Mechanochemistry

• Mechanochemistry is the coupling of the mechanical and the chemical phenomena on a molecular scale.

• Molecular motors are biological molecular machines that are the essential agents of movement in living organisms.

• A motor may be defined as a device that consumes energy in one form and converts it into motion or mechanical work; for example, many protein-based molecular motors  harness  the chemical free  energy released  by  the hydrolysis of ATP in order to perform mechanical work

Examples

• Cytoskeletal motors• Myosin is responsible for muscle contraction• Dynein produces  beating of cilia and flagella

• Polymerisation motors• Microtubule polymerization using GTP.

• Rotary motors:• FoF1-ATP synthase family  of  proteins  convert  the  chemical  energy  in  ATP  to 

the electrochemical potential energy of a proton gradient across a membrane or the other way around. 

• The  bacterial flagellum responsible  for  the  swimming  and  tumbling  of  bacteria acts as a rigid propeller that is powered by a rotary motor. 

• Nucleic acid motors:• RNA polymerase transcribes RNA from a DNA template 

The Motor of Life• An enzyme within our body's cells called an ATP Synthase.• Like  any  other motor  it  rotates,  and  surprisingly  fast  -  in  fact  at 

about 6,000 revs per minute!• Further,  it  is the last word in ultra-miniaturisation, being 200,000 

times smaller than a pinhead!• We have some 100 trillion (1 followed by 14 zeros) cells, there are 

in  excess  of  10  quadrillion  (1  followed  by  16  zeros)  of  these amazing ultra-tiny  little motors which drive our bodies and upon which our very lives depend! 

• The ATP Synthase motor's  job  is to manufacture a  little molecule called  ATP  -  short  for  Adenosine  triphosphate  -  which  is  of enormous importance for the successful functioning of our bodies.

The food we eat is ultimately converted into energy

Oxidative phosphorylation

• Process  in  which  ATP  is  formed  as  a  result  of  transfer  of electrons  from NADH or FADH2  to O2 by a  series of electron carriers.

• All oxidative steps  in  the degradation of carbohydrates,  fats, and  amino  acids  converge  at  this  final  stage  of  cellular respiration,  in  which  the  energy  of  oxidation  drives  the synthesis of ATP.

• This process takes place in mitochondrion• Major source of energy in our body.• 36-38  molecules  of  ATP  are  produced  when  glucose  is 

completely oxidized to CO2 and H2O.

Mitochondrion: Site for ATP synthesis

The Respiratory chain

• An electron transport chain (ETC) couples electron transfer between  an electron donor (such  as NADH)  and  an  electron  acceptor (such  as O2) with the transfer of H+ ions (protons) across a membrane. The resulting electrochemical  proton  gradient is  used  to generate chemical  energy in  the  form  of adenosine triphosphate.

• If  protons  flow  back  through  the  membrane,  they  enable mechanical  work,  such  as  rotating  bacterial flagella. ATP synthase,  an  enzyme  converts  this  mechanical  energy  into chemical  energy  by  producing  ATP, which  powers  most cellular reactions.

ETC• The  electron  transport  chain  comprises  an enzymatic  series  of  electron 

donors  and  acceptors.  Each  electron  donor  passes  electrons  to  a  more electronegative  acceptor,  which  in  turn  donates  these  electrons  to another acceptor, a process that continues down the series until electrons are  passed  to  oxygen,  the  most  electronegative  and  terminal  electron acceptor in the chain. 

•  Passage of electrons between donor and acceptor releases energy, which is used to generate a proton gradient across the mitochondrial membrane by actively “pumping” protons into the intermembrane space.

• This electrochemical proton gradient allows ATP synthase to use the flow of H+ through the enzyme back into the matrix to generate ATP from ADP and inorganic phosphate.

• Oxidative phosphorylation begins with the entry of electrons  into  the  respiratory  chain  via  electron carriers- nicotinamide nucleotides  (NAD or NADP) or flavin nucleotides (FMN or FAD).

• NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+

• NADP+ + 2H+ + 2e- NADPH + H+

• FMN  or  FAD  can  accept  1 e- + 1 H+     to  become semiquinone form or 2 e- + 2 H+ to form FMNH2 or FADH2 .  

Respiratory chain consists of four complexes• Complex  I  (NADH  coenzyme  Q  reductase):  accepts 

electrons  from  the Krebs  cycle electron  carrier nicotinamide  adenine  dinucleotide  (NADH),  and  passes them to coenzyme UQ (ubiquinone)

• Complex  II  (succinate  dehydrogenase):  also  passes electrons to UQ.

• Complex  III  (cytochrome  bc1 complex):  passes  electrons to cyt c 

• Complex  IV  (cytochrome  c  oxidase)  recieves  electrons from  cyt  c  and  uses  the  electrons  and  hydrogen  ions  to reduce molecular oxygen to water.

ETC

Complex I

• Two  electrons  are  removed  from  NADH  and transferred  to ubiquinone (Q).  The  reduced product, ubiquinol (QH2)  freely diffuses within the  membrane,  and  Complex  I  translocates four  protons  (H+)  across  the membrane,  thus producing a proton gradient.

Complex II

• Additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via FAD) to Q.

