Van de structurele en (dys)functie van ATP-synthase tot tekorten aan leeftijdsgebonden ziekten Pa

Abstract:

Het ATP-synthase is een mitochondriaal binnenmembraancomplex waarvan de functie essentieel is voor de bio-energie van cellen, omdat het verantwoordelijk is voor de omzetting van ADP in ATP en een rol speelt in de organisatie van de mitochondriale cristae-morfologie.

De afgelopen jaren hebben steeds meer onderzoeken aangetoond dat er een nauw verband bestaat tussen het mitochondriale binnenmembraancomplex en het geheugen. Het mitochondriale binnenmembraancomplex is een complex dat bestaat uit meerdere eiwitten die zich op het binnenste mitochondriale membraan bevinden. Het is voornamelijk verantwoordelijk voor het reguleren van processen zoals het energiemetabolisme en celdood in cellen. Geheugen verwijst naar het vermogen van het menselijk brein om externe stimuli, ervaringen en dingen te leren, te onthouden en vast te houden. Hoewel de twee niets met elkaar te maken lijken te hebben, hebben recente onderzoeken aangetoond dat het mitochondriale binnenmembraancomplex onlosmakelijk verbonden is met het geheugen.

Ten eerste speelt het mitochondriale binnenmembraancomplex een cruciale rol in de energievoorziening van hersencellen. Wanneer het menselijk lichaam zich in een staat van denken, leren en geheugen op een hoog niveau bevindt, hebben de hersenen een grote hoeveelheid energie nodig om de normale activiteit te behouden. Het mitochondriale binnenmembraancomplex kan het energieniveau in cellen verhogen door het glucosemetabolisme in de mitochondriën te reguleren, waardoor de hersenen normaal kunnen functioneren onder hoge intensiteitsdenken en geheugentoestanden.

Ten tweede kan het mitochondriale binnenmembraancomplex ook het geheugen beïnvloeden door de ATP-synthese te reguleren. ATP is een intracellulair energiemolecuul dat een cruciale rol speelt in het normale functioneren van cellen. Het binnenste mitochondriale membraancomplex reguleert de synthese en het niveau van ATP, zodat het het geheugen van mensen kan beïnvloeden door het ATP-niveau in de cel redelijk te reguleren. Sommige gerelateerde onderzoeken hebben ook aangetoond dat wanneer het ATP-niveau in de cellen hoog is, de leer- en geheugencapaciteiten van mensen aanzienlijk zullen worden verbeterd.

Ten slotte kunnen mitochondriale binnenmembraancomplexen ook het afstervingsproces van hersencellen beïnvloeden. Wanneer hersencellen om verschillende redenen onder grotere overlevingsdruk staan, kan het doodsproces gemakkelijk optreden. Het mitochondriale binnenmembraancomplex kan de overleving van hersencellen beschermen door mechanismen zoals apoptose en autofagie te reguleren, waardoor het geheugen van mensen behouden blijft.

Daarom geven de bovenstaande onderzoeken aan dat er een onlosmakelijk verband bestaat tussen de mitochondriale binnenmembraancomplexen en het geheugen. Door de functie van het mitochondriale binnenmembraancomplex goed te reguleren, kunnen mensen hun geheugen verbeteren, waardoor hun leer- en werkefficiëntie verbeteren en een beter leven leiden. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola een traditioneel Chinees medicinaal materiaal is dat veel unieke effecten heeft, waaronder het verbeteren van het geheugen. De werkzaamheid van Cistanche deserticola komt voort uit de vele actieve ingrediënten die het bevat, waaronder looizuur, polysachariden, flavonoïde glycosiden, enz. Deze ingrediënten kunnen de gezondheid van de hersenen via verschillende routes bevorderen.

Klik op 10 manieren kennen om het geheugen te verbeteren

Het enzym bestaat uit 18 eiwitsubeenheden, 16 gecodeerd nucleair DNA (nDNA) en twee gecodeerde mitochondriaal DNA (mtDNA), georganiseerd in twee domeinen, FO en F1. Pathogenetische varianten in genen die coderen voor structurele subeenheden of assemblagefactoren zijn verantwoordelijk voor dodelijke ziekten bij de mens.

Opkomend bewijs onderstreept ook de rol van ATP-synthaseïne neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson, Alzheimer, en motorneuronziekten zoals Amyotrofische Laterale Sclerose.

