ATP合成酶（廣泛分布于線(xiàn)粒體內膜的蛋白酶）
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ATP合成酶
廣泛分布于線(xiàn)粒體內膜的蛋白酶
概述
ATP合成酶
組成
ATP合酶主要由F?(伸在膜外的水溶性部分) 和Fo(嵌入膜內)組成(圖1)。不同物種來(lái)源的 ATP合酶含的亞基和數目不盡相同。以牛心線(xiàn)粒體 ATP合酶為例，它的F?含有僅α3、β3、γ、δ、ε共9 個(gè)亞基，Fo含a、b2、C10共13個(gè)亞基，F?與Fo之間有OSCP柄相連接，還有抑制蛋白。線(xiàn)粒體F?Fo-ATP酶的總分子量約為500 ku。對大腸桿菌ATP合酶的研究較為詳盡，它的F?含5種亞基α、β、γ、δ、ε，分子量分別是55.3、50.3、31.6、19.3和14.9 ku。準量關(guān)系為α3、β3、γ、δ和ε。F?的總分子量為382 ku。Fo由a、b、c 3種亞基組成，分子量分別為30.3、17.2和8.3 ku，準量關(guān)系為a，b2，C9-12。Fo的總分子量約為164 ku，因此大腸桿菌F?Fo一ATP酶的總分子量共為546 ku。葉綠體ATP酶由CF?和CFo兩部分組成，它們的亞基的組成和分子量與上述兩種ATP合酶大體相似，但又有一定的差異。
結構
ATP合酶結構
F1由5個(gè)不同的亞基組成，用化學(xué)計量法表示是α3β3γ1δε1。通過(guò)對牛F1部分的X－Ray晶體衍射分析，得到了一個(gè)很確切的結構—α3β3γ集合體。α和β亞基的三個(gè)重復結構輪流圍繞在γ亞基α螺旋結構的氨基和羧基末端。此外，重要的是三個(gè)β亞基在結合核苷酸后會(huì )處于不同的狀態(tài)：βT,βD和βE。β亞基的不均勻性結構與酶的接觸反應部分相比，顯然是一致的。
F0是由三個(gè)亞基構成，化學(xué)計量法表示是a1b2c10-12。c和a亞基的cAsp-61和aArg-210對質(zhì)子遷移分別獨立作用。同時(shí)提出了具有12個(gè)c亞基的環(huán)狀結構，并且電子顯微鏡、原子粒顯微鏡也這樣提示，而且單個(gè)c亞基的核磁共振形成的模型擁有兩個(gè)跨膜α螺旋結構。
描述的是Escherichiacoli的F1F0結構。蛋白是具有兩個(gè)方向的。F1部分包括α3，β3，γ，δ和ε亞基，F0部分包含a,b和c亞基，測定其化學(xué)含量比為1：2：10－14。F1和F0由兩個(gè)細莖連在一起，中心的一條連接γ和ε亞基，外圍的那條則旋繞δ和b亞基。在哺乳動(dòng)物，通常會(huì )有額外的亞基在細莖部位。
合成和水解
ATP合成酶位置
ATP合酶在線(xiàn)粒體內膜上的分布不對稱(chēng)，數量也不相等。
F1部分包含3個(gè)結合位點(diǎn)，在每一個(gè)β亞基上。當少量的ATP增加時(shí)，這些結合位點(diǎn)被占據，底物結合的就非常緊密并且ATP的水解發(fā)生得非常緩慢。過(guò)量的ATP則導致其可結合在所有的結合位點(diǎn)上，并且伴隨產(chǎn)生的是在第二和第三個(gè)位點(diǎn)上具有很低的底物親和力。且第三位點(diǎn)的使用率若增加，ATP的水解率則增加104～105。
F1部分是一個(gè)有效的三倍復合體，由三個(gè)α亞基和β亞基組成，其具有與底物結合強的負協(xié)調性質(zhì)，同時(shí)亦具有酶活性的正協(xié)調性質(zhì)。為了解釋這些特殊的部分，Boyer提出“結合導致變化”或者稱(chēng)為“抉擇位點(diǎn)”的假想。這則假想的關(guān)鍵特征是三個(gè)結合位點(diǎn)，和因此由三個(gè)α和β亞基配對形成的這些位點(diǎn)，在任何時(shí)期有不同的信息。一個(gè)開(kāi)放并且準備ATP（或者ADP＋Pi）結合，而第二和第三個(gè)位點(diǎn)則圍繞著(zhù)一定的核苷酸，部分獨立的開(kāi)放或者關(guān)閉。