Complex III

• Two electrons are removed from QH2 and sequentially transferred to two molecules of cytochrome c

Complex IV

• four  electrons  are  removed  from  four molecules of cytochrome c and  transferred  to molecular  oxygen  (O2),  producing  two molecules  of  water.  At  the  same  time,  four protons  are  translocated  across  the membrane,  contributing  to  the  proton gradient.

Proton gradient powers synthesis of ATP

• Flow of electrons from NADH to oxygen is an exergonic process which is coupled to ATP synthesis, an endergonic process.

Chemiosmotic Theory• Peter  Mitchell  proposed  that  electron  transport  and  ATP 

synthesis  are  coupled  by  a proton gradient across the inner mitochondrial membrane.

• The transfer of electrons through the respiratory chain  leads to  the  pumping  of  protons  from  the matrix  to  the  cytosolic side of the inner mitochondrial membrane. 

• The  H+  concentration  becomes  lower  in  the  matrix,  and  an electrical field with the matrix side negative is generated. 

• Mitchell's  idea, called the chemiosmotic hypothesis, was that this proton-motive force drives the synthesis of ATP by ATP synthase

ATP motors• ATP synthase  (mitochon-drial ATPase or F1-F0

ATPase or Complex  V)  is  an  important enzyme that provides  energy  for  the  cell  to  use  through  the synthesis of adenosine triphosphate (ATP). 

• ATP is the most commonly used "energy currency" of cells from most organisms. 

• It  is  formed  from adenosine  diphosphate (ADP)  and inorganic phosphate (Pi), and needs energy.

• ATP synthase + ADP + Pi → ATP Synthase + ATP

ATP synthase

• Is located within the mitochondria•  ATP synthase consists of 2 regions– the FO portion is within the membrane.

– The F1 portion of the ATP synthase is above the membrane, inside the matrix of the mitochondria.

Fo-F1 complex• It  is a  large,  complex membrane-embedded enzyme  that  looks  like a 

ball on a stick. • The  85-Å  diameter  ball,  called  the  F1  subunit,  protrudes  into  the 

mitochondrial  matrix  and  contains  the  catalytic  activity  of  the synthase.

• The F1 subunit consists of five types of polypeptide chains (α3β3γδε). 

• The α and β subunits, which make up the bulk of the F1, are arranged alternately  in a hexameric  ring. Both bind nucleotides but only  the β subunits participate directly in catalysis. 

• The  central  stalk  consists  of  two  proteins:  γ  and  ε.  The  γ  subunit includes a long a-helical coiled coil that extends into the center of the α3β3 hexamer. 

• Each of the β subunits interacts with a different face of γ.

• The  F0  subunit  is  a  hydrophobic  segment  that  spans  the  inner mitochondrial membrane.

• F0 contains the proton channel of the complex.

• This channel consists of a ring comprising from 10 to 14 c subunits that are embedded in the membrane.

• A single a subunit binds to the outside of this ring.•  The proton channel depends on both the a subunit and the c ring. • The F0 and F1 subunits are connected in two ways, by the central 

γε stalk and by an exterior column. • The exterior column consists of one a subunit, two b subunits, and 

the δ subunit.

ATP Synthase as Motor Protein: The Binding Change Mechanism

• ATP synthesis is coupled with a conformational change in the ATP synthase generated by rotation of the gamma subunit. 

• the  proton-motive  force  across  the  inner  mitochondrial membrane, generated by the electron transport chain, drives the  passage  of protons through  the  membrane  via  the FO region of ATP synthase.

• The  changes  in  the  properties  of  the  three β  subunits  allow sequential  ADP  and  Pi  binding,  ATP  synthesis,  and  ATP release.

• interactions with the gamma subunit make the three b subunits inequivalent. 

• The  three  β  subunits  can  exist  in  three  different conformations:– T,  or  tight,  conformation:  binds  ATP  with  great  avidity  to 

convert bound ADP and Pi into ATP– L, or loose, conformation: binds ADP and Pi but  is sufficiently 

constrained that it cannot release bound nucleotides.– O,  or  open,  form:  exist with  a  bound  nucleotide  but  it  can 

also convert to form a more open conformation and release a bound nucleotide.

• The  interconversion  of  these  three  forms  can  be  driven  by rotation  of  the  γ  subunit.  If  the  γ  subunit  is  rotated  120 degrees in a counterclockwise direction there will be a change in the subunit in the T conformation into the O conformation, allowing the subunit to release the ATP that has been formed within it. The subunit in the L conformation will be converted into the T conformation, allowing the transition of bound ADP + Pi  into ATP. Finally,  the subunit  in  the O conformation will be  converted  into  the  L  conformation,  trapping  the  bound ADP and Pi so that they cannot escape.

Rotational catalysis: The γ subunit rotates in 120-degree increments, with each step corresponding to the hydrolysis of a single ATP molecule.

Proton Motion Across the Membrane Drives Rotation of the C Ring

• The c subunit consists of two a helices with an aspartate at 61 position.• The a subunit contains two proton half channels.• A proton enters from the intermembrane space into the cytosolic half-

channel to neutralize the charge on an aspartate residue in a c subunit. • With this charge neutralized, the c ring can rotate clockwise by one c

subunit, moving an aspartic acid residue out of the membrane into the matrix half-channel.

• This proton can move into the matrix, resetting the system to its initial state.

• Each proton enters the cytosolic half-channel, follows a complete rotation of the c ring, and exits through the other half-channel into the matrix.