************第５３回尾張コンプレックスセミナー*************
　　　　
題  　目：　F1-ATPaseの回転と共役したリン酸解離についての分
子シミュレーション
Title   ： 　Phosphate release coupled to rotary motion of 
F1-ATPase

発 表 者：　 岡崎　圭一
Speaker ：　 Dr. Kei-ichi Okazaki

所　  属：   アメリカ国立衛生研究所
Affiliation：National Institutes of Health (NIH), USA

日  　時：　 ７月１８日（木）午後１時３０分〜（約１時間）
Date    ：　 Thu. Jul. 18th, 13:30 pm (Almost one hour)

場　  所：　情報科学研究科１階第２講義室
Place   :   1F 2nd lecture Room, Graduate School of 
            Information Science

内　  容：
ATP合成酵素において触媒部位をなす回転モーターF1-ATPaseは、
その化学力学共役メカニズムが最も詳細に調べられている分子モ
ーターの１つである。しかしながら、リン酸解離のタイミングに
ついては、1分子実験や結晶構造の結果から異なった説が唱えら
れており議論を呼んでいる。そこで、全原子分子動力学シミュレ
ーションにおいて回転子サブユニットにトルクをかけることで、
リン酸解離と回転運動の共役メカニズムとリン酸解離後の中間体
の構造を探った。さらに、リン酸解離を促進させたシミュレーシ
ョンにより、その解離のタイミングと経路を明かにした。

Abstract：

F1-ATPase, the catalytic domain of ATP synthase, synthesizes 
most of the ATP in living organisms. Running in reverse 
powered by ATP hydrolysis, this hexameric ring-shaped mole-
cular motor formed by three αβ-dimers creates torque on 
its central γ-subunit. This reverse operation enables 
detailed explorations of the mechanochemical coupling 
mechanisms in experiment and simulation. Here, we use 
molecular dynamics simulations to construct a first atomi-
stic conformation of the intermediate state following the 
40°-substep of rotary motion, and to study the timing and 
molecular mechanism of inorganic phosphate (Pi) release 
coupled to the rotation. In response to torque-driven 
rotation of the γ-subunit in the hydrolysis direction, 
the nucleotide-free αβE interface forming the “empty” 
E-site loosens and singly charged Pi readily escapes to the 
P-loop. By contrast, the interface stays closed with doubly 
charged Pi. The γ-rotation tightens the ATP-bound αβTP 
interface, as required for hydrolysis. The calculated rate 
for the outward-release of doubly charged Pi from the αβE 
interface 120° after ATP hydrolysis closely matches the ~1 
ms functional timescale. Conversely, Pi release from the 
ADP-bound αβDP interface postulated in earlier models 
would occur through a kinetically infeasible inward-directed 
passage. Our simulations help reconcile conflicting 
interpretations of single-molecule experiments and crystal-
lographic studies by clarifying the timing of Pi exit, its 
pathway and kinetics, associated changes in Pi protonation, 
and changes of the F1-ATPase structure in the 40o-substep. 
Important elements of the molecular mechanism of Pi release 
emerging from our simulations appear to be conserved in 
myosin in spite of the different functional motions.


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