Использование комбинированных подходов математического моделирования для описания каталитического цикла F0F1-АТФсинтазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат физико-математических наук Машковцева, Елена Валерьевна

• Машковцева, Елена Валерьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Машковцева, Елена Валерьевна

Оглавление.

Список сокращений.

Введение.

Научная новизна работы.

Глава I. Описание особенностей структуры и молекулярных механизмов каталитического цикла протонной АТФ-синтазы Б-типа.

1.1. Преобразование энергии в живой клетке.

1.2. Описание структуры р0р1-АТФсинтазы (на примере фермента из Е.соН).

1.2.1. Структура фактора Бь катализирующего синтез и гидролиз АТФ.

1.2.1.1. Строение каталитических участков а- и (З-субъединиц фактора Р].

1.2.1.2. Строение у-субъединицы из центральной ножки фактора

1.2.1.3. Минорные субъединицы Б].

1.2.2. Структура фактора Р0.

1.2.2.1. Структура а-субъединицы.

1.2.2.2. Структура 6-субъединицы.

1.2.2.3. Структура с-субъединицы.

1.3. Каталитический цикл РоРгАТФсинтазы.

1.3.1. Гипотеза Бойера.

1.3.2. Гидролиз АТФ.

1.3.3. Вращение в процессе каталитического цикла.

1.4. Особенности строения РоРгАТФсинтазы митохондрий млекопитающих.

1.5. Влияние различных химических соединений на активность Р0р1-АТФсинтазы.

1.6. Изменение активности РоРгАТФсинтазы при различных патологических состояниях.

1.7. Математическое описание каталитического цикла РсД^-АТФсинтазы и анализ существующих моделей.

Глава II. Количественная оценка времени переноса протонов через мембранные полуканалы РоРгАТФсинтазы.

2.1. Определение вероятного расположения протонных полуканалов в Р0 факторе РоРгАТФсинтазы по данным литературы.

2.2. Возможности оценки среднего времени перемещения протонов в пространстве полуканалов с использованием квантово-механического подхода.

2.3. Применение диффузионного подхода к описанию движения протонов по полуканалам РоРгАТФсинтазы на примере внешнего полуканала.

2.4. Математическое описание протонирования/депротонирования существенных отрицательно заряженных аминокислотных остатков с-субъединиц р0р1-АТФсинтазы в процессе ее каталитического цикла.

Глава III. Описание вращения подвижных субъединиц РоРгАТФсинтазы в процессе ее каталитического цикла с помощью уравнений классической механики.

3.1. Постановка задачи и описание модели вращения ротора Р0Р1 -АТФсинтазы.

3.1.1. Физическая постановка задачи вращения подвижных белковых субъединиц РоРгАТФсинтазы.

3.1.2. Применение динамики вращательного движения для описания вращения ротора РоРгАТФсинтазы.

3.2. Количественное описание динамики вращения ротора р0р1-АТФсинтазы с учетом различных значений параметров модели.

3.2.1. Применимость принципов классической механики для описания вращения ротора РоРгАТФсинтазы.

3.2.2. Теоретическое решение уравнения динамики вращения ротора при отсутствии воздействия внешних сил.

3.2.3. Влияние упругости центральной ножки на параметры вращения ротора РоРг АТФсинтазы.

3.2.4. Влияние вязкости мембраны на вращение ротора РоРгАТФсинтазы.

Глава IV. Моделирование каталитического процесса РоРгАТФсинтазы, происходящего на р-субъединицах, с использованием методов Монте-Карло.

4.1. Количественные оценки вероятностей состояний р-субъединиц фактора Р[ в процессе каталитического цикла.

4.2. Создание алгоритма для описания последовательности конформационных состояний каталитических Р-субъединиц фактора Р].

Глава V. Компьютерное моделирование синтеза и гидролиза АТФ в митохондриях Р0Р1-АТФсинтазами.

5.1. Оценка параметров катализа с помощью компьютерной программы РАвН по вероятностной схеме.

5.2. Расчет синтеза/гидролиза АТФ в реальной системе на примере отдельных клеток и тканей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование комбинированных подходов математического моделирования для описания каталитического цикла F0F1-АТФсинтазы»

Одной из сложнейших задач современного этапа развития биологической науки является соединение воедино нескольких отдельных направлений исследований живых объектов с целью получения наиболее полной картины изучаемого явления. В сущности, существует множество физико-химических методов, которые позволяют получить довольно подробную информацию об отдельных составляющих целого процесса, однако важнейшим результатом любого подобного исследования является интеграция полученного знания в общую картину представлений о природе изучаемой системы. В этом смысле наиболее перспективными являются направления, позволяющие анализировать различные подходы к описанию биологического объекта и представлять подробное описание принципов его устройства и управления. Одним из примеров необходимости объединения различных подходов можно считать совместное использование данных о структуре и кинетических свойствах белков. На сегодняшний день существуют обширные базы, хранящие информацию о результатах исследования структуры белков, выполненные с высокой точностью (до 1.5-2 А). В то же время, структурные данные не дают представления о кинетике протекания процессов, поскольку из расположения существенных аминокислотных остатков не следует непосредственно величина кинетических констант скоростей элементарных стадий каталитического цикла. Решение задачи докинга молекулы в активном центре позволяет получать только константы равновесия для образования комплекса белка с химическими соединениями, что, очевидно, еще не является представлениями о кинетике процесса.

С другой стороны, метод ферментативной кинетики, по сути, представляет собой лишь удачный способ осмысленного фитинга экспериментальных данных. Полученные кинетические параметры имеют глубокий физический смысл, однако лишь частично отражают способность отдельной молекулы белка превращать субстрат реакции в ее продукт. Более того, в условиях сложной регуляции простой кинетический подход к описанию процесса может приводить даже к, неверной интерпретации результатов экспериментов.