Post-translationele modificatie, epigenetische modulatie van ATP-genexpressie en eiwitniveau, en het mechanisme van de mitochondriale transitieporie worden verantwoordelijk geacht voor neuronale celdood in vivo en in vitro-modellen voor neurodegeneratieve ziekten. In dit overzicht zullen we de assemblage en functie van ATP-synthase in fysiologische en pathologische omstandigheden onderzoeken door te verwijzen naar recente cryo-EM-studies en door menselijke ziektemodellen te onderzoeken.

Trefwoorden: mitochondriën; ATP-synthase; celdood; neurodegeneratieve ziekten.

1. Inleiding

Het overleven van cellen is afhankelijk van de energieproductie in de vorm van ATP-moleculen (adenosinetrifosfaat), de universele energievaluta voor alle levende organismen. De mitochondriën, ook wel de cellulaire krachtcentrale genoemd, zijn de energieproducerende organellen van de cel [1].

Unieke kenmerken zijn de aanwezigheid van DNA (mtDNA) dat uitsluitend van de moeder wordt geërfd. De dubbele controle van zowel nucleair (nDNA) als mtDNA is verantwoordelijk voor het coderen van ongeveer 1500 eiwitten, die een rol spelen bij de functie en het onderhoud van de mitochondriën.

ATP-synthase (EC 3.6.1.34), ook bekend als complex V, bestaat uit 18 eiwitsubeenheden, 16 nDNA-gecodeerd en twee mtDNA-gecodeerd. De belangrijkste functie is de omzetting van ADP in ATP, dankzij de protonengradiënt die wordt gegenereerd door de complexen I tot en met IV en die het rotormechanisme activeert. Omdat ze essentieel zijn in aërobe cellen, zijn de basisstructuur en de katalytische mechanismen van ATP-synthase in hoge mate geconserveerd bij alle soorten, van bacteriën tot eukaryoten [2,3].

Bovendien is het enzym betrokken bij de morfologie van de mitochondriën door bij te dragen aan de vorming van cristae in het binnenmembraan, een gebeurtenis die evolueert en 'overtollige' membraansubeenheden omvat [4].

Het ATP-synthase speelt een sleutelrol in de bio-energetische machinerie van cellen [5] door het prominente kenmerk van het ‘levensenzym’ te benadrukken. Anders kan mitochondriale disfunctie voortkomen uit de moleculaire omschakeling van de ATP-synthasefunctie die optreedt bij de "overtallige" subeenheidmodificatie door het stimuleren van verschillende vormen van gereguleerde celdood [6].

Het fysio(patho)logische fenomeen zou de Ca2+-afhankelijke permeabiliteitsovergang van het mitochondriale binnenmembraan naar ionen en opgeloste stoffen met een molecuulmassa tot ongeveer 1,5 KDa kunnen omvatten [7–9]. Bewijsmateriaal benadrukt de rol van dit fascinerende enzymencomplex als een belangrijke moleculaire en enzymatische schakel tussen leven en dood van cellen en vergroot de aantrekkelijkheid ervan als farmacologisch doelwit en medicijnontwerp [10].

Mitochondriën kunnen echter deelnemen aan zowel het ontwikkelingsproces als het celdoodproces, waarbij kenmerken afhankelijk zijn van het fenomeen dat een kanaal met hoge geleiding vormt, bekend als mitochondriale permeabiliteitsovergangsporie (mPTP) [11]. De toename van de oudere bevolking in de moderne de samenleving is een probleem geworden in termen van sociaal-economische lasten als gevolg van de hogere incidentie van leeftijdsgebonden neurodegeneratieve ziekten.

Daarom is de ontwikkeling van nieuwe strategieën die zich richten op deze pathologische kenmerken een actueel onderwerp. Slechte energiehomeostase gekoppeld aan mitochondriale disfunctie komt voort uit een verstoord of defect energietransductiesysteem, dat de belangrijkste biochemische schade vormt bij een verscheidenheid aan genetische en neuropsychiatrische ziekten [12].

Bij verschillende neurodegeneratieve ziekten zijn eiwitaggregatie en mitochondriale disfunctie twee pathogene processen die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van ouderdomsziekten. Structurele en functionele defecten in de mitochondriën zijn inderdaad toe te schrijven aan verstoringen in de mitochondriale dynamiek die leiden tot neurodegeneratie en veroudering, de ziekte van Alzheimer (AD), de ziekte van Parkinson. (PD), amyotrofische laterale sclerose (ALS) en de ziekte van Huntington (HD).

