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1.
Elife ; 82019 07 10.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-31290743

RESUMO

The bacterial Sec translocon is a multi-protein complex responsible for translocating diverse proteins across the plasma membrane. For post-translational protein translocation, the Sec-channel - SecYEG - associates with the motor protein SecA to mediate the ATP-dependent transport of pre-proteins across the membrane. Previously, a diffusional-based Brownian ratchet mechanism for protein secretion has been proposed; the structural dynamics required to facilitate this mechanism remain unknown. Here, we employ hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) to reveal striking nucleotide-dependent conformational changes in the Sec protein-channel from Escherichia coli. In addition to the ATP-dependent opening of SecY, reported previously, we observe a counteracting, and ATP-dependent, constriction of SecA around the pre-protein. ATP binding causes SecY to open and SecA to close; while, ADP produced by hydrolysis, has the opposite effect. This alternating behaviour could help impose the directionality of the Brownian ratchet for protein transport through the Sec machinery.


Assuntos
Proteínas de Escherichia coli/metabolismo , Escherichia coli/metabolismo , Espectrometria de Massa com Troca Hidrogênio-Deutério , Nucleotídeos/metabolismo , Canais de Translocação SEC/metabolismo , Proteínas SecA/metabolismo , Trifosfato de Adenosina/metabolismo , Proteínas de Escherichia coli/química , Ativação do Canal Iônico , Conformação Proteica , Canais de Translocação SEC/química , Proteínas SecA/química
2.
Elife ; 72018 06 07.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-29877797

RESUMO

Protein translocation across cell membranes is a ubiquitous process required for protein secretion and membrane protein insertion. In bacteria, this is mostly mediated by the conserved SecYEG complex, driven through rounds of ATP hydrolysis by the cytoplasmic SecA, and the trans-membrane proton motive force. We have used single molecule techniques to explore SecY pore dynamics on multiple timescales in order to dissect the complex reaction pathway. The results show that SecA, both the signal sequence and mature components of the pre-protein, and ATP hydrolysis each have important and specific roles in channel unlocking, opening and priming for transport. After channel opening, translocation proceeds in two phases: a slow phase independent of substrate length, and a length-dependent transport phase with an intrinsic translocation rate of ~40 amino acids per second for the proOmpA substrate. Broad translocation rate distributions reflect the stochastic nature of polypeptide transport.


Assuntos
Trifosfato de Adenosina/metabolismo , Membrana Celular/metabolismo , Proteínas de Escherichia coli/metabolismo , Força Próton-Motriz , Canais de Translocação SEC/metabolismo , Adenosina Trifosfatases/química , Adenosina Trifosfatases/genética , Adenosina Trifosfatases/metabolismo , Proteínas de Bactérias/química , Proteínas de Bactérias/genética , Proteínas de Bactérias/metabolismo , Escherichia coli/genética , Escherichia coli/metabolismo , Proteínas de Escherichia coli/química , Proteínas de Escherichia coli/genética , Hidrólise , Microscopia de Fluorescência/métodos , Modelos Moleculares , Mutação , Conformação Proteica , Sinais Direcionadores de Proteínas/genética , Transporte Proteico , Canais de Translocação SEC/química , Canais de Translocação SEC/genética , Proteínas SecA
3.
Elife ; 52016 05 16.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-27183269

RESUMO

The essential process of protein secretion is achieved by the ubiquitous Sec machinery. In prokaryotes, the drive for translocation comes from ATP hydrolysis by the cytosolic motor-protein SecA, in concert with the proton motive force (PMF). However, the mechanism through which ATP hydrolysis by SecA is coupled to directional movement through SecYEG is unclear. Here, we combine all-atom molecular dynamics (MD) simulations with single molecule FRET and biochemical assays. We show that ATP binding by SecA causes opening of the SecY-channel at long range, while substrates at the SecY-channel entrance feed back to regulate nucleotide exchange by SecA. This two-way communication suggests a new, unifying 'Brownian ratchet' mechanism, whereby ATP binding and hydrolysis bias the direction of polypeptide diffusion. The model represents a solution to the problem of transporting inherently variable substrates such as polypeptides, and may underlie mechanisms of other motors that translocate proteins and nucleic acids.


Assuntos
Adenosina Trifosfatases/química , Proteínas de Bactérias/química , Escherichia coli/metabolismo , Methanocaldococcus/metabolismo , Canais de Translocação SEC/química , Thermotoga maritima/metabolismo , Difosfato de Adenosina/química , Difosfato de Adenosina/metabolismo , Adenosina Trifosfatases/genética , Adenosina Trifosfatases/metabolismo , Trifosfato de Adenosina/química , Trifosfato de Adenosina/metabolismo , Motivos de Aminoácidos , Proteínas de Bactérias/genética , Proteínas de Bactérias/metabolismo , Sítios de Ligação , Escherichia coli/genética , Expressão Gênica , Cinética , Methanocaldococcus/genética , Modelos Moleculares , Ligação Proteica , Conformação Proteica em alfa-Hélice , Domínios e Motivos de Interação entre Proteínas , Transporte Proteico , Proteínas Recombinantes/química , Proteínas Recombinantes/genética , Proteínas Recombinantes/metabolismo , Canais de Translocação SEC/genética , Canais de Translocação SEC/metabolismo , Proteínas SecA , Especificidade por Substrato , Termodinâmica , Thermotoga maritima/genética
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