Все вышеперечисленное становится особенно важным при рассмотрении совокупности метаболических реакций. В подобной ситуации необходимо использовать достаточно точный и в то же время достаточно лабильный подход, позволяющий оперативно учитывать множество регуляторных факторов системы.

Одним из ключевых разделов метаболизма живых клеток является преобразование энергии в ходе окислительно-восстановительных реакций и мембранного транспорта. Важнейшую роль в эффективности функционирования энергопроизводящей системы клеток играет АТФсинтаза. Полученная энергия в форме АТФ необходима для протекания всех процессов в живых организмах, от деления до апоптоза. Однако, несмотря на значительные успехи структурной биологии в последние годы, точный механизм функционирования основного энергосинтезирующего фермента клетки до сих пор не детализирован. Обилие разрозненных структурных и функциональных данных не позволило сформулировать единой теории накопления и преобразования энергии, а также объяснить крайне высокую эффективность молекулярного мотора Р0РгАТФсинтазы. Высокая степень интеграции фермента с мембраной не позволяет непосредственно исследовать многие параметры его функционирования. Вместе с тем, сложность механизма его работы также осложняет процесс моделирования синтеза/гидролиза АТФ. Накопление и преобразование механической энергии вращения в энергию макроэргической связи АТФ ограничивает применение простого кинетического подхода, при этом описание структурных особенностей фермента не объясняет обратимости катализа. В настоящей работе предложена универсальная модель, описание закономерностей которой позволит частично разрешить подобное противоречие на примере одного из самых известных мембранных белков —

FoFi-АТФсинтазы. Сочетая известные данные о структуре с продуманным последовательным алгоритмом элементарных событий, происходящих в ходе каталитического цикла данного белка, удается создать компьютерный симулятор активности отдельной молекулы АТФсинтазы и на основании подобных результатов получить количественные оценки суммарного синтеза и гидролиза АТФ в тканях.

Реализованный в данной работе подход можно без преувеличения считать одной из первых попыток создания инновационного направления в описании ферментативных реакций в рамках системной биологии.

Научная новизна работы

Впервые разработана универсальная модель, позволяющая на основе известных данных о структуре и предполагаемых принципах работы интегрального мембранного белка, описывать его полный каталитический цикл и получать временные зависимости изменения концентраций субстратов и продуктов. На основе предложенной модели впервые был создан алгоритм, позволяющий симулировать как гидролиз АТФ, так и его синтез АТФсинтазой, а также получать количественные характеристики этих процессов в тканях. Принципы построения модели и структура алгоритма позволяет адаптировать используемые параметры для различных биологических систем, что значительно расширяет возможности применимости предложенного в работе подхода.

С использованием результатов моделирования разработано оригинальное программное обеспечение (программный пакет PASH ver. 1.0), позволяющее проводить компьютерную симуляцию полного повторяемого каталитического цикла АТФсинтазы в различных условиях. Преимуществом предложенного программного продукта является сочетание детализированного описания элементов структуры мембранного белка и низкие требования к вычислительным мощностям используемых компьютеров.

Цель работы: Построить универсальную модель, описывающую каталитический цикл Р0Р]-АТФсинтазы, и на ее основе разработать программное обеспечение, имитирующее активность данного белка при различных условиях.

Задачи работы:

1. Получить количественную оценку времени перемещения протонов через мембрану в полуканалах Р0Б] -АТФсинтазы;

2. На основе уравнений динамики рассчитать основные характеристики поворота (период вращения и моменты сил) для подвижных белковых частей Р0РгАТФсинтазы;

3. Используя вероятностные алгоритмы, получить количественные оценки процессов гидролиза и синтеза АТФ на каталитических сайтах отдельного фермента;

4. На основе полученных результатов моделирования составить алгоритм описания последовательности элементарных событий в ходе полного каталитического цикла Р0Р1 -АТФсинтазы;

5. Формализовать предложенный алгоритм в виде независимого программного обеспечения;

6. Провести сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментально полученными характеристиками синтеза и гидролиза АТФ в различных тканях, происходящего с участием* Р0РГ АТФсинтазы.

Практическая значимость работы;

Разработанное программное обеспечение на основе предложенного алгоритма описания каталитического цикла р0р!-АТФсинтазы позволяет в рамках исследовательской лаборатории на основе структурных данных и параметров экспериментальной системы получать информацию о количественных характеристиках синтеза и гидролиза АТФ в клетках и тканях. Условия проведения подобной компьютерной симуляции могут быть очень точно адаптированы к неоднородностям оцениваемой системы по измеримым параметрам (вязкость мембран, количество и положение зарядов в белке и т.д.). Подобная адаптация является крайне необходимой для оценки функционирования нативных тканей (органов), что открывает возможности в оценке энергообеспечения клеток организма без проведения дорогостоящих инвазивных процедур. Особенность предложенного алгоритма состоит еще и в том, что осуществление виртуального эксперимента в программном пакете PASH не требует существенных вычислительных мощностей и, следовательно, позволяет значительно снизить временные и финансовые затраты на оценку аналогичных показателей in vivo. В результате применения данного подхода к описанию' функционирования фермента могут быть выявлены важные закономерности, последующая экспериментальная проверка которых позволит уточнить известные данные о механизмах образования энергии, что имеет большое значение в исследовании патогенеза и современных методов терапии ряда заболеваний. Упомянутая универсальность и низкая ресурсозатратность разработанного программного обеспечения дают возможность интеграции с другими компьютерными продуктами для одновременного моделирования множества происходящих в живой клетке процессов.

Апробация работы

Материалы диссертации изложены и обсуждены на конференции, посвященной 40-летию медико-биологического факультета РГМУ (г. Москва,

2003 г.), на 13 Европейской биоэнергетической конференции (г. Пиза, Италия,

2004 г.), на XI Российском национальном конгрессе "Человек и лекарство» (Москва, 2004 г.), на международной конференции «Митохондрии, от молекулярного подхода к физиологии и патологии» (г. Бари, Италия, 2005 г.), на 14 Европейской биоэнергетической конференции (г. Дублин, Ирландия, 2008 г.), на 13 конференции Международной исследовательской группы по системной биологии (г. Эльсинор, Дания, 2008 г.), на 9 международной конференции по системной биологии (г. Гетеборг, Швеция, 2008 г.), на 14 конференции Международной исследовательской группы по системной биологии (г. Владимир, Россия, 2010 г.).