De remming van overmatige splijting vermindert de celdoodroute die wordt veroorzaakt door mitochondriale dysfunctie [13]. Daarom is de morfologie van mitochondriën nauw betrokken bij veroudering door diepgaande leeftijdsafhankelijke veranderingen in de membraanarchitectuur te onthullen.

Het ATP-synthase is betrokken bij het genereren van de morfologie van mitochondriale cristae [4]. ATP-synthasedimeren zijn gerangschikt in lange rijen op de punt van cristae, samen met het MICOS-complex (mitochondriale contactplaats en cristae-organiserend systeem) op cristae-overgangen en werken samen door de effecten op de membraankromming tegen te werken met de morfologie van de cristae [14].

De membraanhermodellering die wordt veroorzaakt door de demontage van de supramoleculaire organisatie van ATP-synthase lijkt op de blaasjes in het binnenmembraan van oude mitochondriën. Naar alle waarschijnlijkheid worden de cristae korter en vallen ze samen met de dissociatie van de ATP-synthase-dimeren die de convexe membraankromming in het binnenste mitochondriale membraan (IMM) vermindert.

Leeftijdsgebonden achteruitgang in bio-energetica, redoxhomeostase en mitochondriale calciumcapaciteit dragen bij aan het versnellen van de pathogenese. Het falen van de organisatorische kracht van de energiestroom in cellen is inderdaad de basis van de biologische complexiteit van ziekten bij veroudering [15].

2. De structuur en functie van de ATP-synthase

Het ATP-synthase is een alomtegenwoordig oligomeer complex dat is geplaatst in de energietransducerende membranen van mitochondriën, chloroplasten en bacteriën [16]. De transmembraan protonmotorische kracht (∆p) wordt door ATP-synthase gebruikt als energiebron.

De ∆p drijft het mechanische rotatiemechanisme aan door het membraan-ingebedde deel van het enzym (FO) gekoppeld aan de chemomechanische synthese van ATP uit ADP en Pi op het hydrofiele F1-deel (Figuur 1). Bovendien wordt de ∆p die wordt gegenereerd door substraatoxidatie tijdens de mitochondriale ademhaling gedissipeerd door FO, waarbij koppelgeneratie van de rotor het coöperatieve ATP-bindingsveranderingsmechanisme van katalytische locaties tijdens ATP-productie mogelijk maakt [17]. Omgekeerd werkt het enzym tijdens ATP-hydrolyse omgekeerd als een H+-pomp en geeft het de IMM nieuwe energie.

Dit bifunctionele energietransmissiemechanisme van ATP-synthase is uniek in biologische systemen [18]. De membraangebonden rotor bestaat uit een c-ring van acht identieke spiraalvormige haarspeldstructuren die in nauw contact staan ​​met de subeenheid.

De c-ring-stoichiometrie is soortafhankelijk en nauw gerelateerd aan de mitochondriaalbio-energetische kosten [2,3].

Elke c-subeenheid heeft een H+--bindingsplaats gedefinieerd door een geconserveerde zuursideketen (Glu58 bij zoogdieren) op de C-terminale helix in het midden van IMM die dicyclohexylcarbodiimide-gevoelig is en essentieel bij ATP-synthese of hydrolyse.

De H+-translocatie vindt plaats tussen twee waterige halfkanalen in een subeenheid [19], waarbij een asymmetrische opstelling de twee tegengestelde rotatierichtingen dicteert bij de ATP-synthese en hydrolyse [20]. De rotatie van de c-ring wordt rechtstreeks naar het F1-domein overgebracht door de asymmetrische centrale steel (bestaande uit , δ en ε-subeenheid) die met de "voet" aan de c-ring is bevestigd. De subeenheid van de centrale stengel dringt door langs de centrale as van het F1-domein, dat drie niet-katalytische en drie katalytische subeenheden bevat, afwisselend in een hexamere ()3-structuur rond de centrale stengel (Figuur 1).

De katalytische plaatsen zijn op de subeenheden geplaatst op het grensvlak met de subeenheden. Elke subeenheid katalyseert de synthese- of hydrolysereactie, aangedreven door respectievelijk ∆p- of ATP-fosforyleringspotentieel. Tijdens de synthese vindt de rotatie van het rotoraanzicht vanaf de matrixzijde tegen de klok in plaats. Omgekeerd ondersteunt de rotatie van de rotor met de klok mee de hydrolyse van ATP.

