Стохастическая модель мотора F1-АТФазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Погребная, Александра Францевна

• Погребная, Александра Францевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Погребная, Александра Францевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Общие сведения о ферменте (литературный обзор)

1.1. Энергетические ресурсы клетки.

1.2. Общая характеристика Б^о-АТРсинтазы.

1.3. Пространственное строение АТРсинтазы.

1.4. Каталитические центры РрАТФазы

1.5. Каталитический цикл. Двух- и трех- центровый механизм катализа.

1.6. Структурные перестройки РрАТРазы (вращение ротора).

1.7. Теоретические модели мотора БрАТФазы.

Выводы.

Глава 2. Электростатические взаимодействия в каталитических центрах Е,-АТРазы

2.1. Вычисление энергии фермент-субстратного комплекса.

2.2. Конформационные состояния фермент-субстратного комплекса.

2.3. Результаты расчетов и их обсуждение.

2.4. Обсуждение результатов.

Выводы.

Глава 3. Стохастическая модель молекулярного мотора ЕрАТФазы

3.1. Потенциалы взаимодействия ротора и статора молекулярного мотора.

3.2. Основные уравнения.

3.3. Численное решение уравнений.

3.4. Результаты численного моделирования работы мотора по вращению нагрузки.

Выводы.

Глава 4. Синтез АТФ Г^АТАФазой в стохастической модели

4.1. Последовательность событий в режиме синтеза АТФ.

4.2. Основные уравнения.

4.3. Результаты численного моделирования синтеза АТФ под действием постоянного внешнего вращающего момента.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стохастическая модель мотора F1-АТФазы»

Молекулярные моторы - общепринятый термин для группы белков, совершающих движение благодаря превращению химической энергии синтеза/гидролиза в механическую энергию. Если еще тридцать лет назад концепция и термин «белок-машина», введенные в работах Л.А. Блюменфельда, Ю.И.Хургина, Д.С.Чернавского и С.Э.Шноля [1-4], вызывали разнообразные возражения, то сейчас о молекулярных машинах можно прочитать не только в специальной литературе, но и в массовых периодических изданиях. В последние годы, не только были открыты многие белковые моторы, но и предпринимаются попытки их использования для манипуляций с отдельными молекулами в нанобиотехнологиях. Существуют два больших класса моторов: линейные и вращающиеся моторы. К линейным моторам относятся кинезин («шагающий с ноги на ногу» вдоль микротубулина), миозин (при взаимодействии с актином обеспечивает сокращение мышечных волокон), РНК полимераза и т.д. Высказываются гипотезы о возможной роли солитоноподобных возмущений в линейных моторах и строятся соответствующие модели [5-10]. Примерами вращающих моторов являются: флагелярные моторы (в бактериальных клетках) и фермент АТФсинтаза (Р^о-АТФаза, вращающийся во время синтеза/гидролиза молекул АТФ). Все молекулярные моторы, так или иначе, используют энергию синтеза/гидролиза нуклеотидов (АТФ) либо разницу электрохимического потенциала на цитоплазматической мембране. В настоящее время показано, что ферментативная молекула РоРгАТФсинтаза - молекулярный мотор, использующий оба типа движущих сил [11,18,19]. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) синтезируется из АДФ (аденозиндифосфорной кислоты) и Pi (неорганического фосфата) в комплексе (РрАТФаза) за счет протонов проходящих через комплекс Р0, встроенный в энергопреобразующую мембрану митохондрий, хлоропластов и бактерий. И наоборот: работая в обратном направлении, он гидролизирует АТФ в АДФ и неорганический фосфат - Pj , вырабатывая энергию и перекачивая протоны.

К настоящему времени доказано, что в изолированном фрагменте - Рр АТФазе не только гидролиз АТФ может происходить, но и синтез АТФ. При этом РрАТФаза работает как мотор, внутри которого вращается у субъединица по центру статора - состоящего из трех идентичных копий ар субъединиц. Вращение инициируется конформационными изменениями 3(ар) субъединиц. Такой результат, доведенный до уровня «наглядности» получен в тонких биохимических и биофизических экспериментах с применением методов рентгеноструктурного анализа и оптики с использованием лазеров и видеотехники.

Не менее важную роль в осмысливании работы такого мотора сыграло математическое моделирование. К настоящему времени предложены уравнения динамики ротора (7 субъединицы). При этом силовые поля вводятся из общих феноменологических представлений. С другой стороны прилагаются усилия для построения полной модели РоРрАТФсинтазы. Более того, сделаны первые попытки для проведения такого моделирование методами молекулярной динамики, в которых учитываются движения более чем 30000 атомов РрАТФазы и молекул АТФ, АДФ, IV Даже использование современных компьютеров в этом случае позволяют проследить события лишь на протяжении сотен пс, чего совершенно недостаточно, так как характерные времена конформационных переходов составляют миллисекунды. Кроме того, анализ результатов и точности их получения в такой глобальной модели является сам по себе чрезвычайно сложной задачей.

