第26卷第1期 核技术 Vol. 26. No. 1 2003年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2003 揭示生命能量之源 —ATP合酶三维结构的同步辐射研究 田亮张新夷 (复旦大学同步辐射研究中心上海200433) 摘要在英国 Daresbury同步辐射实验室获得的线粒体F1- ATPase原子分辨率(0.28nm)的三维结构是1997年诺 贝尔化学奖成果之一,并且是第一个基于同步辐射研究而获得诺贝尔奖的研究成果。同步辐射具有的高通量、高 准直性以及波长连续可调等优点必将会在已经到来的后基因组时代发挥巨大的作用。 关键词同步辐射,生物大分子,ATP合酶,三维结构 中图分类号Q71 在英国CLRC( Central Laboratory of the Re- X射线源相比,同步辐射源产生的射线具有高通量、 search councils), Daresbury同步辐射实验室(Sym-高准直性以及波长连续可调等优点(参见图2),应 chrotron radiation Department)出版的1997年年报用于生物大分子晶体衍射将可以解决很多常规实验 中,当时任实验室主任的 David norman这么写道:装置无法解决的问题,主要有如下几点 “久负盛名的诺贝尔奖并不经常光顾英国,所以当在 英国 Daresbury实验室所完成的一项研究成果获得 诺贝尔奖后是如此的令人激动不已。英国剑桥医学 开究委员会( Medical Research Council)分子细胞实 验室的 John Walker与美国科学家 Paul Boyer因为 对细胞能量产生中的一种核心酶—ATP合酶所进 毒 行的开创性研究工作而共同分享了1997年诺贝尔 化学奖。经过12年的不懈努力, John Walker在 Daresbury实验室,与同事们一起利用同步辐射X射 图1牛心线粒体F1- ATPase不同视角下 线衍射技术,得到了(0.28m原子分辨率的)F 的品体结构示意图( (0.28mm) ATPase三维结构(如图1所示),证实了 Boyer提 数据收集于英国 Daresbury同步辐射实验室, F1- ATPase晶体结构PDB代码为1BMF 的关于ATP(三磷酸腺苷)是如何由ADP(二磷酸腺 侧视,右:从底部观察 苷)和P无机磷酸盐)形成的机理。 Fig. 1 The crystal structure of mitochondrial FI-ATPase determined with 0. 28nm resolution using data collected 这项成果不但对结构生物学而且对同步辐射研 at the SRS, Daresbury, UK. PDB accession code 1BMF 究本身来说都有极其重要的意义(2。作为第一个基 Left: Side view, Right: View from the bottom j 于同步辐射的研究而获得诺贝尔奖的研究成果,国 (1)大分子晶体对射线的衍射能力相对于小分 际晶体学会(IUCr)刊物《 Journal of Synchrotron Ra-子晶体弱得多,常规光源测定分子量超过几十万,甚 diation)给予了很高的评价,并认为随着诺贝尔奖授至几百万道尔顿的超分子复合体时,X射线干涉距 予 John Walker利用同步辐射所进行的研究工作,必离非常大,造成衍射斑点不尖锐,空间分辨率不够, 将会使正在到来的同步辐射时代的发展进一步得到且衍射数据不易收集;同步辐射光源的高通量及高 加强和提高 准直性,可以显著的提高晶体衍射分辨率,数据精度 近年来国际上利用同步辐射光源在膜蛋白、病明显优于常规光源。 毒、核糖体结构以及其它在生物学上具有重要意义 (2)蛋白质晶体的培养目前仍找不到内在规 的大分子结构几个方面开展了大量的研究工作,并律,依然是整个X射线衍射测量方法的瓶颈所在。 已经得到了一批很重要的研究结果。与常规的转靶对于有重要意义的大分子晶体而言,难以提供用常 一作者:田亮,男,1976年11月出生,复且大学在读硕士研究生,凝聚态物理专业 收稿日期:2002-12-03~26 ~ ~ 1 AA ~ Vol. 26, No.1 it * 2003 1f: 1 Ji NUCLEAR TECHNIQUES January 2003 tEl - J+- A. A~ E:I , ~Ji5' 11Zg ::t:. RP fj~.m Z 11,l' -ATP Il-£1 *tJ fiiJ tI7 *I ~t iiJf ~ \fl 1E *t!f~ ( ~.E!.*~1PJ 84MMWf1E9=t'L' J:.#J 200433) 1llr~ tE~ OO Daresbury ~tVmM~~*ttH~I¥.J~t'L-f* FJ - ATPase ~T5tm$(O. 28nm) l¥.J .=: gi~#g~ 19971f:* m~~~~~*Z ,#~~~ ~~T~tVmM~~W~~*m~~I¥.J~~~* o ~tVmMA~I¥.J~~.,~ ~~tt~&.*~~~~.~~~~~tEB~~*I¥.J§~~m~~~~§*I¥.J~mo ~.~ ~tVmM ,~!fm*5tT , ATP itM ,.