Studi funzionali e strutturali sul wildtype e sul mutante γM23-K della ATP sintasi di Rhodobacter capsulatus: ruolo dell'ADP e della forza protonmotiva nell'attivazione dell’enzima e nell'accoppiamento dell'idrolisi di ATP alla traslocazione protonica

Nel presente lavoro di tesi sono state messe a confronto le ATP sintasi wild-type e γM23-K in cromatofori del batterio fotosintetico Rhodobacter capsulatus sotto gli aspetti funzionale e regolatorio. Si pensava inizialmente che la mutazione, in base a studi riportati in letteratura condotti sull’omologa mutazione in E. coli, avrebbe indotto disaccoppiamento intrinseco nell’enzima. Il presente lavoro ha chiarito che il principale effetto della mutazione è un significativo aumento dell’affinità dell’enzima per l’ADP inibitorio, che ne determina il ridotto livello di ATP idrolisi e la rapidissima reinattivazione in seguito ad attivazione da forza protonmotiva. Il residuo 23 della subunità γ si trova posizionato in prossimità della regione conservata DEELSED carica negativamente della subunità β, e l’introduzione nel mutante di una ulteriore carica positiva potrebbe determinare una maggiore richiesta di energia per indurre l’apertura del sito catalitico. Un’analisi quantitativa dei dati di proton pumping condotta mediante inibizione parziale dell’idrolisi del wildtype ha inoltre mostrato come il grado di accoppiamento del mutante in condizioni standard non differisca sostanzialmente da quello del wild-type. D’altro canto, è stato recentemente osservato come un disaccoppiamento intrinseco possa venire osservato in condizioni opportune anche nel wild-type, e cioè a basse concentrazioni di ADP e Pi. Nel presente lavoro di tesi si è dimostrato come nel mutante l’osservazione del fenomeno del disaccoppiamento intrinseco sia facilitata rispetto al wild-type. È stato proprio nell’ambito delle misure condotte sul mutante che è stato possibile dimostrare per la prima volta il ruolo fondamentale della componente elettrica della forza protonmotiva nel mantenere lo stato enzimatico ad elevato accoppiamento. Tale ruolo è stato successivamente messo in luce anche nel wild-type, in parte anche grazie all’uso di inibitori specifici di F1 e di FO. Il disaccoppiamento intrinseco nel wild-type è stato ulteriormente esaminato anche nella sua dipendenza dalla rimozione di ADP e Pi; in particolare, oltre all’amina fluorescente ACMA, è stata utilizzata come sonda di ΔpH anche la 9-aminoacridina e come sonda di Δψ l’Oxonolo VI. In entrambi i casi il ruolo accoppiante di questi due ligandi è stato confermato, inoltre utilizzando la 9-aminoacridina è stato possibile calibrare il segnale di fluorescenza con salti acido-base, dando quindi una base quantitativa ai dati ottenuti. Noi riteniamo che il più probabile candidato strutturale coinvolto in questi cambiamenti di stato enzimatici sia la subunità ε, di cui è noto il coinvolgimento in processi di regolazione e in cambiamenti strutturali indotti da nucleotidi e dalla forza protonmotiva. In collaborazione con il Dipartimento di Chimica Fisica dell’Università di Friburgo è in atto un progetto per studiare i cambiamenti strutturali presumibilmente associati al disaccoppiamento intrinseco tramite FRET in singola molecola di complessi ATP-sintasici marcati con fluorofori sia sulla subunità ε che sulla subunità γ. Nell’ambito di questa tesi sono stati creati a questo fine alcuni doppi mutanti cisteinici ed è stato messo a punto un protocollo per la loro marcatura con sonde fluorescenti.