Безусловно, такое моделирование будет результативным и эффективным, « если будет проводиться наряду с моделированием более простых систем с небольшим числом выделенных «существенных» степеней свободы. Такие степени свободы всегда имеются как в технических устройствах, так и молекулярных машинах. Именно поэтому такие конструкции и называются машинами. Настоящая работа лежит в русле исследований, в которых строятся модели, отражающие изменения существенных переменных. Влияние других атомов учитывается введением суммарных потенциалов взаимодействия и тепловых шумов. Цель работы

Главной целью работы является построение и анализ модели стохастической динамики БрАТФазы в режиме гидролиза и синтеза АТФ. При постановке задачи предполагалось, что проведенные исследования позволят:

• Построить замкнутую систему кинетических уравнений описывающих «химические» процессы посадки субстрата, выхода продуктов реакции, а также химическую реакцию гидролиза/синтеза в активных центрах фермента, которая решаясь совместно с динамическим уравнением, описывающим вращение ротора (у субъединицы) адекватно опишет известные экспериментальные свойства молекулярного мотора .

• Получить количественные характеристики и закономерности поведения мотора в зависимости от экспериментально устанавливаемых параметров.

Для решения поставленных задач были получены потенциалы взаимодействия между ротором и статором молекулярного мотора. Для определения функций, определяющих вращение ротора, была проведена серия вычислений, в которых оценивалась энергия электростатического взаимодействия гидролизированых атомов молекул субстратов и продуктов с заряженными и поляризованными аминокислотными остатками каталитических центров БрАТФазы во всех конформациях фермент-субстратного комплекса. А также подробно исследованы режимы вращения мотора в зависимости от различных экспериментально определяемых параметров. Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Оценена энергия электростатического взаимодействия в фермент-субстратном комплексе РрАТФазы на различных этапах каталитического цикла в известных устойчивых конформациях фермент-субстратного комплекса. Показано, что изменение электростатической энергии качественно адекватно описывает процессы, происходящие в фермент-субстратном БрАТФазы комплексе во время каталитического цикла гидролиза АТФ.

2. На основании расчета электростатических взаимодействий в фермент-субстратном комплексе определены форма, и количественные характеристики предложенных потенциалов взаимодействия между каталитическими субъединидами и ротором молекулярного мотора. Данные потенциалы позволяют описать направленное движение ротора в результате гидролиза АТФ и наоборот описать синтез АТФ в результате направленного движения ротора под действием момента внешней силы.

3. Разработана самосогласованная модель мотора РгАТФазы, в которой учитываются как существенные динамические переменные, так и переменные, описывающие химическую кинетику. На основе исследования данной модели определены статистические характеристики динамики мотора и кинетика химических превращений практически на любых временах (тогда как молекулярная динамика позволяет это сделать лишь на временах порядка сотен пс).

Предложенная модель может быть использована как блок в общей модели Б ^о-АТФсинтазы.

Практическая значимость работы определяется возможностью проследить стохастическую динамику работы БрАТФазы в «иммобилизованном» режиме. Осмыслить качественно и количественно работу отдельных элементов совершенной конструкции молекулярного мотора - важнейшего нанотехнологического объекта, возникшего в результате биологической эволюции. Модель может помочь в выборе стратегии и определении параметров соответствующих биофизических экспериментов.

Защищаемые положения:

1. На основании диаграммы электростатических взаимодействий субстратов и продуктов реакции с БрАТРазой получены следующие соотношения между энергией выделяющейся при связывании АТФ с активным центром (АЕагр) и энергией выделяющейся при выходе неорганического фосфата (АЕР:), а также между энергией требуемой для выхода АДФ из активного центра д/^ АР