=:gi~f~ qt\ll~~~ Q71 {E * 00 CLRC ( Central Laboratory of the Re￾search Councils) ,Daresbury IPJ tV m M ( Syn￾chrotron radiation Department) ill JflR B9 1997 1f: 1f: * 9=t , Btif ± if B9 David Norman )!,z,. Eg :iJ! : "!At!! ~~ B9it.D:! ~#~~1itJ'tJ®r* 00 ,Yf lV. {E *oo~re~~~~~Yf%~B9 ~~~~*~m *.D:!~~€~~~B9~A.~~B o *oo~m~~ ~~~~ ~(Medical Research Council) ?t-=f~J1E!~ ~~B9 John Walker l=5 00 f4 * Paul Boyer ~-Jg xt~J1E! ~~.F!£ 9=t B9-f* JL' fH-ATP itfHJW;itt frB97f,g~'Ij:~~IfFmJ~IPJ?t* T 1997 1f:itJJ1 ~ 1t~ ~o it 12 1f: B9 I/J:g JJ ,John Walker {E Daresbury ~~~ ,l=51PJ $1f1- ®flJffl lPJ tVm M X M ~JHrr Mit* , ~~ j1J T ( O. 28 nm )]'{ -=f5t m.$ B9 ) F1 - ATPase .:=. tt~#J ( ~ll 00 1 JW7f\) ,liE~ T Boyer tlill B9*T ATP( .:=. ~~~tr) ~~ll1ilJEE ADP( =~~~ tr )fll Pi(7Cm~~~)lB~B9fJlJlI![l J 0" )!~~*~@~~#J!£~~mJ~~lPJtVmM~ ~*~*iJtt~1f;fltltm~B9~)( [2J 0 fF-Jg~ 1'£ TlPJtVmMB9~~ mJ ~m*JJ1~~B9~~~*,OO ~~f*~~ (IUCr) f!J~ Journal of Synchrotron Ra￾diation %S-T ~~B9if1fr ,#iA-JgmR~it JJ1 ~~f1 -T John Walker JffllPJtVmMJW;itt1-TB9~~IfF, 16' ~~~~{E~*B9lPJtVmM~~B9~~;itt tVm~ :b 5.ifll~~[3 J 0 JlI1f:*, OO~.t.flJffllPJtVmMJ't~{EJmmEI,~ ~,~~f*~#JlV.~~B{E!£~~.t.A1fm~~)( B9*?t-=f~#J~1'nOO7f~T*.B9~~IfF,# B~m~ T-m*m~B9~~~* o l=51it~B9ff~ X ~t~~f§ tt, IPJtVmM~F!£B9M~A1f~ji., ~{1El[,/ilV.~~*~~mlJJ~if[;}~ (~~oo 2) ,ill fflT!£~*5t-=f~f*mM~mlV.m~*~1itm~~ ~:i:7C~.~B9Ill]»!, ±~~~ll~~J~: \11 1 Lf::JL'~t'L-f* Fl - ATPase ~~tJt jfl ~ 1¥.J~-f*~~~~OO 0.28nm ) ~M1&~T~OO Daresbury ~tVm ~~*, FJ - ATPase ~-f*~~ PDB 1tJi!31>J IBMF tr. :19!UtJt ,13 :)A~$xw,~ Fig. 1 The crystal structure of mitochondrial F 1 - ATPase determined with o. 28nm resolution using data collected at the SRS, Daresbury, UK. PDB accession code IBMF. Left: Side view, Right: View from the bottom[J] (1) *?t-=f~f*xtM~B9~rrM ~JJf§xt /J\?t -=f~f*~~~~~, 1it~.mJ't~~~}E5t-=f.Jmit~+7J,~ ~~s7J:iJ!~tJ!B9Jm5t-=f~itf*Bt ,X M~T$Re ~~~1it*, :@~~rrM3~L~~~~.#., fa] ?tm$~$ , ~mM~M~~~.;lPJtVmMJ't~B9~ji.~ ~ f'tlI'lj:, mlV.l&lfB9tl~~f*~rrM5tm.$,~1mM~ 1!l3 1&if[;T 1it~.mJ't 0 (2) m EI rat ~f*B9:1::g:~ § lW1JJ1t~JU I*J {E~] 1$,t&~~~1' X M~~rrM1P!~.n~B9mt~JW{Eo ~T1fm~.)(B9*5t-=f~f*mJ~,.~~mffl1it fF1tf: fE ;Jt, 5Jg , 1976 if 11 YJ I±l ,~.E!.*~{£~1iJi ±Wf1E~, t~B~~!lm1Jl!-1f'!& l\5(fi\'Ii E3 M:2002 - 12 - 03