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Машковцева, Елена Валерьевна

Выводы

1. С использованием комбинированных методов математического моделирования построена универсальная модель, описывающая совокупность элементарных процессов, происходящих на белковых субъединицах АТФсинтазы.

2. На основе предложенной физической модели, базирующейся на данных рентгеноструктурного анализа, сформулирован алгоритм, представляющий полный каталитический цикл исследуемого белка.

3. Разработано независимое программное обеспечение, позволяющее проводить компьютерные эксперименты, описывающие синтез и гидролиз АТФ моделируемым белком при различных условиях.

4. Показано, что реализация предложенного подхода позволяет без дополнительных условий с помощью компьютерной симуляции получать экспериментально измеримые характеристики исследуемой системы в условиях обратимости процессов, происходящих на АТФсинтазе.

5. На основе сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными продемонстрирована возможность использования разработанного программного продукта для получения количественных характеристик энергетического обеспечения тканей живого организма.

Заключение

Представленный в данной работе алгоритм позволяет описывать полный каталитический цикл Р0РгАТФсинтазы и получать временные зависимости изменения концентраций субстратов и продуктов. Принципы построения модели и структура алгоритма позволяет адаптировать используемые параметры для различных биологических систем, что значительно расширяет возможности применимости предложенного в работе подхода. Разработанное программное обеспечение позволяет не только проводить моделирование в узкоспециализированных условиях, но и рассматривать самые различные задачи, необходимые для оценки энергетического состояния клетки, а сочетание детализированного описания элементов структуры мембранного белка и низкие требования к вычислительным мощностям используемых компьютеров делают предложенный программный продукт универсальным. Еще одним важным преимуществом представленного подхода является возможность инкорпорировать результаты моделирования в более сложные многокомпонентные модели более высокого уровня. Отметим также, что проведение виртуальных экспериментов при разных значениях параметров непосредственно моделирует флуктуацию условий биологической системы, и подобные результаты могут быть получены с уже существующим программным обеспечением без дополнительных модификаций. Таким образом, следующей перспективной задачей в данном направлении исследования можно считать разнообразное приложение разработанного алгоритма к экспериментальным системам и его дополнение и уточнение за счет процедур, программирующих регуляцию синтеза АТФ на различных уровнях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Машковцева, Елена Валерьевна, 2010 год

1. Безбородкина, H., Оковитый, C.B., Кудрявцева, М.В., Кирик, О.В., Зарубина,И.В., Кудрявцев, Б. (2008). Морфометрия митохондриального аппарата гепатоцитов нормальной и цирротически измененной печени крыс. Цитология 50 (3), 228-236

2. Досон, Р., Эллиот, Д., Эллиот, У., Джонс, К. (1991). Справочник биохимика. Москва: Мир

3. Кьюмерле Х.П., Б.К. (1987). Клиническая фармакология при беременности (в 2-х т.)

4. Нарциссов, Я., Машковцева, Е. (2005). Математическая модель механо-конформационных изменений в интегральных мембранных белковых комплексах FOFl-АТФсинтазы. Биофизика 50 (6), 1048-1054

5. Привалов, П. (1968). Вода и ее роль в биологических системах. Биофизика 13 (1), 163-177

6. Романовский, Б. (2000). Современный катализ: наука или искусство? Соросовский образовательный журнал 9, 43-48

7. Романовский, Ю., Тихонов, А. (2010). Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФсинтаза вращающийся молекулярный мотор. Успехи физических наук 180 (9), 931-956

8. Скулачев В.П., К.И. (1977). Протонные аденозинтрифосфатазы: молекулярные биологические генераторы тока. Москва: Наука

9. Скулачев, В. (1989). Биохимия мембран: Учеб.пособ. для биол.и мед.-биол.спец. вузов. Москва: Высшая школа

10. Скулачев, В. (1989). Биоэнергетика биологических мембран. Москва: Наука

11. П.Тихонов, А. (1997). Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке. Соросовский образовательный журнал 7, 10-17

12. Фершт, Э. (1980). Структура и механизм действия ферментов. Москва: Мир

13. H.Abrahams, J.P., Leslie, A.G., Lutter, R., Walker, J.E. (1994). Structure at 2.8 A resolution of Fl-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature JT -Nature 370 (6491), 621-628

14. Alkorta, I., Elguero, J. (2006). Theoretical models of directional proton molecular transport. Org Biomol Chem JT Organic & biomolecular chemistry 4 (16), 3096-3101

15. Altendorf, K., Stalz, W., Greie, J., Deckers-Hebestreit, G. (2000). Structure and function of the F(o) complex of the ATP synthase from Escherichia coli.

16. J Exp Biol JT The Journal of experimental biology 203 (Pt 1), 19-28i

17. Angevine, C.M., Fillingame, R.H. (2003). Aqueous access channels in subunit a of rotary ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 278 (8), 6066-6074

18. Arnold, I., Pfeiffer, K., Neupert, W., Stuart, R.A., Schagger, H. (1998). Yeast mitochondrial FlFO-ATP synthase exists as a dimer: identification of three dimer-specific subunits. EMBO J JT The EMBO journal 17 (24), 7170-7178

19. Arselin, G., Vaillier, J., Graves, P.V., Velours, J. (1996). ATP synthase of yeast mitochondria. Isolation of the subunit h and disruption of the ATP 14 gene. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 271 (34), 20284-20290

20. Bakhtiari, N., Lai-Zhang, J., Yao, B:, Mueller, D.M. (1999). Structure/function of the beta-barrel domain of F l -ATPase in the yeast Saccharomyces cerevisiae: J Biol Chem JT The Journal of biological chemisUy 274(23), 16363-16369