АЕЛ01>): ^¡2-«1.5, ^ЛР.« 3. д/г д/г

2. Предложенная самосогласованная система уравнений, описывающая вращение ротора в эффективном поле и вероятности заполнения трех каталитических центров субстратами и продуктами реакции, адекватно описывает стохастическую динамику молекулярного мотора в режиме, как гидролиза, так и синтеза АТФ: а) движение ротора в отдельной численной реализации в режиме гидролиза АТФ качественно повторяет экспериментально наблюдаемые характеристики движения маркера прикрепленного к нагрузке ротора изолированного иммобилизованного комплекса РрАТФазы; б) получаемые при усреднении по ансамблю моторов средние скорости вращения в режиме гидролиза АТФ по порядку величины совпадают с экспериментально наблюдаемыми; в) в режиме синтеза вращение шаговое - три шага на один полный оборот. Паузы обусловлены ожиданием посадки АДФ в каталитический центр и проявляются если среднее время посадки АДФ в АЦ и выхода АТФ из АЦ становится соизмеримо с временем поворота ротора на 120°; г) зависимость скорости синтеза от концентрации АДФ носит гиперболический характер, с эффективной константой Михаэлиса-Ментен достигает ста микромоль (для используемых констант скоростей посадки/выхода субстратов, а также скорости синтеза/гидролиза АТФ). 3. Зависимость скорости вращения от момента внешней силы линейна при любых концентрациях АДФ. В зависимости скорости синтеза АТФ от момента внешней силы Fexl существует максимум. Интервал значений, Fexl при которых эффективность работы фермента остается высокой с ростом концентрации АДФ расширяется.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях в отечественных и зарубежных изданиях [12-14] и две статьи находятся в печать. Докладывались на семи международных конференциях с опубликованием тезисов [15-17]: Saratov Fall Meeting 2002: Optical Technologies in Biophysics and Medicine IV (Saratov, Russia, October 1-4, 2002); 10-я Международная конференция «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 20-25 января 2003г.); International Workshop «Stochastic dynamics of complex systems» (Berlin, September 2003); Complex Dynamics, Fluctuations, Chaos and Fractals in Biomedical Photonics (San-Jose, California USA, 24-29 January, 2004), III СЪЕЗД БИОФИЗИКОВ РОССИИ (Воронеж, 24-29 июня 2004 г.); Ist International Workshop on Noise in Condensed Matter and Complex Systems (Citta' del Mare - Terrasini (Palermo) 26-29 July 2004); 12-я Международная конференция «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 17-22 января 2005г.).

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы 115 страниц, включая 40 рисунков и 3 таблицы. Библиография содержит 115 наименований, включая 3 публикаций автора.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Погребная, Александра Францевна

продуктов и молекул воды совместно с движением больших молекулярных кластеров. Так как все параметры в уравнениях могут быть измерены или проконтролированы экспериментально, представленная модель полезна при разработке тактики экскрементов по изучению работы этого уникального молекулярного мотора, а также при создании на его основе нанотехнологических устройств. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании диаграммы электростатических взаимодействий субстратов и продуктов реакции с РгАТРазой получены следующие соотношения между энергией выделяющейся при связывании АТФ с активным центром ( АЕЛТР ) и энергией выделяющейся при выходе неорганического фосфата (АЕР), а также между энергией требуемой для выхода АДФ из активного центра дг д/^

АЕЛОР): ^£.«1.5,

ДГ АЕ

2. Разработана самосогласованная система уравнений, связывающая статистические события посадки и выхода лигандов из АЦ, а также их взаимные превращения в АЦ с детерминированным вращением ротора мотора, которая адекватно описывает стохастическую динамику молекулярного мотора в режиме гидролиза АТФ. Данная модель позволяет рассчитать в реальном времени как реализации этих процессов для отдельных ферментов, так и усредненные характеристики, рассчитанные для всего ансамбля молекул.

3. Данная модель позволяет смоделировать синтез АТФ сопряженный с вращением ротора под действием момента внешней силы. Численные расчеты показали что: а) зависимость скорости вращения от момента внешней силы линейна при любых концентрациях АДФ; б) в зависимости скорости синтеза АТФ от момента внешней силы Рех( существует максимум; в) интервал значений, Р^, при которых эффективность работы фермента остается высокой с ростом концентрации АДФ расширяется.

БЛАГОДАРНОСТИ

В заключение считаю своей приятной обязанностью выразить глубокую и искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору Романовскому Юрию Михайловичу за чуткое руководство, постоянное внимание и терпение, неоценимую профессиональную и жизненную школу. Также благодарю А.Н.Тихонова за плодотворное сотрудничество и А.В.Воронова за стимулирующие дискуссии, критические замечания и обсуждение результатов. Кроме того, благодарю всех сотрудников лаборатории математической биофизики кафедры ОФиВП физического факультета МГУ за дружескую атмосферу, способствующую выполнению данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлена модель фермента БрАТРазы как молекулярного устройства использующего энергию гидролиза АТФ для совершения механической работы (вращения вала), а также способного использовать механическую энергию для синтеза АТФ. Представленная самосогласованная модель связывает стохастические события посадки и выхода лигандов из активных центров, а также их взаимные превращения в активных центрах с детерминированным вращением ротора мотора. В отличие от существующих дискретных моделей, описывающих вращение ротора как переходы между конечным числом возможных устойчивых состояний фермента, представленная модель рассматривает движение ротора в непрерывном потенциале, что существенно расширяет ее возможности. Модельный потенциал может быть модифицирован с учетом новых экспериментальных данных по взаимодействию между ротором и статором мотора и данных расчетов молекулярной динамики и квантовой механики без внесения поправок в модельные уравнения.