ATP結合物和開(kāi)放位點(diǎn)關(guān)閉的結果可以產(chǎn)生協(xié)調信息的變化，其他的兩個(gè)位點(diǎn)也發(fā)生了改變，導致關(guān)閉的位點(diǎn)成為了部分開(kāi)放，而部分開(kāi)放的位點(diǎn)成為全部開(kāi)放。如此，每個(gè)位點(diǎn)當ATP水解時(shí)，在三個(gè)狀態(tài)下發(fā)生變化，在相反的過(guò)程中，即當ATP合成時(shí)，同樣發(fā)生變化。一些構象調節的細節表明三組αβ配對亞基一起同時(shí)被調控，然而對于在每一時(shí)期每一位點(diǎn)ATP合成或者分裂過(guò)程中，其反應的中止仍然有爭議。
電子顯微鏡研究表明在α3β3構成的環(huán)中，γ亞基具有旋轉性。這在80年代就已經(jīng)證明。這些分析令人信服的顯示了α和β亞基圍繞這個(gè)六邊體發(fā)生的改變，六邊體包含一個(gè)中心物質(zhì)，這已經(jīng)被認定是γ亞基。
F1部分，化學(xué)能促使γ亞基旋轉。確切的結構揭示了γ亞基與三個(gè)β亞基分別的相互作用。與結構上的特征一致，γ亞基上的突變常常抑制ATP合成/水解，或者影響能量的配對，并且這些突變可受β亞基上的第二個(gè)突變抑制。此外，在氨基末端的突變也可受羧基端的突變抑制。類(lèi)似的，羧基端的突變亦受氨基末端突變的抑制。然而這兩個(gè)區域并不直接的相互作用，所觀(guān)察到的現象是長(cháng)距離抑制現象，這提示在催化過(guò)程中，γ亞基的構象有一個(gè)大的改變。
當β亞基在催化過(guò)程中進(jìn)行一系列構象的變化時(shí)（βTβDβE）），在α3β的六邊體里，γ亞基也相應的改變著(zhù)構象。這種位置的改變最有可能的機制是γ亞基在六邊體里自我的旋轉所導致。γ亞基的旋轉已經(jīng)由一流的生物化學(xué)試驗所提示，包括β/γ亞基的化學(xué)交聯(lián)，連接γ亞基的探針漂白后偏震現象的恢復，這些均已發(fā)現。ATP水解時(shí)的旋轉借助連接嗜溫的桿狀菌γ亞基的肌絲蛋白所記錄。在這個(gè)試驗當中，F1通過(guò)一個(gè)插入β亞基氨基末端的組氨酸標簽固定在玻璃的表面。隨著(zhù)旋轉，扭力發(fā)生，與生理學(xué)ATP水解釋放的自由能相比，扭力接近40～50pNnm。因此，αβ3γ復合物是一個(gè)將化學(xué)能轉變?yōu)闄C械能的有效的分子發(fā)動(dòng)機。
ATP合成過(guò)程
F0旋轉子的旋轉機制：依賴(lài)a亞基c環(huán)的活動(dòng)。與F1相比，ATP合成酶中另一個(gè)已經(jīng)很好詮釋的部分是F0，然而在基本的機械模型中，沒(méi)有一個(gè)能夠解決F0的結構。目前F0結構模型來(lái)源于核磁共振中測得的單個(gè)c亞基分子的結構，并且同時(shí)參考酵母菌F1F0復合物部分X－Ray和原子粒顯微鏡研究數據得出模型結構，所有的這些數據支持圖1中的環(huán)狀排列。對c亞基和a亞基之間的表面假設的質(zhì)子通道的研究，采用了突變的研究方法，并且證實(shí)c亞基的Asp61和a亞基的Arg210是質(zhì)子轉移的關(guān)鍵氨基酸。
有的人通過(guò)實(shí)驗發(fā)現來(lái)源于細菌的F1F0可以像泵質(zhì)子一樣泵Na＋，簡(jiǎn)單的復合物研究發(fā)現當酶激活時(shí)，離子在遷移。另外通過(guò)致突變研究，去掉Na＋遷移，而Li＋或者H＋保留；現a亞基發(fā)生了一些改變。同時(shí)也發(fā)現在這個(gè)誘導的突變中，Na＋抑制了ATP的水解，這是因為鈉質(zhì)子通道陽(yáng)離子的吸引作用。這強有力的證明了F0部分時(shí)作為一個(gè)單獨的通道而起作用的。
對這個(gè)機制的任何細節上的解釋顯然都需要了解環(huán)上c亞基的數目，但是對其精確的測量證明是很困難的?？偨Y以往的實(shí)驗數據，c亞基的化學(xué)計量不同的種屬有不同的數據，并且依賴(lài)代謝條件，同一個(gè)個(gè)體都會(huì )不同。根據X－Ray數據，酵母菌有10個(gè)c亞基。做對照，原子粒顯微鏡發(fā)現P.modestum和葉綠體F0各自有11和14個(gè)。