Intrinsic uncoupling in the ATP synthase of Escherichia coli. Studies on WT and ε-truncated mutants

The H+/ATP ratio in the catalysis of ATP synthase has generally been considered a fixed parameter. However, Melandri and coworkers have recently shown that, in the ATP synthase of the photosynthetic bacterium Rb.capsulatus, this ratio can significantly decrease during ATP hydrolysis when the concentration of either ADP or Pi is maintained at a low level (Turina et al., 2004). The present work has dealt with the ATP synthase of E.coli, looking for evidence of this phenomenon of intrinsic uncoupling in this organism as well. First of all, we have shown that the DCCD-sensitive ATP hydrolysis activity of E.coli internal membranes was strongly inhibited by ADP and Pi, with a half-maximal effect in the submicromolar range for ADP and at 140 µM for Pi. In contrast to this monotonic inhibition, however, the proton pumping activity of the enzyme, as estimated under the same conditions by the fluorescence quenching of the ΔpH-sensitive probe ACMA, showed a clearly biphasic progression, both for Pi, increasing from 0 up to approximately 200 µM, and for ADP, increasing from 0 up to a few µM. We have interpreted these results as indicating that the occupancy of ADP and Pi binding sites shifts the enzyme from a partially uncoupled state to a fully coupled state, and we expect that the ADP- and Pi-modulated intrinsic uncoupling is likely to be a general feature of prokaryotic ATP synthases. Moreover, the biphasicity of the proton pumping data suggested that two Pi binding sites are involved. In order to verify whether the same behaviour could be observed in the isolated enzyme, we have purified the ATP synthase of E.coli and reconstituted it into liposomes. Similarly as observed in the internal membrane preparation, in the isolated and reconstituted enzyme it was possible to observe inhibition of the hydrolytic activity by ADP and Pi (with half-maximal effects at few µM for ADP and at 400 µM for Pi) with a concomitant stimulation of proton pumping. Both the inhibition of ATP hydrolysis and the stimulation of proton pumping as a function of Pi were lost upon ADP removal by an ADP trap. These data have made it possible to conclude that the results obtained in E.coli internal membranes are not due to the artefactual interference of enzymatic activities other than the ones of the ATP synthase. In addition, data obtained with liposomes have allowed a calibration of the ACMA signal by ΔpH transitions of known extent, leading to a quantitative evaluation of the proton pumping data. Finally, we have focused our efforts on searching for a possible structural candidate involved in the phenomenon of intrinsic uncoupling. The ε-subunit of the ATP-synthase is known as an endogenous inhibitor of the hydrolysis activity of the complex and appears to undergo drastic conformational changes between a non-inhibitory form (down-state) and an inhibitory form (up-state)(Rodgers & Wilce, 2000; Gibbons et al., 2000). In addition, the results of Cipriano & Dunn (2006) indicated that the C-terminal domain of this subunit played an important role in the coupling mechanism of the pump, and those of Capaldi et al. (2001), Suzuki et al. (2003) were consistent with the down-state showing a higher hydrolysis-to-synthesis ratio than the up-state. Therefore, we decided to search for modulation of pumping efficiency in a C-terminally truncated ε mutant. A low copy number expression vector has been built, carrying an extra copy of uncC, with the aim of generating an ε-overexpressing E.coli strain in which normal levels of assembly of the mutated ATP-synthase complex would be promoted. We have then compared the ATP hydrolysis and the proton pumping activity in membranes prepared from these ε-overexpressing E.coli strains, which carried either the WT ε subunit or the ε88-stop truncated form. Both strains yielded well energized membranes. Noticeably, they showed a marked difference in the inhibition of hydrolysis by Pi, this effect being largely lost in the truncated mutant. However, pre-incubation of the mutated enzyme with ADP at low nanomolar concentrations (apparent Kd = 0.7nM) restored the hydrolysis inhibition, together with the modulation of intrinsic uncoupling by Pi, indicating that, contrary to wild-type, during membrane preparation the truncated mutant had lost the ADP bound at this high-affinity site, evidently due to a lower affinity (and/or higher release) for ADP of the mutant relative to wild type. Therefore, one of the effects of the C-terminal domain of ε appears to be to modulate the affinity of at least one of the binding sites for ADP. The lack of this domain does not appear so much to influence the modulability of coupling efficiency, but instead the extent of this modulation. At higher preincubated ADP concentrations (apparent Kd = 117nM), the only observed effects were inhibition of both hydrolysis and synthesis, providing a direct proof that two ADP-binding sites on the enzyme are involved in the inhibition of hydrolysis, of which only the one at higher affinity also modulates the coupling efficiency.