Разработанная модель может быть использована как часть (или блок) в полной модели Р0РгАТРсинтазы. Процессы входа в каталитические центры субстратов и выхода из них продуктов могут быть смоделированы методами молекулярной динамики. При этом изменение «входной щели» и электростатического поля в кармане АЦ и на его входе в процессе изменения конформаций могут быть определены из знания взаимного расположения а, р и у субъединиц. (Аналогичная задача о проникновении субстратов и выходе продуктов из АЦ решалась, например, для Ацетилхолинэстеразы [5]). Такой подход позволит объединить расчет движений «малых молекул» субстратов,

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Погребная, Александра Францевна, 2005 год

1. Блюменфельд JI.A, Проблемы Биологической Физики. М.: «Наука», 1974.

2. Блюменфельд Л.А., Решаемые и Нерешаемые Проблемы Биологической

3. Физики. М. Изд-во «УРРС», 2002.

4. Хургин Ю.И., Чернавский Д.С., Шноль С.Э., Молек. Биология, Т. 1, 1967.

5. Чернавский Д.С., Чернавская Н.М., Белок-машина. Биологические имакромолекулярные конструкции. «Янус-К». 1999. 256 с.

6. Молекулярная Динамика Ферментов (под ред. Ю.М. Романовского и В.

7. Эбелинга), М. Изд-во МГУ, 2000.

8. Ebeling W., Schimansky-Gaier L., Romanovsky Yu.M. Stochastic dynamics of reacting biomolecules, New Jersey, London, Singapore, Hong Kong: World Scientific, pp.285-310, 2002.

9. Yakushevich L.V. Nonlinear physics of DNA, New York: Wiley, 1998.

10. Shaitan K.V. Protein dynamics and new approaches to the molecular mechanisms ofprotein functioning, (in 6), pp 285-310.

11. Chetverikov A., Ebeling W., Jenssen M., Romanovsky Yu. Excitations on ring molecules, in 6., pp 125-180.

12. Ю.Давыдов A.C. Солитоны в молекулярных системах, Киев: Наукова думка, 1986.

13. Junge W. Lill Н., Engelbrecht S., ATP synthase: an electrochemical transducerwith rotatory mechanics/I Trends Biochem. Sei. V. 22, pp.420-423, 1997.

14. A. F. Pogrebnaya, Y. M. Romanovsky, A. N. Tikhonov, Electrostatic interactionsin catalytic centers ofFrATPase II SPIE v.5068, pp. 27-35, 2003

15. А.Н.Тихонов, А.Ф.Погребная, Ю.М. Романовский, Электростатическиевзаимодействия в каталитических центрах Fi-АТРазы// Биофизика, 48(6), с. 1052-1070, 2003

16. A.F. Pogrebnaya, Yu.M. Romanovsky, A.N. Tikhonov, Stochastic model ofmolecular motor of ATPasell Complex Dynamics, Fluctuations, Chaos and Fractals in Biomedical Photonics, Proceedings SPIE, 5330, pp.120-131, 2004.

17. Y.M.Romanovsky, A.F.Pogrebnaya, A.N.Tikhonov, Mathematical Model of Fr

18. ATPase Molecular Motor//Palermo, Italy, 26-29 July, Book of Abstr., pp.12,2004.

19. А.Ф.Погребная, Ю.М. Романовский, А.Н.Тихонов, Стохастическаядинамика молекулярного мотора Fi-АТФазы//, III Съезд Биофизиков РОССИИ, Воронеж 2004, сборник тезисов, сс 85-86.

20. А.Ф.Погребная, Ю.М. Романовский, А.Н.Тихонов, Электростатические взаимодействия в каталитических центрах F¡-АТРазыН Математика, компьютер, образование'2003, 20-25 января, 2003, сборник тез., сс.226-227.

21. М.В.Гусев, JI.A. Минеева, Микробиология, МГУ, 1992.

22. Б.Албертс, Д. Брей и др., Молекулярная биология клетки, «Мир», 1994.

23. ВВА, V. 1458, № 2-3 (Special Issue. Guest Editor: J. Walker), 2000.

24. J. Bioenerg. Biomembr. V. 32, № 4 and № 5 (MINIREVIEW SERIES, ATP

25. Synthesis in the Year 2000: Current Views about Structure, Motor Components, Energy Interconversions and Catalytic Mechanisms, Parts I and II), 2000.

26. J. Exp. Biol. V. 203(1), (Special issue, W.R. Harvey, R.G. Boutilier, N. Nelson,1. Eds.), 2000.

27. Capaldi R.A., Aggeler R., Mechanism of the FoF¡-type ATP synthase, a biological rotary motor 11 Trends Biochem. Sci. V. 27, pp. 154-160, 2002.

28. Stock D., Gibbons C., Arechaga I., Leslie A.G.W, Walker J.E. Rotary Mechanismof A TPSynthasell Current Opinion in Structural Biology, V 10, pp.672-679, 2000.