21. Bald, D., Noji, H., Yoshida, M., Hirono-Hara, Y., Hisabori, T. (2001). Redox regulation of the rotation of F(1 )-ATP synthase. J Biol Chem JT -The Journal of biological chemistry 276 (43), 39505-39507

22. Boyer, P.D. (1997). The ATP synthase--a splendid molecular machine. Annu Rev Biochem JT Annual review of biochemistry 66717-749

23. Boyer, P.D. (2002). A research journey with ATP synthase. J Biol Chem JT- The Journal of biological chemistry 277 (42), 39045-39061

24. Boyer, P.D. (1993). The binding change mechanism for ATP synthase--some probabilities and possibilities. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1140 (3), 215-250

25. Boyer, P.D. (1979) In Membrane Bioenergetics, (eds. C. P. Lee, G. Schatz and L. Ernster), pp. 461. Addison-Wesley, Reading, MA

26. Buzhynskyy, N., Sens, P., Prima, V., Sturgis, J.N., Scheuring, S. (2007). Rows of ATP Synthase Dimers in Native Mitochondrial Inner Membranes. Biophys J JT Biophysical Journal 93 (8), 2870-2876

27. Cain, K., Partis, M.D., Griffiths, D.E. (1977). Dibutylchloromethyltin chloride, a covalent inhibitor of the adenosine triphosphate synthase complex. Biochem JJT The Biochemical journal 166 (3), 593-602

28. Capaldi, R.A., Schulenberg, B., Murray, J., Aggeler, R. (2000). Cross-linking and electron microscopy studies of the structure and functioning of the Escherichia coli ATP' synthase. J Exp Biol JT The Journal of experimental biology 203 (Pt 1), 29-33

29. Cherepanov, D.A., Junge, W. (2001). Viscoelastic "dynamics of actin filaments coupled to rotary F-ATPase: curvature as an indicator of the torque. Biophys JJT Biophysical journal 81 (3), 1234-1244 c

30. Cherepanov, D.A., Mulkidjanian, A.Y., Junge, W. (1999). Transient accumulation of elastic energy in proton translocating ATP synthase. FEBS Lett JT FEBS letters 449 (1), 1-6

31. Claggett, S.B., Grabar, T.B., Dunn, S.D., Cain, B.D. (2007). Functional Incorporation of Chimeric b Subunits into FIFo ATP SynthaseB-i'. J Bacteriol JT Journal of Bacteriology 189 (15), 5463-5471

32. Cross, R.L., Nalin, C.M. (1982). Adenine nucleotide binding sites on beef heart F1-ATPase. Evidence for three exchangeable sites that are distinct from three noncatalytic sites. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 257 (6), 2874-2881

33. Das, A.M. (2003). Regulation of the mitochondrial ATP-synthase in health and disease. Mol Genet Metab JT Molecular genetics and metabolism 19 (2), 71-82

34. Das, A.M., Harris, D.A. (1992). Mitochondrial ATP synthase regulation in heart: defects in hypertension are restored after treatment with captopril. Cardioscience JT Cardioscience 3 (4), 227-232

35. Dickson, V.K., Silvester, J.A., Fearnley, I.M., AGW, L., Walker, J.E. (2006). On the structure of the stator of the mitochondrial ATP synthase. EMBOJJT The EMBO Journal 25 (12), 2911-2918

36. Dimroth, P., C, v.B., Meier, T. (2006). Catalytic and mechanical cycles in F-ATP synthases: Fourth in the Cycles Review Series. EMBO Rep JT EMBO Reports 7 (3), 276-282

37. Dmitriev, O.Y., Fillingame, R.H. (2007). The rigid connecting loop stabilizes hairpin folding of the two helices of the ATP synthase subunit c. Protein Sci JT Protein Science : A Publication of the Protein Society 16 (10), 2118-2122

38. Dmitriev, O., Jones, P.C., Jiang, W., Fillingame, R.H. (1999). Structure of the membrane domain of subunit b of the Escherichia coli F0F1 ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 274 (22), 15598-15604

39. Drapier, D., Rimbault, B., Vallon, O., Wollman, F.A., Choquet, Y. (2007). Intertwined translational regulationsset uneven stoichiometry of chloroplast ATP synthase subunits. EMBO J JT-. The EMBO Journal 26 (15), 3581 -3591

40. Duchen, M.R. (1999). Contributions of mitochondria to animal physiology: from homeostatic sensor to calcium signalling and cell death. J Physiol JT -The Journal of physiology 516 ( Pt 1)1-17

41. Elston, T., Wang, H., Oster, G. (1998). Energy transduction in ATP synthase. Nature JT Nature 391 (6666), 510-513

42. Erecinska, M:, Silver,,I.A. (1989). ATP and brain function. J Cereb Blood Flow Metab JT Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism 9(1),2-19

43. Etzold, C., Deckers-Hebestreit, G., Altendorf, K. (1997). Turnover number of Escherichia coli F0F1 ATP synthase for ATP synthesis in membrane vesicles. Eur J Biochem JT European jownal of biochemistry / FEBS 243 (1-2), 336-343

44. Fillingame, R.H. (1997). Coupling H+ transport and ATP synthesis in FlF0-ATP synthases: glimpses of interacting parts in a dynamic molecular machine. J Exp Biol JT The Journal of experimental biology 200 (Pt 2), 217-224

45. Fillingame, R.H., Girvin, M.E., Zhang, Y. (1995). Correlations of structure and function in subunit c of Escherichia coli FOF1 ATP synthase. Biochem Soc Trans JT Biochemical Society transactions 23 (4), 760-766

46. Fillingame, R.H., Jiang, W., Dmitriev, O.Y. (2000). Coupling H(+) transport to rotary catalysis in F-type ATP synthases: structure and organization of the transmembrane rotary motor. J Exp Biol JT The Journal of experimental biology 1), 9-17

