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Mechanism of proton-powered c-ring rotation in a mitochondrial ATP synthase

  • Proton-powered c-ring rotation in mitochondrial ATP synthase is crucial to convert the transmembrane protonmotive force into torque to drive the synthesis of ATP. Capitalizing on recent cryo-EM structures, we aim at a structural and energetic understanding of how functional directional rotation is achieved. We performed multi-microsecond atomistic simulations to determine the free energy profiles along the c-ring rotation angle before and after the arrival of a new proton. Our results reveal that rotation proceeds by dynamic sliding of the ring over the a-subunit surface, during which interactions with conserved polar residues stabilize distinct intermediates. Ordered water chains line up for a Grotthuss-type proton transfer in one of these intermediates. After proton transfer, a high barrier prevents backward rotation and an overall drop in free energy favors forward rotation, ensuring the directionality of c-ring rotation required for the thermodynamically disfavored ATP synthesis. The essential arginine of the a-subunit stabilizes the rotated configuration through a salt-bridge with the c-ring. Overall, we describe a complete mechanism for the rotation step of the ATP synthase rotor, thereby illuminating a process critical to all life at atomic resolution.

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Verfasserangaben:Florian E. C. BlancORCiD, Gerhard HummerORCiD
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-754099
URL:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.08.11.551925v2
DOI:https://doi.org/10.1101/2023.08.11.551925
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):bioRxiv
Dokumentart:Preprint
Sprache:Englisch
Datum der Veröffentlichung (online):17.08.2023
Datum der Erstveröffentlichung:17.08.2023
Veröffentlichende Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Datum der Freischaltung:04.09.2023
Ausgabe / Heft:2023.08.11.551925 Version 2
Auflage:Version 2
Seitenzahl:31
HeBIS-PPN:511652267
Institute:Physik
Angeschlossene und kooperierende Institutionen / MPI für Biophysik
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International