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1.
Sci Adv ; 5(6): eaav9404, 2019 06.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-31206019

RESUMO

Escherichia coli exports proteins via a translocase comprising SecA and the translocon, SecYEG. Structural changes of active translocases underlie general secretory system function, yet directly visualizing dynamics has been challenging. We imaged active translocases in lipid bilayers as a function of precursor protein species, nucleotide species, and stage of translocation using atomic force microscopy (AFM). Starting from nearly identical initial states, SecA more readily dissociated from SecYEG when engaged with the precursor of outer membrane protein A as compared to the precursor of galactose-binding protein. For the SecA that remained bound to the translocon, the quaternary structure varied with nucleotide, populating SecA2 primarily with adenosine diphosphate (ADP) and adenosine triphosphate, and the SecA monomer with the transition state analog ADP-AlF3. Conformations of translocases exhibited precursor-dependent differences on the AFM imaging time scale. The data, acquired under near-native conditions, suggest that the translocation process varies with precursor species.


Assuntos
Proteínas da Membrana Bacteriana Externa/química , Proteínas de Ligação ao Cálcio/química , Proteínas de Escherichia coli/química , Escherichia coli/genética , Bicamadas Lipídicas/química , Proteínas de Transporte de Monossacarídeos/química , Proteínas Periplásmicas de Ligação/química , Precursores de Proteínas/química , Proteínas SecA/química , Difosfato de Adenosina/química , Difosfato de Adenosina/metabolismo , Trifosfato de Adenosina/química , Trifosfato de Adenosina/metabolismo , Proteínas da Membrana Bacteriana Externa/genética , Proteínas da Membrana Bacteriana Externa/metabolismo , Proteínas de Ligação ao Cálcio/genética , Proteínas de Ligação ao Cálcio/metabolismo , Escherichia coli/química , Escherichia coli/metabolismo , Proteínas de Escherichia coli/genética , Proteínas de Escherichia coli/metabolismo , Expressão Gênica , Bicamadas Lipídicas/metabolismo , Microscopia de Força Atômica , Proteínas de Transporte de Monossacarídeos/genética , Proteínas de Transporte de Monossacarídeos/metabolismo , Proteínas Periplásmicas de Ligação/genética , Proteínas Periplásmicas de Ligação/metabolismo , Ligação Proteica , Multimerização Proteica , Precursores de Proteínas/genética , Precursores de Proteínas/metabolismo , Estrutura Quaternária de Proteína , Transporte Proteico , Proteolipídeos/química , Proteolipídeos/metabolismo , Proteínas Recombinantes/química , Proteínas Recombinantes/genética , Proteínas Recombinantes/metabolismo , Canais de Translocação SEC/química , Canais de Translocação SEC/genética , Canais de Translocação SEC/metabolismo , Proteínas SecA/genética , Proteínas SecA/metabolismo
2.
Sci Adv ; 4(10): eaat8797, 2018 10.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-30397644

RESUMO

SecA is the critical adenosine triphosphatase that drives preprotein transport through the translocon, SecYEG, in Escherichia coli. This process is thought to be regulated by conformational changes of specific domains of SecA, but real-time, real-space measurement of these changes is lacking. We use single-molecule atomic force microscopy (AFM) to visualize nucleotide-dependent conformations and conformational dynamics of SecA. Distinct topographical populations were observed in the presence of specific nucleotides. AFM investigations during basal adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis revealed rapid, reversible transitions between a compact and an extended state at the ~100-ms time scale. A SecA mutant lacking the precursor-binding domain (PBD) aided interpretation. Further, the biochemical activity of SecA prepared for AFM was confirmed by tracking inorganic phosphate release. We conclude that ATP-driven dynamics are largely due to PBD motion but that other segments of SecA contribute to this motion during the transition state of the ATP hydrolysis cycle.


Assuntos
Adenosina Trifosfatases/metabolismo , Trifosfato de Adenosina/farmacologia , Proteínas de Bactérias/química , Proteínas de Bactérias/metabolismo , Canais de Translocação SEC/química , Canais de Translocação SEC/metabolismo , Análise de Célula Única/métodos , Adenosina Trifosfatases/química , Adenosina Trifosfatases/efeitos dos fármacos , Trifosfato de Adenosina/metabolismo , Proteínas de Bactérias/efeitos dos fármacos , Escherichia coli , Hidrólise , Ligação Proteica , Conformação Proteica , Transporte Proteico , Canais de Translocação SEC/efeitos dos fármacos , Proteínas SecA
3.
Sci Rep ; 8(1): 978, 2018 01 17.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-29343783

RESUMO

Imaging by atomic force microscopy (AFM) offers high-resolution descriptions of many biological systems; however, regardless of resolution, conclusions drawn from AFM images are only as robust as the analysis leading to those conclusions. Vital to the analysis of biomolecules in AFM imagery is the initial detection of individual particles from large-scale images. Threshold and watershed algorithms are conventional for automatic particle detection but demand manual image preprocessing and produce particle boundaries which deform as a function of user-defined parameters, producing imprecise results subject to bias. Here, we introduce the Hessian blob to address these shortcomings. Combining a scale-space framework with measures of local image curvature, the Hessian blob formally defines particle centers and their boundaries, both to subpixel precision. Resulting particle boundaries are independent of user defined parameters, with no image preprocessing required. We demonstrate through direct comparison that the Hessian blob algorithm more accurately detects biomolecules than conventional AFM particle detection techniques. Furthermore, the algorithm proves largely insensitive to common imaging artifacts and noise, delivering a stable framework for particle analysis in AFM.

4.
Sci Rep ; 5: 12550, 2015 Jul 31.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-26228793

RESUMO

Though ubiquitous in optical microscopy, glass has long been overlooked as a specimen supporting surface for high resolution atomic force microscopy (AFM) investigations due to its roughness. Using bacteriorhodopsin from Halobacterium salinarum and the translocon SecYEG from Escherichia coli, we demonstrate that faithful images of 2D crystalline and non-crystalline membrane proteins in lipid bilayers can be obtained on microscope cover glass following a straight-forward cleaning procedure. Direct comparison between AFM data obtained on glass and on mica substrates show no major differences in image fidelity. Repeated association of the ATPase SecA with the cytoplasmic protrusion of SecYEG demonstrates that the translocon remains competent for binding after tens of minutes of continuous AFM imaging. This opens the door for precision long-timescale investigations of the active translocase in near-native conditions and, more generally, for integration of high resolution biological AFM with many powerful optical techniques that require non-birefringent substrates.


Assuntos
Vidro , Proteínas de Membrana/análise , Microscopia de Força Atômica/métodos , Adenosina Trifosfatases/análise , Adenosina Trifosfatases/química , Silicatos de Alumínio , Proteínas de Bactérias/análise , Proteínas de Bactérias/química , Bacteriorodopsinas/análise , Bacteriorodopsinas/química , Proteínas de Escherichia coli/análise , Proteínas de Escherichia coli/química , Halobacterium salinarum/química , Processamento de Imagem Assistida por Computador , Bicamadas Lipídicas/química , Proteínas de Membrana/química , Proteínas de Membrana Transportadoras/análise , Proteínas de Membrana Transportadoras/química , Microscopia de Força Atômica/instrumentação , Canais de Translocação SEC , Proteínas SecA
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