47. Furuike, S., Adachi, K., Sakaki, N., Shimo-Kon, R., Itoh, H., Muneyuki, E., Yoshida, M., Kinosita, K. (2008). Temperature Dependence of the Rotation and Hydrolysis Activities of Fl-ATPase. Biophys J JT Biophysical Journal 95 (2), 761-770

48. Futai, M., Park, M., Iwamoto, A., Omote, H., Maeda, M. (1994). Catalysis and energy coupling of H(+)-ATPase (ATP synthase): molecular biologicalapproaches. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1187 (2), 165-170'

49. Gledhill, J.R., Walker, J.E: (2006). Inhibitors of the catalytic domain of mitochondrial ATP synthase. Biochem Soc Trans JT Biochemical Society transactions 34 (Pt 5), 989-992

50. Gledhill, J.R., Walker, J.E. (2005). Inhibition sites in Fl-ATPase from bovine heart mitochondria. Biochem J JT The Biochemical journal 386 (Pt 3), 591-598

51. Greie, J.C., Deckers-Hebestreit, G., Altendorf, K. (2000). Secondary structure composition of reconstituted subunit b of the Escherichia coli ATPsynthase. Eur J Biochem JT European journal of biochemistry / FEBS 267 (10), 3040-3048

52. Gruber, G. (2000). Structural and functional features of the Escherichia coli Fl-ATPase. J Bioenerg Biomembr JT Journal of bioenergetics and biomembranes 32 (4), 341-346

53. Attardi;, G., Chomyn, A. (1995). Mitochondrial biogenesis and genetics.

54. Hackney, D.D. (1979). Interaction of Mg+2 with beef heart mitochondrial ATPase (Fl). Biochem Biophys Res Commun JT Biochemical and biophysical research communications 91 (1), 233-238

55. Harris, D.A. (1996). Bioenergetics at a Glance. Wiley-Blackwell

56. Hatefi, Y. (1993). ATP synthesis in mitochondria. Eur J Biochem JT -European journal of biochemistry / FEBS 218 (3), 759-767

57. Hermolin, J., Filiingame, R.H. (1995). Assembly of F0 sector of Escherichia coli H+ ATP synthase. Interdependence of subunit insertion into the membrane. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 270 (6), 2815-2817

58. Hirono-Hara, Y., Ishizuka, K., Jr, K.K., Yoshida, M., Noji, H. (2005). Activation of pausing Fl motor by external force. Proc Natl Acad Sei USA JT Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 (12), 4288-4293

59. Hong, S., Pedersen, P.L. (2008). ATP synthase and the actions of inhibitors utilized to study its roles in human health, disease, and other scientific areas.

60. Microbiol Mol Biol Rev JT Microbiology and molecular biology reviews : MMBR 72 (4), 590-641, Table of Conten

61. Hornung, T., Ishmukhametov, R., Spetzler, D., Martin, J., Frasch, W.D. (2008). Determination of torque generation from the power stroke of Escherichia coli Fl-ATPase. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1777 (7-8), 579-582

62. Houstek, J., Kmoch, S., Zeman, J. (2009). TMEM70 protein a novel ancillary factor of mammalian ATP synthase. Biochim Biophys Acta JT -Biochimica et biophysica acta 1787 (5), 529-532

63. Ishmukhametov, R.R., Pond, J.B., Al-Huqail, A., M, A.G., Vik, S.B. (2008). ATP synthesis without R210 of subunit a in the Escherichia coli ATP synthase. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1777 (1), 32-38

64. Jault, J.M., Allison, W.S. (1993). Slow binding of ATP to noncatalytic nucleotide binding sites which accelerates catalysis is responsible for apparent negative cooperativity exhibited by the bovine mitochondrial Fl

65. ATPase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 268 (3), 1558-1566

66. Junge, W., Lill, H., Engelbrecht, S. (1997). ATP synthase: an electrochemical transducer with rotatory mechanics. Trends Biochem Sei JT- Trends in biochemical sciences 22 (11), 420-423

67. Junge, W., Panke, O., Cherepanov, D.A., Gumbiowski, K., Muller, M., Engelbrecht, S. (2001). Inter-subunit rotation and elastic power transmission in F0F1-ATPase. FEBS Lett JT FEBS letters 504 (3), 152160

68. Junge, W., Sielaff, H., Engelbrecht, S. (2009). Torque generation and elastic power transmission in the rotary F(0)F(l)-ATPase. Nature JT -Nature 459 (7245), 364-370

69. Kagawa, Y., Racker, E. (1966). Partial resolution of the enzymes catalyzing oxidative phosphorylation. EX. Reconstruction of oligomycin-sensitive adenosine triphosphatase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 241 (10), 2467-2474

70. Keis, S., Stacker, A., Dimroth, P., Cook, G.M. (2006). Inhibition of ATP Hydrolysis by Thermoalkaliphilic FIFo-ATP Synthase Is Controlled by the C Terminus of the epsilon Subunit. J Bacteriol JT Journal of Bacteriology 188 (11), 3796-3804

71. Kipp, J.L., Ramirez, V.D. (2001). Effect of estradiol, diethylstilbestrol, and resveratrol on FOFl-ATPase activity from mitochondrial preparations of rat heart, liver, and brain. Endocrine JT -Endocrine 15 (2), 165-175

72. Kish-Trier, E., LAK, B., Dunn, S.D., Wilkens, S. (2008). The Stator Complex of the A1A0-ATP synthase bT>" Structural Characterization of the E and H Subunits. J Mol Biol JT Journal of molecular biology 375 (3), 673-685

73. Kucharczyk, R., Rak, M., JP, d.R. (2009). Biochemical consequences in yeast of the human mitochondrial DNA 8993T>C mutation in the ATPase6 gene found in NARP/MILS patients. Biochim Biophys Acta JT -Biochimica et biophysica acta 1793 (5), 817-824

