第1期 田亮等:揭示生命能量之源—ATP合酶三维结构的同步辐射研究 从F1- ATPase的晶体结构还可观察到由于α、三步循环步骤中的一步,F上H的转运积累足够 β亚基结构域的相关定位不同以及与γ亚基的相互的扭力矩推动y、相对于a3B3旋转120°,而y、E 作用不同,F1- ATPase的全部结构表现为不对称结通过与β亚基核苷酸结合位点的作用使β(ATP) 卷曲螺旋的不对称也非常明显,它的C端(y265-或重新转向对核苷酸的“捕捉”优A(ATP)停止 构。不但a、B亚基呈现不对称结构,而且y亚基的亚基释放一个ATP,同时调节β(E)和 277)通过由六个富脯氨酸环组成的疏水“袖管 (se)。F1的三个催化亚基由于结合的核苷酸底5展望 物不同,而呈现不对称的构象,有力地支持了 Boyer 对蛋白质、基因细胞等结构与功能关系的研究 提出的结合改变机理,证明在催化循环的任一时刻,是生命科学研究的核心。以结构(主要是三维结 三个β催化亚基处于不同的构像状态,不同构象的构)测定为手段、以结构与功能关系研究为内容、以 转化与位于a3B3中央的y亚基的转运运动也有关。阐明生物学功能机制为目的的结构生物学是当前生 结合改变机理主要解决的是F1上3个核苷酸命科学中最活跃的前沿领域之一。本文所介绍的研 催化位点在合成或水解ATP过程中构象变化,而目究成果,可以被认为是关于生物大分子晶体结构与 前认为ATP合酶催化合成ATP的过程是按照“旋转功能关系研究的典范。X射线晶体衍射作为测定生 催化”( rotational catalysis模式进行的11。以大物大分子空间结构最有效的方法已成为结构生物学 肠杆菌的ATP合酶为例,腔内质子在跨膜质子动力研究的基本手段。同步辐射X射线对结构生物学 势的推动下进入F0,位于膜脂双层的c亚基C端氨的发展起到了巨大的推动作用,重要的生物大分子 基酸残基与之特异结合,以致c亚基构象发生变化;的空间结构的测定无不得益于同步辐射光源。要搞 通过F0的质子转化成扭力矩推动位于F。和F1间清生命过程的本质,一个根本的前提是必须要了解 的转子γ和ε亚基旋转;在γ和ε亚基的旋转调节蛋白质、核酸等大分子具有原子分辨率的空间结构 下,B亚基催化结合位点附近的蛋白质构象发生变以及这种结构又如何与其生物学功能相联系的。目 化,消弱了氨基酸残基与底物ATP的多种作用力,前80%以上的生物大分子结构是用X射线衍射法 使ATP从酶上释放。尽管“结合改变”的循环过程得到的。过去的十多年里,同步辐射技术的发展大 表明不同催化状态的转变可以通过不同亚基相对于大推动了结构生物学的研究进展。根据国际蛋 ATP合酶的其他部分旋转而完成,此假定并不能通白质数据库(PDB)资料,70年代每年登录的生物大 过获得晶体结构的单个静态照片所完全证实。但我分子空间结构数约20个,但到1999年,一年中新登 们还是可以根据F1- ATPase晶体结构的电子表面录的数目已增加到2636个。至200年4月23日 势能分布信息获得旋转所需要的证据,(1)环绕γ总结构数为17902个,其中属蛋白质或与核酸复合 亚基C末端的疏水“袖管”像“分子轴承”一样,并被物形式的有16812个,占总数的94%。其中相当部 疏水界面所润滑,(2)中央凹槽允许y亚基的N末分具有重要生物学功能的生物大分子结构是用同步 端长螺旋在F1内部旋转时可以通过,(3)如结合改辐射X射线测得的。 变机理所说,y亚基与a3B3亚基之间存在相互作 尽管利用同步辐射X射线得到了F1- ATPase 用,此相互作用将使得阻碍旋转的势垒变小,较易被的精确三维结构,并阐明了ATP合酶的催化机制, 质子传递过程引起的构象改变所产生的能量所克但仍有许多问题亟待解决。深入了解ATP合酶耦 合F0质子传递和F1ATP合成的结构基础,ATP合 Noji等利用线粒体F1- ATPase的晶体结构研酶如何在分子水平上进行调控和ATP合酶为什么 究的结果,精心设计了一系列的标记、突变,并采用要旋转等等,就需要得到原子分辨率的F及颈部结 最新的荧光显微镜摄像技术,显示出了y亚基的转构(sak)的精确三维结构、F。与颈部结构的装配以 动,清楚地表明了γ亚基是在a3B3形成的圆筒中,及具有时间分辨率的动态过程。 Yasuda和Noi等 转动方向为反时针。转动能使中心的y亚基能人最近报道了γ亚基相对于a、B亚基转动120的 够与三个β亚基按顺序由空位ADP结合位到AMP-过程可以进一步分解为90°和30°两个分过程,旋 PNP结合位发生接触,这个顺序正好与预言的ATP转90°和30°过程的时间都非常短(<0.1ms)。ATP 水解反应从ATP-ADP-空位点的顺序一致。这个的结合触发了旋转90°的过程,而ADP和Pi的释放 实验从另一角度也验证了结合改变机理及同步辐射又引发了后一步的旋转2)。