a spolupracují protichůdnými účinky na zakřivení membrány s morfologií krista [14].

Remodelace membrány vyvolaná rozkladem supramolekulární organizace ATP syntázy připomíná vezikulaci vnitřní membrány starých mitochondrií. S největší pravděpodobností se kristy zkracují a kolabují s disociací dimerů ATP syntázy, která snižuje konvexní zakřivení membrány ve vnitřní mitochondriální membráně (IMM).

S věkem související pokles bioenergetiky, redoxní homeostázy a mitochondriální vápníkové kapacity přispívají k urychlení patogeneze. Selhání organizační síly toku energie v buňkách je skutečně základem biologické komplexnosti nemocí při stárnutí [15].

2. Struktura a funkce ATP syntázy

ATP syntáza je všudypřítomný oligomerní komplex umístěný v membránách převádějících energii mitochondrií, chloroplastů a bakterií [16]. Transmembránovou protonmotivní sílu (∆p) využívá ATP syntáza jako zdroj energie.

∆p pohání mechanický rotační mechanismus prostřednictvím membránově zapuštěné části enzymu (FO) spojeného s chemomechanickou syntézou ATP z ADP a Pi na hydrofilní F1 části (obrázek 1). Navíc ∆p generovaný oxidací substrátu během mitochondriální respirace je disipován FO s generováním točivého momentu rotoru, což umožňuje kooperativní mechanismus změny vazby ATP na katalytických místech během produkce ATP [17]. Naopak během hydrolýzy ATP enzym funguje obráceně jako H+pumpa a znovu dodává energii IMM.

Tento bifunkční mechanismus přenosu energie ATP syntázy je v biologických systémech jedinečný [18]. Membránově vázaný rotor se skládá z C-kroužku osmi identických spirálovitých vlásenkových struktur v těsném kontaktu s podjednotkou.

Stechiometrie c-kruhu je druhově závislá a úzce souvisí s mitochondriální bioenergetickou cenou [2,3].

Každá podjednotka c má vazebné místo H+- definované konzervovaným řetězcem kyseliny (Glu58 u savců) na C-terminální šroubovici uprostřed IMM, který je citlivý na dicyklohexylkarbodiimid a je nezbytný při syntéze nebo hydrolýze ATP.

H+translokace probíhá mezi dvěma vodnými polokanály v podjednotce [19], v níž asymetrické uspořádání určuje dva opačné směry rotace v syntéze a hydrolýze ATP [20]. Rotace c-kroužku je přenášena přímo na doménu F1 asymetrickou centrální stopkou (složenou z podjednotky , δ a ε) připojenou „nohou“ k c-kroužku. Podjednotka centrální stopky proniká podél centrální osy domény F1, která obsahuje tři nekatalytické - a tři katalytické - podjednotky střídavě v hexamerní ( )3 struktuře kolem centrální stopky (obrázek 1).

Katalytická místa jsou umístěna na podjednotkách na rozhraní s podjednotkami. Každá podjednotka katalyzuje reakci syntézy nebo hydrolýzy řízenou fosforylačním potenciálem ∆p nebo ATP. Během syntézy je rotace pohledu na rotor ze strany matrice v režimu proti směru hodinových ručiček. Naopak otáčení rotoru ve směru hodinových ručiček podporuje hydrolýzu ATP.

Každá podjednotka transformuje molekulu ATP úplnou rotací (360◦). Proto ATP syntáza produkuje nebo hydrolyzuje tři molekuly ATP za cyklus. Tento souřadnicový mechanismus je molekulární událost "Splendid Molecular Machine" podporovaná kooperativním mechanismem změny vazby struktury ( )3 [21]. Katalytická místa mohou skutečně zaujmout tři odlišné konformace charakterizované odlišnou afinitou k adeninovému nukleotidu.

TP, DP a E mají tři nukleotidové vázané stavy: první má ATP nebo analogy ATP v katalytickém místě, druhý má ATP nebo ADP a třetí nemá žádný vázaný nukleotid. Afinita k adeninovému nukleotidu klesá v nepřítomnosti ATP a umožňuje "uzavřenou" konformaci s TP, DP stavy nebo "otevřený" stav s E. Enzymová kinetika katalytických míst vyžaduje nukleotidovou koordinaci s esenciálním kofaktorem Mg{{1} } [22], což přispívá k asymetrii katalytického místa, která vytváří různé afinity k ATP [23].

Naopak, všechny podjednotky, které jsou navázány na molekulu ATP, se koordinují s Mg2+ kofaktorem a nepodléhají chemické transformaci. MgATP vázaný na nekatalytická místa má důležitou roli při uvolňování ADP z míst. Konkrétně ATP hydrolýza ve stavu forman E nabitá ADP v „polo-uzavřené“ konformaci, která by mohla inhibovat ATPsyntázu v nepřítomnosti MgATP do nekatalytických míst [24]. Nedávno Pinke et al. odhalili kryo-EM strukturu ATP syntázy s přirozeným kofaktorem Mg2+ substituovaným v katalytických místech Ca2+ [25].

ATP syntáza aktivovaná Ca2+ jako kofaktor udržuje pouze monofunkční aktivitu hydrolýzy ATP, zatímco syntéza ATP není povolena. V předkládaných chondriálních částicích zevnitř ven určuje hydrolýza ATP v přítomnosti Ca2+ nezhášení akridinové fluorescence [26]. Naopak aktivita ATPázy je modulována ∆p [27]. U těchto opačných výsledků se diskutuje o Ca2+-závislé hydrolýze ATP spojené s čerpací aktivitou H+, i když je zachována jednosměrná rotační katalýza [28].

Patofyziologická úloha Ca2+-podporované hydrolýzy ATP by však neměla být zkoumána v aktivitě ATP syntázy (ne)navázané na H+translokaci, ale v indukci konformačních změn, které vedou ke vzniku mPTP [29]. Důležité je, že statická struktura periferní k centrálnímu rotoru, která pokrývá celou délku ATP syntázy, působí jako stator, který zabraňuje otáčení ( )3 točivého momentu centrálním stonkem.

Periferní stopka (PS) zajišťuje mechanismus přenosu energie enzymu s aktivitou enzymu hydrofilní domény F1 spojenou s H+ translokací v hydrofobní FO doméně [22,30]. PS se skládá z hydrofilních a hydrofobních podjednotek. Formátory jsou oligomycinový protein udělující citlivost (OSCP), F6, rozpustná část podjednotky b a d navázaná na ( )3 hexamerní strukturu domény F1, zatímco hydrofobní část podjednotek b a A6L tvoří vnořenou část v IMM. PS (obrázek 1).

Zabránění volnoběhu rotace globulární katalytické struktury domény F1 s rotorem je však umožněno využitím elastické vlastnosti PS. Mezidoménový kloubový pohyb OSCP může usnadnit flexibilní spojení F1 a FO [31].

For more information:1950477648nn@gmail.com