74. Lehninger, A. (2004). Principles of biochemistry.

75. Lipmann, F. (1941). Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy. Bull. Advances in Enzymology 199-162

76. Lobau, S., Weber, J., Wilke-Mounts, S., Senior, A.E. (1997). Fl-ATPase, roles of three catalytic site residues. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 272 (6), 3648-3656

77. Long, J.C., Wang, S., Vik, S.B. (1998). Membrane topology of subunit a of the FIFO ATP synthase as determined by labeling of unique cysteine residues. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 273 (26), 16235-16240

78. Lutter, R., Abrahams, J.P., MJ, v.R., Todd, R.J., Lundqvist, T., Buchanan, S.K., Leslie, A.G., Walker, J.E. (1993). Crystallization of Fl-ATPase from bovine heart mitochondria. J Mol Biol JT Journal of molecular biology 229 (3), 787-790

79. McGeoch, J.E., McGeoch, M.W. (2008). Entrapment of water by subunit c of ATP synthase. J R Soc Interface JT Journal of the Royal Society Interface 5 (20), 311-318

80. Meier, T., Matthey, U., C, v.B., Vonck, J., T, K.v.N., Kuhlbrandt, W., Dimroth, P. (2003). Evidence for structural integrity in the undecameric crings isolated from sodium ATP synthases. J Mol Biol JT Journal of molecular biology 325 (2), 389-397

81. Meyer, B., Wittig, I., Trifilieff, E., Karas, M., Schagger, H. (2007). Identification of two proteins associated with mammalian ATP synthase. Mol Cell Proteomics JT Molecular & cellular proteomics : MCP 6 (10), 1690-1699

82. Mitchell, P. (1961). Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature JT -Nature 191144-148

83. Moyle, J., Mitchell, P. (1975). Active/inactive state transitions of mitochondrial ATPase molecules influenced by Mg2+, anions and aurovertin. FEES Lett JT FEBS letters 56 (1), 55-61

84. Mukhopadhyay, A., Weiner, H. (2007). Delivery of Drugs and Macromolecules to Mitochondria. Adv Drug Deliv Rev JT Advanced drug delivery reviews 59 (8), 729-738

85. Muller, M., Panke, O., Junge, W., Engelbrecht, S. (2002). Fl-ATPase, the C-terminal end of subunit gamma is not required for ATP hydrolysis-driven rotation. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 277 (26), 23308-23313

86. Muneyuki, E., Watanabe-Nakayama, T., Suzuki, T., Yoshida, M., Nishizaka, T., Noji, H. (2007). Single Molecule Energetics of Fl-ATPase Motor. Biophys J JT Biophysical Journal 92 (5), 1806-1812

87. Muneyuki, E., Watanabe-Nakayama, T., Suzuki, T., Yoshida, M., Nishizaka, T., Noji, H. (2007). Single molecule energetics of Fl-ATPase motor. Biophys J JT Biophysical journal 92 (5), 1806-1812

88. Nakamoto, R.K., Shin, K., Iwamoto, A., Omote, H., Maeda, M., Futai, M. (1992). Escherichia coli FOFl-ATPase. Residues involved in catalysis and coupling. Ann N Y Acad Sci JT Annals of the New York Academy of Sciences 671335-43; discussion 343-4

89. Nakanishi-Matsui, M., Futai, M. (2008). Stochastic rotational catalysis of proton pumping F-ATPase. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci JT -Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 363 (1500), 2135-2142

90. Nartsissov, Y.R., Mashkovtseva, E.V. (2006). Application of rigid body mechanics to theoretical description of rotation within F0F1-ATP synthase. JTheor Biol JT Journal of theoretical biology 242 (2), 300-308

91. Nicholls, D.G., Budd, S.L. (2000). Mitochondria and neuronal survival. Physiol Rev JT Physiological reviews 80 (1), 315-360

92. Nijtmans, L.G., Henderson, N.S., Attardi, G., Holt, I.J. (2001). Impaired ATP synthase assembly associated with a mutation in the human ATP synthase subunit 6 gene. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 216 (9), 6755-6762

93. Omote, H., Futai, M. (1998). Mutational analysis of FIFO ATPase: catalysis and energy coupling. Acta Physiol Scand Suppl JT Acta physiologica Scandinavica. Supplementum 643177-183

94. Osman, C., Wilmes, C., Tatsuta, T., Langer, T. (2007). Prohibitins Interact Genetically with Atp23, a Novel Processing Peptidase and Chaperone for the FIFO-ATP Synthase. Mol Biol Cell JT Molecular Biology of the Cell 18 (2), 627-635

95. Panke, O., Cherepanov, D.A., Gumbiowski, K., Engelbrecht, S., Junge, W. (2001). Viscoelastic dynamics of actin filaments coupled to rotary F-ATPase: angular torque profile of the enzyme. Biophys J JT Biophysical journal 81 (3), 1220-1233

96. Paumard, P., Vaillier, J., Coulary, B., Schaeffer, J., Soubannier, V., Mueller, D.M., Brethes, D., IP, d.R., Velours, J. (2002). The ATP synthaseis involved in generating mitochondrial cristae morphology. EMBO J JT -The EMBO journal 21 (3), 221-230

97. Penefsky, H.S., Cross, R.L. (1991). Structure and mechanism of FoFl-type ATP synthases and ATPases. Adv Enzymol Relat Areas Mol Biol JT Advances in enzymology and related areas of molecular biology 64173-214

98. Pepe, I.M., Notari, L., Cugnoli, C., Panfoli, I., Morelli, A. (2002). ATP synthesis in the disk membranes of rod outer segments of bovine retina. J Photochem Photobiol B JT Journal of photochemistry and photobiology. B, Biology 66 (2), 148-152

99. Pogoryelov, D., Yu, J., Meier, T., Vonck, J., Dimroth, P., Muller, D J. (2005). The cl5 ring of the Spirulina platensis F-ATP synthase: F1/F0 symmetry mismatch is not obligatory. EMBO Rep JT EMBO Reports 6 (11), 1040-1044