29. Fillingame R.H., Jiang W., Dmitriev O.Y., Jones P.C. Structural interpretations of Fo rotary function in the Escherichia Coli FjF0 ATP synthase!I Biochim. Biophys. Acta, V. 1458, pp.387-403, 2000.

30. Weber J., Senior A.E., ATP synthase: what we know about ATP hydrolysis andwhat we do not know about ATP synthesisII Biochim. Biophys. Acta. V 1458, pp.300-309, 2000.

31. Senior A., Nadinaciva S., Weber J. The molecular mechanism of ATP synthesis by

32. F¡F0-ATP synthase II Biochim. Biophys. Acta. V. 1553, pp.188-211, 2002.

33. Weber J., Senior A.E., ATP synthesis driven by proton transport in F ¡Fq-A TPsynthase IIFEBS Letters. V. 545, pp. 61-70, 2003.

34. Weber J., Senior A.E., Catalytic mechanism ofF,-ATPasell BBA, V. 1319, pp.1958, 1997.

35. Weber J., Senior A.E. Bi-site catalysis in F ¡-ATPase: does it exist? II J. Biol. Chem., V. 276, pp. 35422-35428, 2001.

36. Weber J., Nadanaciva S., Senior A.E. ATP-driven rotation of the gamma subunit in

37. F(l)-ATPase II FEBS Lett., V. 483, pp. 1-5, 2000.

38. Abrahams J.P., Leslie A.G.W, Lutter R., Walker J.E. Structure at 2.8 À resolutionof Fj-ATPase from bovine heart mitochondria II Nature. V. 370, pp.621-628, 1994.

39. Abrahams J.P., Buchanan S.K., van Raaij M.J., Fearnley I.M., Leslie A.G.W.,

40. Bianchet M.A., Hullihen J., Pedersen P.L., Amzel L.M., The 2.8-Ä structure of rat liver F¡-ATPase: Configuration of a critical intermediate in ATP synthesisyhydrolysis И Proc. Natl. Acad. Sei. USA, V. 95, pp.11065-11070, 1998.

41. Stock D., Leslie A.G.W., and Walker J.E., Molecular Architecture of the Rotary

42. Leslie A.G.W., Walker J.E. Structural model of F¡-ATPase and the implications for rotary catalysis II Philos. Trans. R. Soc. Lond. В, V. 355, pp.465-472, 2000.

43. Menz R.I., Leslie,A.G.W., Walker J.E. The structure and nucleotide occupancy of bovine mitochondrial F¡-ATPase are not influenced by crystallization at high concentrations of nucleotide И FEBS Lett, V. 494, pp.11-14, 2001.

44. Gibbons C., Montgomery M.G., Leslie A.G.W., Walker J.E., The structure of thecentral stalk in bovine F¡-ATPase at 2.4 A resolution // Nat. Struct. Biol, V. 7, pp.1055-1061, 2000.

45. Braig K., Menz R.I., Montgomery M.G., Leslie A.G.W., Walker J.E., Structure of bovine mitochondrial F(l)-ATPase inhibited by Mg(2+) ADP and aluminium ßuoride II Structure, V. 8, pp.567-573, 2000.

46. Menz R.I., Walker, J.E., Leslie A.G.W., Structure of bovine mitochondrial F/~

47. ATPase with nucleotide bound to all three catalytic sites II Cell, V. 106, pp.331-341,2001.

48. Hausrath A.C., Capaldi R.A., Matthews, B.W. The conformation of the epsilonandgamma-subunits within the Escherichia coli F(l) ATPase II J. Biol. Chem, V. 276, pp.47227-47232, 2001.

49. Groth G., Pohl E. The Structure of the Chloroplast F¡-ATPase at 3.2 A Resolution/n. Biol. Chem., V. 276, pp. 1345-1352, 2001.

50. Groth G. Structure of spinach chloroplast F¡-ATPase complexed with the phytopathogenic inhibitor tentoxin II Proc. Natl. Acad. Sei. USA, V. 99, 34643468,2002.

51. G.I. Belogrudov, J.M. Tomich, Y. Hatefi, Membrane topography and nearneighbor relationships of the mitochondrial ATP synthase subunits e, f, and g// J. Biol. Chem., V. 271, pp.20340-20345, 1996.

52. R.J. Devenish, M. Prescott, X. Roncou, P. Nagley, Insights into ATP synthase assembly and function through the molecular genetic manipulation of subunits of the yeast mitochondrial enzyme complexll Biochim. Biophys. Acta, V. 1458, pp.428-442, 2000.

53. Seelert H., Poetsch A., Dencher N.A., Engel A., Stahlberg H., Muller D.J., Structural biology: proton powered turbine of a plant motor! I Nature, V. 404, pp.418-419, 2000.