由此推断,利用新一代 X射线测定晶体结构的正确,F- ATPase像一部精同步辐射光源的高通量与高亮度特性、空间分辨大 密的内燃机,y亚基就像中央转子,B亚基的三个催大提高以及能对纳秒,甚至皮秒级的动态过程检测 化位点是三个反应室,并按照 Boyer的经典模型依的优点,将可以获得更多耦合过程和旋转过程的中 次工作—在转子旋转后,三个催化位点依次完成间过渡结构信息,在不久的将来,定会揭示出这个世~1W3 EB ~~: :mlR~1fIjfj~:l:Z~-ATP itM-=:~i~t~l¥.JlI'lJt!7mM1iJfJt 7 1\ Fl - ATPase l'fl ~f*~~~"ilJ~~JU EE -=f ex" ~~~~~~l'flffi*~lli~~~&~~~~l'flffi~ fFm::f~ ,F1 - ATPase l'fl~$~~*:Jm1'1::fxtf$~ fiJ o ::f{§. ex,,~ ~££:Jm~xtf$~fiJ, WH ~ ~£l'fl ~an.1iJEl'fl::fxtf$-m~~*~l[, 'tl'fl c ~(~265 ­ 277 ) tt EE 7\ l'MHm ;c PF ~Jl Jjj{; l'fl 7j( "*ill if " (sleeve) 0 Fl l'fl.:::::.1'-1l1t~~EE-=f~i1l'fl#<tr~~ !/m::f~, W£:Jm::fxtf$l'fl~~;;ff fJ:ltI!.X1~ 7 Boyer .ilil'fl~il~~mm,~~ft1l1tmPFl'flff-~~, tE 1'~1l1t~£~T~~l'fl~~~~,::f~~~l'fl )­ ~1t~{irT ex3~3 ~:!k:l'fl ~ ~~l'fl~~~~-m;ff*o ~ ~il~~mm~~~~l'fl~FIL31'#<tr~ iT 1l1t{iL¢,i:ftilJJX:~7j(~ ATP ii~~fiJ~~1t, W § ,iiI -ru-iA1g ATP ilJJ1l1tilJJX: ATP l'fl tt~J!n: R~ " tiJi~ ~E8 1l1t" (rotational catalysis) m:rt:itti-T l'fl [ 11, 18] 0 ~"* 1E8 JJm ffifl'fl ATP ilJJ1'119iJ , pg 193: r ft ll4f1m193: r fJ :~ ~l'flit~r:ittA Fo ,{ilT1mn~~Bl'fl c ~£ c ~~ :T ~~~~~zt~JF~il, ~3& c ~£fiJ~:&l:.~1t; ~tt Fo l'fl193:r~1tJJX:mfJ~it~{il-=f Fa fO FI fa] I~" "* l'fl~r~fOe~~1iJE~;ft~fOe~£l'fl1iJE~~~ ~~ :: t!: r ,~ ~~1l1t~il{il,¢,i: 1Yftjl[ l'fl~ B193:~~:&1:.~ -1=1 1t,r~~~7;c£~~£~mi!fm ATP l'fl$#fFmfJ, 1t ATP 1\JJL*f:n}{o ~if"~il~~" l'flmPFtt~ *~::f~1l1t~~l'fl~~"ilJ~~tt~~~£ffi~-=f ATP ilJJl'flJt{m$7t1iJE~WjGJJX:, llt{~~#::f~~~ tt~m~~~fiJl'fl.1'.~M~~jG~H~ o mft {fJ~J!"ilJ ~;ftHm FI - ATPase ~f*~fiJ l'fl ft!. r*ffi ~~~7t~{FI,~\~~~jjJf~ ~1lfj~ l'fliiEf!, (1) PF~ ~ ~~ C*~l'fl ~7j(" *ill if"~" 7t-=f~ jf(" -~ ,#*.ft ~7j(:W- ffi~~fJ m , (2) ~:!k:!!!I;ff ftif ~ ~£ l'fl N* ~*.jjJEft FI pg$jjJf~Bt"ilJ ~~tt, (3) ~n~il~ ~mJJI!~i~, ~ ~~~ ex3~3 ~~zfa]1f:(£ffi~ fF m ,lltif§~ fFm~{t~~~Jl~1iJE~l'fl~£~/J\ tgt~*.ft 193: rf~:i£ tt iJ Ijffi l'fl fiJ t!1 tr-1:.l'fl ~~:I: 5l. nit [ 1] 0 Noji ~;f!Jm~tL~ FI - ATPase l'fl ~f*~fiJ1jJf Jll'fl~* ,~JL'~it 7 - * jtll'flt~i2" ,# *m ~~l'fl~*1[~mm~~*,1[~ili7~~~l'fl~ ,m~:ltI!.*~T ~ ~~J!:(£ ex3~3 %JJX:l'flIM1~~, ~~:7JrtJ1'1DZBttt[ ] 0 ~i9J~~~~JL'l'fl ~ ~~~~ ~~ - 1' ~ ~~n:)IID! 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