100. Pogrebnaya, A., Romanovsky, Y., Tikhonov, A. (2005). Rotation of Fl-ATPase: the stochastic model. Fluctiation and noise letters 5 (2), L217-L224

101. Pu, J., Karplus, M. (2008). How subunit coupling produces the Oi-subunit rotary motion in Fl-ATPase. Proc Natl Acad Sei U S A JT -Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105 (4), 1192-1197

102. Ristic, Z., Vitali, M., Duci, A., Goetze, C., Kemnitz, K., Zuschratter, W., Lill, H., Bald, D. (2009). Two-stimuli manipulation of a biological motor. JNanobiotechnology JT Journal ofNanobiotechnology 73

103. Rodgers, A.J., Capaldi, R.A. (1998). The second stalk composed ofithe b- and delta-subunits connects F0 to Fl via an alpha-subunit in the Escherichia coli ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 273 (45), 29406-29410

104. Rubinstein, J.L., Walker, J.E., Henderson, R. (2003). Structure of the mitochondrial ATP synthase by electron cryomicroscopy. EMBO J JT The EMBO journal 22 (23), 6182-6192

105. Sabbert, D., Engelbrecht, S., Junge, W. (1996). Intersubunit rotation in active F-ATPase. Nature JT Nature 381 (6583), 623-625

106. Sakaki, N., Shimo-Kon, R., Adachi, K., Itoh, H., Furuike, S., Muneyuki, E., Yoshida, M., Jr, K.K. (2005). One rotary mechanism for Fl-ATPase over ATP concentrations from millimolar down to nanomolar. Biophys J JT Biophysical journal 88 (3), 2047-2056

107. Sakaki, N., Shimo-Kon, R., Adachi, K., Itoh, H., Furuike, S., Muneyuki, E., Yoshida, M., Kinosita, K. (2005). One Rotary Mechanism for

108. Fl-ATPase over ATP Concentrations from Millimolar down to Nanomolar. Biophys JJT Biophysical Journal 88 (3), 2047-2056

109. Schnaufer, A., Clark-Walker, G.D., Steinberg, A.G., Stuart, K. (2005). The Fl-ATP synthase complex in bloodstream stage trypanosomes has an unusual and essential function. EMBO JJT The EMBO Journal 24 (23), 4029-4040

110. Schuchmann, S., Luckermann, M., Kulik, A., Heinemann, U., Ballanyi, K. (2000). Ca(2+)- and metabolism-related changes of mitochondrial potential in voltage-clamped CA1 pyramidal neurons in situ. J

111. Neurophysiol JT Journal of neurophysiology 83 (3), 1710-1721i

112. Schwem, B.E., Filiingame, R.H. (2006). Cross-linking between helices within subunit a of Escherichia coli ATP synthase defines the transmembrane packing of a four-helix bundle. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 281 (49), 37861-37867

113. Seelert, H., Poetsch, A., Dencher, N.A., Engel, A., Stahlberg, H., Muller, DJ. (2000). Structural biology. Proton-powered turbine of a plant motor. Nature JT Nature 405 (6785), 418-419

114. Senior, A.E. (1990): The proton-translocating ATPase of Escherichia coli. Annu Rev Biophys Biophys Chem JT Annual review of biophysics and biophysical-chemistry 197-41

115. Senior, A.E. (1988). ATP synthesis by oxidative phosphorylation. Physiol Rev JT Physiological reviews 68 (1), 177-231

116. Seppet, E., Gruno, M., Peetsalu, A., Gizatullina, Z., Nguyen, H.P., Vielhaber, S., Wussling, M.H., Trumbeckaite, S., Arandarcikaite, O., Jerzembeck, D., Sonnabend, M., Jegorov, K., Zierz, S., Striggow, F.,

117. Gellerich, F.N. (2009). Mitochondria and Energetic Depression in Cell Pathophysiology. Int J Mol Sei JT International Journal of Molecular Sciences 10 (5), 2252-2303

118. Smondyrev, A.M., Voth, G.A. (2002). Molecular dynamics simulation of proton transport near the surface of a phospholipid membrane. Biophys J JT Biophysical journal 82 (3), 1460-1468

119. Sorgen, P.L., Caviston, T.L., Perry, R.C., Cain, B.D. (1998). Deletions in the second stalk of FIFO-ATP synthase in Escherichia coli. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 273 (43), 27873-27878

120. Souid, A.K., Penefsky, H.S. (1994). Mechanism of ATP synthesis by mitochondrial ATP synthase from beef heart. J Bioenerg Biomembr JT -Journal ofbioenergetics and biomembranes 26 (6), 627-630 •

121. Stahlberg, H., Engel, A., Philippsen, A. (2002). Assessing the structure of membrane proteins: combining different methods gives the full picture. Biochem Cell Biol JT Biochemistry and cell biology = Biochimie et biologie cellulaire 80 (5), 563-568

122. Stahlberg, H., Muller, D.J., Suda, K., Fotiadis, D., Engel, A., Meier, T., Matthey, U., Dimroth, P. (2001). Bacterial Na(+)-ATP synthase has an undecameric rotor. EMBO Rep JT EMBO reports 2 (3), 229-233

123. Steed, P.R:, Filiingame, R.H. (2008). Subunit a Facilitates Aqueous Access to a Membrane-embedded Region of Subunit c in Escherichia coli; FIFO ATP Synthase*. J Biol Chem JT -The Journal of Biological Chemistry 283 (18), 12365-12372

124. Stock, D;, Eeslie, A.G., Walker, J.E. (1999). Molecular architecture of the rotary motor in ATP synthase. Science JT Science (New York, N.Y.) 286 (5445), 1700-1705

125. Strauss, Ml, Hofhaus, G., Schroder, R.R., KFjhlbrandt, W. (2008): Dimer ribbons of ATP synthase shape the inner mitochondrial membrane. EMBO J JT The EMBO Journal 27 (7), 1154-1160