54. Filiingame R.H., Dmitriev, O.Y. Structural model of the transmembrane F0 rotary sector of H*-transporting ATP synthase derived by solution NMR and intersubunit cross-linking in situ II Biochim. Biophys. Acta., V. 1565, pp.232245, 2002.

55. Filiingame R.H., Angevine C.M., Dmitriev O.Y. Coupling proton movements to c-ring rotation in FjF0 ATP synthase: aqueous access channels and helix rotations at the a-c interface II Biochim. Biophys. Acta., V. 1555, pp.29-36, 2002.

56. Rastogi V.K., Girvin M.V. Structural changes linked to proton translocation by subunit c of the ATP Synthasell Nature, V. 402, pp.263-278, 1999.

57. Penefsky H.S., Cross R.L. Structure and mechanism of FoF¡-type ATP synthases andATPasesll Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol., V. 64, pp.173-214, 1991.

58. Boyer P.D. The binding change mechanism for ATP synthase — some probabilities and possibilities// Biochim. Biophys. Acta, V. 1140, pp.215-250, 1993.

59. Boyer P.D. Catalytic site occupancy during ATP synthase catalysis/1 FEBS Lett., V. 512, pp.29-32, 2002.

60. Boyer P.D., The ATP synthase a splendid molecular machine // Ann. Rev. Biochem., V. 66, pp. 717-749, 1997.

61. Futai M., Noumi T., Maeda M. ATP synthase (Ft-ATPase): results by combined biochemical and molecular biological approaches// Annu. Rev. Biochem. V. 58. pp. 111-136, 1989.

62. Senior A.E., Al-Shavi M.K. Further examination of seventeen mutations in

63. Escherichia coli F ¡-ATPase beta-subuni.H J. Biol. Chem., V.267 (30), pp. 2147121478, 1992.

64. Amano T., Tozawa K., Yoshida M., Murakami H. Spatial precision of a catalyticcarboxylate of Fj-ATPase beta subunit probed by introducing different carboxylate-containing side chains IIFEBS Lett., V.348, pp.93-98, 1994.

65. Ketchum C.J., Al-Shawi, M.K., Nakamoto R.K. Intergenic suppression of the yM23K uncoupling mutation in F0Fj ATP synthase by pGlu-381 substitutions: the role of the p380DELSEED386 segment in energy coupling// Biochem. J., V. 330, pp.707-712,1998.

66. Ahmad Z, Senior AE Mutagenesis of residue betaArg-246 in the phosphatebinding subdomain of catalytic sites of Escherichia coli Fl-ATPase//. Biol Chem, V. 279, pp.31505-13, 2004.

67. Tombline G, Bartholomew LA, Urbatsch IL, Senior AE Combined mutation of catalytic glutamate residues in the two nucleotide binding domains of P-glycoprotein generates a conformation that binds ATP and ADP tightly!I J Biol Chem, 279, pp.31212-20, 2004.

68. Nakamoto R.K., Ketchum C.J., Al-Shawi M.K., Rotational coupling in the FqFi

69. Duncan T.M., Bulygin V.V., Zhou Y., Hutcheon M.L., Cross, R.L. Rotation of submits during catalysis by Escherichia coli FqF¡-ATPase!I Proc. Natl. Acad. Sei. USA, V. 92, pp.10964-10968, 1995.

70. Zhou Y., Duncan T.M., Bulygin V.V., Hutcheon M.L., Cross, R.L. ATP hydrolysis by membrane-bound escherichia coli FqFj causes rotation of the y submit relative to the ß subunitsll Biochim. Biophys. Acta, V. 1275, pp. 96-100,1996.

71. Zhou Y. et al. Subunit rotation in Escherichia coli F0Fi~ATP synthase during oxidative phosphorylation!7 Proc. Natl. Acad. Sei. USA, V. 94, pp. 10583-10587,1997.

72. Sabbert D., Engelbrecht S., Junge W. Intersubunit rotation in active F-ATPasei! Nature, V. 381, pp. 623-625, 1996.

73. Sabbert D., Engelbrecht S., Junge W. Functional and idling rotatory motion within F¡-ATPase!J Proc. Natl. Acad. Sei. USA, V. 94, pp.4401-4405, 1997.

74. Hasler K., Engelbrecht S., Junge W. Three-stepped rotation of submits yand € in single molecules of F-ATPase as revealed by polarized, confocal fluorometryll FEBS Lett., V. 426, pp.301-304, 1998.

75. Noji, H., Yasuda R., Yoshida M., Kinosita K. Direct observation of the rotation of FrATPasellNature, V. 386, pp.299-302, 1997.

76. Yasuda R., Noji H., Kinosita K., Yoshida M. FrATPase is a highly efficient molecular motor that rotates with discrete 120 degree steps!! Cell, V. 93, pp.1117-1124,1998.