Elke subeenheid transformeert een ATP-molecuul in een volledige rotatie (360◦). Daarom produceert of hydrolyseert het ATP-synthase drie ATP-moleculen per cyclus. Dit coördinatenmechanisme is de moleculaire gebeurtenis van een ‘Splendid Molecular Machine’, ondersteund door een coöperatief bindingsveranderingsmechanisme van de ()3-structuur [21]. De katalytische plaatsen kunnen inderdaad drie verschillende conformaties aannemen, gekenmerkt door een verschillende affiniteit voor adeninenucleotide.

De TP, DP en E hebben drie nucleotide-gebonden toestanden: de eerste heeft ATP of ATP-analogen op de katalytische plaats, de tweede heeft ATP of ADP, en de derde heeft geen gebonden nucleotide. De affiniteit voor adenine-nucleotide neemt af bij afwezigheid van ATP en maakt de "gesloten" conformatie met de TP-, DP-toestanden of "open" toestand met E mogelijk. De enzymkinetiek van de katalytische plaatsen vereist nucleotidecoördinatie met de essentiële cofactor Mg{{1} } [22], wat bijdraagt ​​aan de asymmetrie van de katalytische plaatsen, waardoor de verschillende affiniteiten voor ATP ontstaan ​​[23].

Integendeel: alle subeenheden die aan het ATP-molecuul zijn gebonden, coördineren met de Mg2+-cofactor en ondergaan geen chemische transformatie. Het aan de niet-katalytische sites gebonden MgATP speelt een belangrijke rol bij het mogelijk maken van de onthechting van ADP van de sites. In het bijzonder vormt de ATP-hydrolyse een E-toestand geladen met ADP in een "halfgesloten" conformatie die de ATP-synthase zou kunnen remmen in de afwezigheid van MgATP op de niet-katalytische plaatsen [24]. Onlangs hebben Pinke et al. hebben een cryo-EM-structuur van ATP-synthase onthuld waarbij de natuurlijke cofactor Mg2+ in de katalytische plaatsen is gesubstitueerd door de Ca2+ [25].

De ATP-synthase geactiveerd door Ca2+ als cofactor ondersteunt alleen de monofunctionele activiteit van ATP-hydrolyse, terwijl ATP-synthese niet is toegestaan. In inside-out-submitochondriale deeltjes bepaalt de hydrolyse van ATP in de aanwezigheid van Ca2+ de acridine-fluorescentie die niet uitdooft [26]. Omgekeerd wordt de ATPase-activiteit gemoduleerd door de ∆p [27]. Vanwege deze tegengestelde resultaten staat de Ca2+--afhankelijke ATP-hydrolyse gekoppeld aan H+-pompactiviteit ter discussie, zelfs als de unidirectionele rotatiekatalyse behouden blijft [28].

De pathofysiologische rol van Ca2+-ondersteunde ATP-hydrolyse moet echter niet worden onderzocht in de activiteit van ATP-synthase (on)gekoppeld aan H+-translocatie, maar in de inductie van conformationele veranderingen die leiden tot de vorming van mPTP [29]. Belangrijk is dat een statische structuur aan de rand van de centrale rotor, die de gehele ATP-synthaselengte overspant, als een stator fungeert om het ()3 rotatiekoppel van de centrale steel te voorkomen.

De perifere stengel (PS) zorgt voor het energietransductiemechanisme van het enzym, waarbij de enzymactiviteit van het hydrofiele F1-domein gekoppeld is aan H+-translocatie in het hydrofobe FO-domein [22,30]. De PS is samengesteld uit hydrofiele en hydrofobe subeenheden. De eerstgenoemden zijn het oligomycine-gevoeligheidsverlenende eiwit (OSCP), F6, het oplosbare deel van de b- en d-subeenheid gebonden aan de () 3-hexamere structuur van het F1-domein, terwijl het hydrofobe deel van de b- en A6L-subeenheden het ingebedde deel in de IMM vormt. van de PS (Figuur 1).

Het voorkomen van stationaire rotatie van de bolvormige katalytische structuur van het F1-domein met de rotor wordt echter mogelijk gemaakt door gebruik te maken van de elastische eigenschap van de PS. De scharnierbeweging tussen de domeinen van de OSCP kan de flexibele koppeling van F1 en FO vergemakkelijken [31].

For more information:1950477648nn@gmail.com