126. Syroeshkin, A.V., Galkin, M.A., Sedlov, A.V., Vinogi'adov, A.D: (1999). Kinetic mechanism of Fo x Fl mitochondrial ATPase: Mg2+ requirement for Mg x ATP hydrolysis. Biochemistry (Mose) JT -Biochemistry. Biokhimiia 64 (10), 1128-1137

127. Tzagoloff, A. (1982). Mitochondria. New York: Plenum Press

128. Ueno, H., Suzuki, T., Jr, K.K., Yoshida, M. (2005). ATP-driven stepwise rotation of FoFl-ATP synthase. Proc Natl Acad Sei U S A JT -Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 (5), 1333-1338

129. Uyemura, S.A., Jordani, M.C., Polizello, A.C., Curti, C. (1996). Heart FoFl-ATPase changes during the acute phase of Trypanosoma cruzi infection in rats. Mol Cell Biochem JT Molecular and cellular biochemistry 165 (2), 127-133

130. Valiyaveetil, F.I., Filiingame, R.H. (1997). On the role of Arg-210 and Glu-219 of subunit a in proton translocation by the Escherichia coli F0F1-ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 272 (51), 32635-32641

131. Valiyaveetil, F.I., Fillingame, R.H. (1998). Transmembrane topography of subunit a in the Escherichia coli FIFO ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 273 (26), 16241-16247

132. Van Blerkom J., S.J.a.D.P. (1998). Mitochondrial transfer between oocytes: potential applications of mitochondrial donation and the issue of heteroplasmy. Human Reproduction 132857-2868

133. Vasilyeva, E.A., Minkov, I.B., Fitin, A.F., Vinogradov, A.D. (1982). Kinetic mechanism of mitochondrial adenosine triphosphatase. ADP-specific inhibition as revealed by the steady-state kinetics. Biochem J JT -The Biochemical journal 202 (1), 9-14

134. Vinogradov, A.D. (2000). Steady-state and pre-steady-state kinetics of the mitochondrial F(l)F(o) ATPase: is ATP synthase a reversible molecular machine?. J Exp Biol JT The Journal of experimental biology 203 (Pt 1), 41-49

135. Wada, T., Long, J.C., Zhang, D., Vik, S.B. (1999). A novel labeling approach supports the five-transmembrane model of subunit a of the Escherichia coli ATP synthase. J Biol Chem JT The Journal of biological chemistry 21A (24), 17353-17357

136. Walker, J.E. (1994). The regulation of catalysis in ATP synthase. Curr Opin Struct Biol JT Current opinion in structural biology 4 (6), 912-918

137. Walker, J.E. (1995). Determination of the structures of respiratory enzyme complexes from mammalian mitochondria. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1271 (1), 221-227

138. Watanabe, R., lino, R., Shimabukuro, K., Yoshida, M., Noji, H. (2008). Temperature-sensitive reaction intermediate of Fl-ATPase. EMBO Rep JT EMBO Reports 9(1), 84-90

139. Watts, S.D., Zhang, Y., Filiingame, R.H., Capaldi, R.A. (1995). The gamma subunit in the Escherichia coli ATP synthase complex (ECF1F0) extends through the stalk and contacts the c subunits of the F0 part. FEBS Lett JT FEBS letters 368 (2), 235-238

140. Weber, J. (2007). ATP Synthase The Structure of the Stator Stalk. Trends Biochem Sei JT - Trends in biochemical sciences 32 (2), 53-56

141. Weber, J., Senior, A.E. (1996). F1F0-ATP synthase: development of direct optical probes of the catalytic mechanism. Biochim Biophys Acta JT -Biochimica et biophysica acta 1275 (1-2), 101-104

142. Wittig, I., Carrozzo, R., Santorelli, F.M., Schagger, H. (2006). Supercomplexes and subcomplexes of mitochondrial oxidative phosphorylation. Biochim Biophys Acta JT Biochimica et biophysica acta 1757(9-10), 1066-1072

143. Wong-Riley, M.T. (1989). Cytochrome oxidase: an endogenous metabolic marker for neuronal activity. Trends Neurosci JT Trends in neurosciences 12 (3), 94-101

144. Xing, J., Liao, J.C., Oster, G. (2005). Making ATP. Proc Natl Acad Sci U S A JT Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 (46), 16539-16546

145. YaM, M., Murataliev, M.B. (1987). Steady-state rate of Fl-ATPase turnover during ATP hydrolysis by the single catalytic site. FEBS Lett JT -FEBS letters 212 (1), 63-67

146. Yasuda, R., Noji, H., Jr, K.K., Yoshida, M. (1998). Fl-ATPase is a highly efficient molecular motor that rotates with discrete 120 degree steps. Cell JT Cell 93 (7), 1117-1124

147. Yasuda, R., Noji, H., Yoshida, M., Jr, K.K., Itoh, H. (2001). Resolution of distinct rotational substeps by submillisecond kinetic analysis of Fl-ATPase. Nature JT Nature 410 (6831), 898-904

148. J., Y., H., S.J., Lee H.-W., Y.B., J.-W., C., S., J., H.-W., K. (2001). 19F NMR investigation of Fl-ATPase of E.coli using fluoroaluminate complex. Bull Korean Chem. Soc. 22 (1), 90-92

149. Zheng, J., Ramirez, Y.D. (2000). Inhibition of mitochondrial proton FOFl-ATPase/ATP synthase by polyphenolic phytochemicals. Br J Pharmacol JT British journal ofpharmacology 130 (5), 1115-1123

150. Zukov, Schnaufer, A., Dalley, R.A., Panigrahi, A.K., Stuart, K.D. (2009). The F0F1-ATP Synthase Complex Contains Novel Subunits and Is Essential for Procyclic Trypanosoma brucei. PLoS Pathog JT PLoS Pathogens 5 (5)