F(o)F(1)-ATP合成酵素のF(o)-aサブユニットの必須アルギニン残基は、F(o)プロトンチャネルのc-リング回転を伴わないプロトンのショートカットを防ぐ役割を持っている

Essential arginine residue of the F(o)-a subunit in F(o)F(1)-ATP synthase has a role to prevent the proton shortcut without c-ring rotation in the F(o) proton channel.

• Noriyo Mitome
• Sakurako Ono
• Hiroki Sato
• Toshiharu Suzuki
• Nobuhito Sone
• Masasuke Yoshida

抄録

F(o)F(1)（F(o)F(1)-ATP合成酵素）では、F(o)を介したプロトン移動は、F(o)-aに対するF(o)-cサブユニットのオリゴマーリング（c-リング）の回転を駆動する。これまでの報告では、F(o)-aの保存されたアルギニン残基がF(o)-a/c-リング界面でのプロトン移動に重要な役割を果たしていることが示されている。本研究では、このアルギニン(aR169)を他の残基に置換した好熱性F(o)F(1s)ではプロトン共役反応を触媒できないことを示した。しかし、このアルギニン残基を小さな残基（グリシン、アラニン、バリン）または酸性残基（グルタミン酸）で置換した変異体は、受動的なプロトン移動を媒介する。第二の変異（cE56Q）が転座をブロックするので、この転座はF(o)-c（cE56）の必須カルボキシ基を必要とします。ｃ-リングとＦ（ｏ）-ａが単一のポリペプチドに融合している「回転不能」の同じアルギニン変異体（ｃ（１０）-ａ）Ｆ（ｏ）Ｆ（１）もまた、受動的なプロトン転座を示すので、ｃ-リングの回転は必要ではない。アルギニン残基がF(o)-a構造中の比較的同じトポロジカルな位置に移された変異体(aR169G/Q217R)は、受動的なプロトン移動をブロックすることができる。このように、F(o)-aの保存されたアルギニン残基は、無益なプロトンのショートカットを防ぐことで、プロトン共役c-リングの回転を確実にしています。

In F(o)F(1) (F(o)F(1)-ATP synthase), proton translocation through F(o) drives rotation of the oligomer ring of F(o)-c subunits (c-ring) relative to F(o)-a. Previous reports have indicated that a conserved arginine residue in F(o)-a plays a critical role in the proton transfer at the F(o)-a/c-ring interface. Indeed, we show in the present study that thermophilic F(o)F(1s) with substitution of this arginine (aR169) to other residues cannot catalyse proton-coupled reactions. However, mutants with substitution of this arginine residue by a small (glycine, alanine, valine) or acidic (glutamate) residue mediate the passive proton translocation. This translocation requires an essential carboxy group of F(o)-c (cE56) since the second mutation (cE56Q) blocks the translocation. Rotation of the c-ring is not necessary because the same arginine mutants of the 'rotation-impossible' (c(10)-a)F(o)F(1), in which the c-ring and F(o)-a are fused to a single polypeptide, also exhibits the passive proton translocation. The mutant (aR169G/Q217R), in which the arginine residue is transferred to putatively the same topological position in the F(o)-a structure, can block the passive proton translocation. Thus the conserved arginine residue in F(o)-a ensures proton-coupled c-ring rotation by preventing a futile proton shortcut.