Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in an ABC Transporter
Julkaisuvuosi
2018
Tekijät
Prieß, Marten; Göddeke, Hendrik; Groenhof, Gerrit; Schäfer, Lars V.
Tiivistelmä
Hydrolysis of nucleoside triphosphate (NTP) plays a key role for the function of many biomolecular systems. However, the chemistry of the catalytic reaction in terms of an atomic-level understanding of the structural, dynamic, and free energy changes associated with it often remains unknown. Here, we report the molecular mechanism of adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis in the ATP-binding cassette (ABC) transporter BtuCD-F. Free energy profiles obtained from hybrid quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) molecular dynamics (MD) simulations show that the hydrolysis reaction proceeds in a stepwise manner. First, nucleophilic attack of an activated lytic water molecule at the ATP γ-phosphate yields ADP + HPO42- as intermediate product. A conserved glutamate that is located very close to the γ-phosphate transiently accepts a proton and thus acts as catalytic base. In the second step, the proton is transferred back from the catalytic base to the γ-phosphate, yielding ADP + H2PO4-. These two chemical reaction steps are followed by rearrangements of the hydrogen bond network and the coordination of the Mg2+ ion. The rate constant estimated from the computed free energy barriers is in very good agreement with experiments. The overall free energy change of the reaction is close to zero, suggesting that phosphate bond cleavage itself does not provide a power stroke for conformational changes. Instead, ATP binding is essential for tight dimerization of the nucleotide-binding domains and the transition of the transmembrane domains from inward- to outward-facing, whereas ATP hydrolysis resets the conformational cycle. The mechanism is likely relevant for all ABC transporters and might have implications also for other NTPases, as many residues involved in nucleotide binding and hydrolysis are strictly conserved. © 2018 American Chemical Society.
Näytä enemmänOrganisaatiot ja tekijät
Julkaisutyyppi
Julkaisumuoto
Artikkeli
Emojulkaisun tyyppi
Lehti
Artikkelin tyyppi
Alkuperäisartikkeli
Yleisö
TieteellinenVertaisarvioitu
VertaisarvioituOKM:n julkaisutyyppiluokitus
A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessäJulkaisukanavan tiedot
Lehti
Kustantaja
Volyymi
4
Numero
10
Sivut
1334-1343
ISSN
Julkaisufoorumi
Julkaisufoorumitaso
1
Avoin saatavuus
Avoin saatavuus kustantajan palvelussa
Kyllä
Julkaisukanavan avoin saatavuus
Kokonaan avoin julkaisukanava
Rinnakkaistallennettu
Kyllä
Muut tiedot
Tieteenalat
Kemia; Biokemia, solu- ja molekyylibiologia
Avainsanat
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
Julkaisumaa
Yhdysvallat (USA)
Kustantajan kansainvälisyys
Kansainvälinen
Kieli
englanti
Kansainvälinen yhteisjulkaisu
Kyllä
Yhteisjulkaisu yrityksen kanssa
Ei
DOI
10.1021/acscentsci.8b00369
Julkaisu kuuluu opetus- ja kulttuuriministeriön tiedonkeruuseen
Kyllä