Структурная основа поглощения ионов меди

Mar 01, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5121 (2022) Цитировать эту статью

2453 Доступа

2 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Медь необходима для живых клеток, но токсична при повышенных концентрациях. АТФазы P-типа (P1B-) класса 1B присутствуют во всех сферах жизни, способствуя клеточному экспорту переходных металлов, включая медь. АТФазы P-типа следуют механизму попеременного доступа с обращенной внутрь конформацией E1 и обращенной наружу конформацией E2. Тем не менее, для P1B-АТФаз нет структурной информации о состояниях E1, что затрудняет понимание механизма. Здесь мы представляем структуры, которые достигают разрешения 2,7 Å медь-специфической P1B-АТФазы в конформации E1, с дополняющими данными и анализом. Наши усилия выявили расположение доменов, которое создает пространство для взаимодействия с шаперонами, отдающими ионы, и предполагают прямой перенос Cu+ в трансмембранное ядро. Метионин играет ключевую роль, помогая высвободить связанный с шапероном ион и формируя место входа груза вместе с цистеинами сигнатурного мотива CPC. В совокупности эти результаты дают представление о транспорте, опосредованном P1B, что, вероятно, применимо также к членам P1B человека.

Медь является переходным металлом, выполняющим жизненно важные функции внутри клеток, и поэтому является важным микроэлементом для организмов во всех царствах жизни. Его способность совершать окислительно-восстановительный цикл между восстановленным (Cu+) и окисленным (Cu2+) состояниями используется в ряде ключевых ферментов, например, в цитохром-с-оксидазе или НАДН-дегидрогеназе, имеющих решающее значение для фундаментальных метаболических процессов, таких как клеточное дыхание1. Тем не менее, свободная внутриклеточная медь может спровоцировать образование токсичных гидроксильных радикалов и вытеснять другие металлы из белков2. Следовательно, внутриклеточные уровни меди жестко регулируются при помощи многочисленных специализированных шаперонов, регуляторов и экспортных белков, в первую очередь АТФаз P-типа, транспортирующих медь.

АТФазы P-типа составляют большое суперсемейство, которое связывает энергию гидролиза АТФ с транспортировкой грузов через биологические мембраны. Они подразделяются на пять подсемейств, P1-5, с четырьмя подклассами, AD, на основе идентичности последовательностей и транспортной специфичности3, которая варьируется от катионов металлов до фосфолипидов4, полиаминов5 и трансмембранных спиралей6. Подкласс 1B, специфичный для переходных металлов (P1B-АТФазы), катализирует отток, например, Zn2+, Co2+, Fe2+ из внутренней части клетки, и включает специфичные для меди члены, которые исторически подразделяются на P1B-1- (CopA) и P1B-3-. АТФазы (CopB)7,8. P1B-АТФазы широко распространены у прокариот, защищая организм от стресса тяжелых металлов. У человека присутствуют два белка CopA: ATP7A и ATP7B. Нарушение этих функций вызывает тяжелые неврологические расстройства Менкеса и болезнь Вильсона соответственно9,10.

АТФазы P-типа имеют общую общую архитектуру, состоящую из трех цитозольных доменов (актуаторного (A-), фосфорилирующего (P-) и нуклеотидсвязывающего (N-)) домена, а также трансмембранного (M-) домена, состоящего из шести вездесущих доменов. трансмембранные спирали, M1-M6 (дополнительный рисунок 1). Кроме того, P1B-АТФазы обладают двумя N-концевыми трансмембранными спиралями MA и MB и от одного до шести обычно N-концевых доменов, связывающих тяжелые металлы (HMBD), причем последние играют загадочную роль в функции, связанной с поглощением ионов и/или регулирование11,12,13. Суперсемейство следует так называемому циклу реакции Поста-Альберса, механизму попеременного доступа, определяемому обращенными внутрь конформациями E1 и обращенными наружу конформациями E2 с высоким и низким сродством соответственно к транспортируемому грузу из цитоплазматического (внутри) во внеклеточный/просветный отдел. (наружные) стороны (рис. 1)14,15. Поглощение и окклюзия груза из цитозоля осуществляется в конформациях E1, и вместе с АТФ-зависимым фосфорилированием инвариантного каталитического аспартата в P-домене с образованием формы E1P это приводит к переходу во внешнее состояние E2P. Затем груз высвобождается во внеклеточное пространство, и после дефосфорилирования (E2) насос возвращается к обращенной внутрь конформации E1.