77. Sambongi Y., Iko Y., Tanabe M., Omote H., Iwamoto-Kihara A., Ueda I., Yanagida T., Wada Y., Futai M. Mechanical Rotation of the c Subunit Oligomerin ATP Synthase (FoFj): Direct Observation// Science, V. 286, pp. 1722-1724,1999.

78. Noji, H., Hasler K., Junge W., Yoshida M., Kinosita K., Engelbrecht S. Rotation of Escherichia coli Fi-ATPas.ll Biochim. Biophys. Res. Comm, V. 260, pp.597599, 1999.

79. Futai M., Omote H., Sambongi Y., Wada Y. Synthase (Pf ATPase): coupling between catalysis, mechanical work, and proton translocation II Biochim. Biophys. Acta, V. 1458, pp.276-288, 2000.

80. K. Adachi, R. Yasuds, H. Noji, H. Itoh, Y. Harada, M. Yoshida, K. Kinoshita, Stepping rotation of F¡-ATPase visualized through angle-resolved single-fluorophore imaging II Proc. Natl. Acad. Sci. USA, V. 97, pp.7243-7247, 2000.

81. Kinosita K., Yasuda R., Noji H. and Adachi K. Rotary molecular motor that can work at near 100% efficiency// Philos. Trans. R. Soc. Lond. B, V. 355, pp. 473489, 2000.

82. Tsunoda S.P., Aggeler R., Noji H., Kinosita K., Yoshida M., Capaldi R.A. Observations of rotation within the FqF;-ATP synthase: deciding between rotation of the Fqc subunit ring and artifact // FEBS Lett., V. 470, pp.244-248,2000.

83. Masaike T., Mitome N., Noji H., Muneyuki E., Yasuda R., Kinosita K., Yoshida M., Rotation of F¡-ATPase and the hinge residues of the ¡3 subunit// J. Exp. Biol., V. 203, pp.1-8, 2000.

84. Panke O., Gumbiowski K., Junge W., Engelbrecht S. F-ATPase: specific observation of the rotating c subunit oligomer of EFqEFj// FEBS Lett., V. 472, pp.34-38, 2000.

85. Noji H., Yoshida M. The rotary machine in the cell, ATP synthaseII J. Biol. Chem., V. 276, pp.1665-1668, 2001.

86. Noji H., Bald D., Yasuda R., Itoh H., Yoshida M., Kinosita K. Purine but not pyrimidine nucleotides support rotation of Fi-ATPase// J. Biol. Chem., V. 276, pp.25480-25486, 2001.

87. Yasuda R., Noji H., Yoshida M., Kinosita K., Itoh, H. Resolution of distinct rotational substeps by submillisecond kinetic analysis of Fl-ATPasell Nature, V. 410, pp. 898-904,2001.

88. Ariga T., Masaike T., Noji H., Yoshida M., Stepping Rotation of F ¡-ATPase with One, Two, or Three Altered Catalytic Sites That Bind ATP Only Slowly!I J. Biol. Chem. V. 277, pp. 24870-24874. 2002.

89. Hirono-Hara Y., Noji H., Nishiura M., Muneyuki E., Hara K.Y., Yasuda R., Kinosita K., Yoshida M. Pause and rotation of F ¡-ATPase during catalysis!I Proc. Natl. Acad. Sei. USA. V. 98. pp. 13649-13654. 2001.

90. Kinisita K Jr, Kengo Adachi, H Itoh, Rotation of F ¡-ATPase: How an ATP-Driven Molecular Machine may Work!! Biophys.Biolol.Structure, V.33, pp.245268, 2004.

91. Nakamoto R.K., Ketchum C.J., Kuo P.H., Peskova Y.B., AI-Shawi, M.K. Molecular mechanisms of rotational catalysis on the F0FI ATP synthase!I BBA, V.1458, pp.289-299, 2000.

92. Tanabe M., Nishio K., Iko Y., Sambongi Y., Iwamoto-Kihara A., Wada Y., Futai M. Rotation of a complex of the y subunit and c ring of Escherichia coli ATP synthase: The rotor and stator are interchangeable!! J. Biol. Chem., V. 276, pp.15269-15274, 2001.

93. K. Nishio, A. Iwamoto-Kihara, A. Yamamoto, Yoh Wada, and M. Futai, Subunit rotation of ATP synthase embedded in membranes: a or ß subunit rotation relative to the c subunit ring//VNA.S, V. 99 (21), pp. 13448-13452, 2002.

94. H. Ueno, T. Suzuki, K. Kinosita, M. Yoshida, ATP-driven stepwise rotation of FoFrATP synthase// PNAS, V. 102 (5), pp.1333-1338, 2005.

95. Tomoko Masaike, Eiro Muneyuki, Hiroyuki Noji, Kazuhiko Kinosita, Jr. and Masasuke Yoshida, F ¡-ATPase Changes Its Conformations upon Phosphate Release!/, The Journal Of Biological Chemistry, V. 277, N. 24, pp. 21643-21649, 2002.