探究及問(wèn)題
邏輯上很容易設想固定的部分和旋轉的部分可以互換，因為F0F1沒(méi)有被固定在膜上。那么F1上固定的亞基如αβ，在旋轉子εγс0－12聚集時(shí)可以不動(dòng)。利用與上述相仿的實(shí)驗，我們檢驗了這個(gè)問(wèn)題，發(fā)現只要εγс10－12聚集形成一個(gè)機械單位，肌絲的旋轉就會(huì )觀(guān)察到。借助遺傳工程，將α亞基和с亞基分別連接生物素標簽和組氨酸標簽，這樣沒(méi)有化學(xué)能來(lái)獲得肌絲蛋白裝配的特殊性。裝配到α亞基的肌絲蛋白能夠在A(yíng)TP水解時(shí)旋轉并且產(chǎn)生～40pNnm的扭力。這個(gè)現象是表明F0F1是一個(gè)旋轉酶的另外證據，并且α和с亞基復合物的旋轉是在質(zhì)子轉移和ATP水解/合成之間能量耦合的必備特征。
從上述可以看出，ATP合成酶是一個(gè)毫微發(fā)電機，它可以將化學(xué)能、滲透壓和機械能量互換。另外，還有一個(gè)未回答的問(wèn)題是，γ和с亞基的低聚合物旋轉子如何能夠從F1的接觸位點(diǎn)釋放出ATP并且通過(guò)F0逆向傳遞質(zhì)子？這需要我們進(jìn)一步的研究。
前景及展望
21世紀是納米科技的世紀。高集成、智能化納米器件的開(kāi)發(fā)必將推動(dòng)信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、能源技術(shù)及環(huán)境技術(shù)等的高速發(fā)展。納米技術(shù)是國際科技競爭的前沿，也是對未來(lái)社會(huì )發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領(lǐng)域。人工納米機器的構建與應用是此前沿領(lǐng)域國際上最具有挑戰性的熱點(diǎn)課題之一。
21世紀也是生命科學(xué)的世紀。生命活動(dòng)是自然界最精巧的運動(dòng)方式，它賴(lài)以存在的基礎是生物大分子能夠響應外界刺激(包括環(huán)境及外場(chǎng)條件的改變)。近20年來(lái)，分子生物學(xué)和單分子生物物理學(xué)所取得的突破性進(jìn)展揭示了生物分子馬達在生命過(guò)程中扮演著(zhù)核心角色。這些過(guò)程包括ATP合成，基因轉錄、翻譯，物質(zhì)輸運，細胞運動(dòng)與分裂等。因此，科學(xué)界已全面確立了將蛋白酶理解為生物單分子機器的觀(guān)點(diǎn)。生物分子馬達的發(fā)現一方面使人們對生命的復雜有序有了新的認識，另一方面也啟示和激發(fā)科學(xué)家去建造能與自然相媲美的納米機器。
面臨的問(wèn)題
(1)如何獲得Fo的精細結構圖像；
(2)質(zhì)子通道c環(huán)與蛋白a之間的相互作用機制；
(3)質(zhì)子流向與馬達轉向的對應切換機制；
(4)“轉子”γ軸的儲能機制；
(5)“定子”上的化學(xué)循環(huán)與“轉子”的步進(jìn)式轉動(dòng)之 問(wèn)如何實(shí)現高效的力學(xué)化學(xué)耦合；
(6)三個(gè)催化位點(diǎn)順序可逆的構象變換：βo→←βL，βL→←βT和βT→←βo，與γ近距離的相互作用關(guān)系；
(7)三個(gè)催化位點(diǎn)全都結合核苷才能推動(dòng)馬達轉動(dòng) 還是只需要其中兩個(gè)結合；
(8)ADP和R與催化位點(diǎn)的結合和去結合是順序還是隨機的；
(9)催化位點(diǎn)聚合方向的構象變化是否有利于A(yíng)DP和Pi的結合，反之。水解方向的構象變化是否有利于A(yíng)TP的結合等。
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