96. Gumbiowski K., Cherepanov D., Muller M., Panke O., Promto P., Winkler S., Junge W., Engelbrecht S. F-ATPase: Forced full rotation of the rotor despite covalent cross-link with the stator// J. Biol. Chem., V. 276, pp.42287-42292, 2002.

97. Suzuki T., Ueno H., Mitome N., Suzuki J., Yoshida M. Fo of ATP synthase is a rotary proton channel: Obligatory coupling of proton translocation with rotation of c-subunit ring// J. Biol. Chem., V. 277, pp. 13281-13285, 2002.

98. Gumbiowski K., Panke O., Junge W., Engelbrecht S. Rotation of the c subunit oligomer in EFqEFj mutant cD61NH J. Biol. Chem., V. 277, pp.31287-31290, 2002.

99. H.Itoh, A.Takahashi, K. Adachi., H.Noji., Yasuda R , Yoshida M., Kinosita K., Mechanically driven ATP synthesis by F}-ATPase// Nature, V. 427, 2004.

100. Panke, O., Cherepanov, D.A., Gumbiowski, K., Engelbrecht, S., Junge W. Viscoelastic Dynamics of Actin Filaments Coupled to Rotary F-ATPase: Angular Torque Profile of the Enzyme!/ Biophys. J. 2001. V. 81, pp. 1220-1233.

101. Siddhartha Jain, Sunil Nath, Kinetic model of ATP synthase: pH dependence of the rate of ATP synthesis// FEBS Letters, V.476, pp.113-117, 2000.

102. Oliver Pänke, Bernd Rumberg, Kinetic modeling of rotary CFqF¡-ATP synthase: storage of elastic energy during energy transduction// BBA, V. 1412, pp.118128, 1999.

103. Ming S. Liu, B. D. Todd and Richard J. Sadus Kinetics and chemomechanical properties of the F¡-ATPase molecular motor// J of Chem. Phys., V 118 (21), pp.9890-9898, 2003.

104. Yi.Qin Gao, Wei Yang, Rudolph A.Marcus and Martin Karplus, A model for the cooperative free energy transduction and kinetics of ATP hydrolysis by Fj-A TPase// PNAS, V. 100(20), pp.11339-11344, 2003.

105. Markus Dittrich, Shigehiko Hayashi, and Klaus Schulten, On the Mechanism of ATP Hydrolysis in F¡-ATPase//Biophysical Journal, V 85, pp. 2253-2266, 2003.

106. R.A.Böckman, H.Grubmüller, Nanoseconds molecular dynamics simulation of primary mechanical energy transfer steps in FrATP synthase// Nature Structural Biology, V. 9 (3), pp. 198-202, 2002.

107. W.Yang, Y.Q.Gao, Q.Cui, J.Ma, M.Karplus, The missing link between thermodynamics and structure in F¡-ATPase, PNAS, V. 100, (3), pp.874-879, 2003.

108. Rainer A. Böckmann and Helmut Grubmüller, Conformational Dynamics of the FrATPase b-Subunit: A Molecular Dynamics Study// Biophysical Journal, V 85, 2003, pp. 1482-1491.

109. Iris Antes, David Chandler, Hongyun Wang and George Oster, The Unbinding of ATP from F,-ATPase// Biophysical Journal, V 85, pp.695-706, 2003.

110. G. Oster, H. Wang, Why Is the Mechanical Efficiency of FrATPase So High?// J. Bioenerg. and Biom., V. 32, 5, 2000.

111. C. Bustamante, D. Keller, and G. Oster, The Physics of Molecular Motors// Acc. Chem. Res, V. 34, 6, pp.412-420, 2001.

112. Hongyun Wang and G. Oster, The Stokes efficiency for molecular motors and its applications//Europhys. Lett., V. 57 (1), pp.134-140, 2002.

113. Elston Т., Wang H., Oster G. Energy transduction in ATP synthase //Nature, V. 391, pp. 510-513, 1998.

114. Wang H., Oster G. Energy transduction in the Fj motor of ATP synthase// Nature, V. 396, pp.279-282, 1998.

115. Oster G., Wang H. Reverse engineering a protein: the mechanochemistry of ATP synthase // ВВА, V. 1458, pp.482-510, 2000.

116. Sean X. Sun, H. Wang, G. Oster, Asymmetry in the Fl-ATPase and Its Implications for the Rotational Cycle// Bioph. Journal, V. 86, pp. 1373-1384, 2004.

117. Cherepanov D.A., Mulkidjanian A.Y., Junge W. Transient accumulation of elastic energy in proton translocating ATP synthase // FEBS Lett., V. 449, pp. 16, 1999.

118. Финкельштейн A.B., Птицын О.Б. //Физика Белка. Изд-во Книжный дом «Университет». Москва. 2002. 375 с.