核技术 第26卷 大量的ATP。1960年 Efraim Racker与合作者从牛 不同来源的ATP合酶基本上有相同的亚基组 心线粒体中分离出了“F1F0 ATPase",我们称之为成和结构,都是由多亚基装配形成的。F1为水溶性 ATP合酶( ATP Synthase又称F1Fo- ATPase)。它利球蛋白,有3a、3B、1y、18、1e等9个亚基组成(动物 用跨膜的电化学质子梯度按式(1)驱动ADP磷酸化线粒体还有寡霉素敏感蛋白(OSCP)亚基和抑制蛋 生成ATP(其中n在3-4之间): 白),相对分子质量为371000。其中每一个a、B、y、 ADP+Pi+H+nH(胞质)→ ATP+H2O+nH(基质) (1)0、8亚基的氨基酸残基数分别为510482、272、126 50。F1有6个核苷酸结合位点,其中的3个为催化 F1F- ATPase分子结构分为包含有催化中心的F1位点,催化ATP的合成或水解。F0是嵌合在内膜上 头部( F Complex或F1- ATPase)和嵌入膜内,耦合的疏水蛋白复合体,形成一个跨膜离子通道。F0的 F1头部的F基部( Fo Complex)。它广泛分布于线亚基类型和组成,在不同物种之间差异很大,只有细 粒体、光合细菌、叶绿体中,是生物体能量转换的核菌的被确定为ab2c9-1如图4所示,在水溶液中 心酶。如上所述,如果可以把ATP比喻为细胞的去除镁离子处于低盐浓度时,F1解离入水中,而Fo 能量货币”,我们则可以把ATP合酶比喻为制造货仍留在膜中;在重新加入镁离子后,F1和F0会再配 币的“印钞机”,因为ATP的合成最终是在ATP合酶成完整的ATP合酶。 的催化下完成的。 ADP+Pi 合酶结构模型 of ATP synthase.8 Paul boyer曾经说过生物体内所有的酶都是美催化机制。该机理的主要内容包括:(1)F1 丽的,但ATP合酶是其中最美丽、最不寻常、最重要 ATPase以完整的三聚体形式发挥作用;(2)B催化 的酶之一。它的美丽在于它是迄今为止已经解析出亚基不对称,每一个亚基上都含有不同的底物结合 详细三维结构的最大非对称结构。ATP合酶的和催化特征;(3)每一亚基经过结合互换而使催化 重要在于ATP支持几乎所有需要能量的细胞活动,作用继续下去。 ATP合成作用是生物世界中最普遍的化学反应,而2低分辨率(0.65m)下的F1- ATPase分 ATP合酶是地球上最普遍存在、最丰富的蛋白质。 关于细胞的能量转换机制一直是大家最关注的 子结构2 中心问题,细胞如何通过ATP合酶合成ATP成为各 用X射线衍射对ATP合酶的研究结果表明,F1 国科学家探寻解决的重要问题之一。1961年 Peter ATPase是直径大约为11mm的球状体,由3个a亚 Mitchell(1978年诺贝尔化学奖得主)提出了化学渗基与3个B亚基按六边形交替排列而形成的一个 透学说,认为在ATP合成过程中,跨膜的电化学质对称的橘瓣状结构,并围成一凹洞,γ、ε、8亚基位于 子梯度( Electrochemical proton gradient,△pH+)或称其中。在一个卷曲螺旋内包含有两个a螺旋的4mm 质子动力势( Proton motive force,△P)推动ATP合酶的茎秆(stem),它是颈部结构(salk)的一部分,并 催化合成ATPo。接下来的挑战是了解ATP合酶使得F1与膜部分相连。与茎秆连接的凹陷穿入F1 如何耦合F的质子流能量和F1的ATP水解/合成。3.5mmo茎秆与凹陷都是此晶体结构为不对称结构 随后,1977年 Paul Boyer大胆提出“结合改变机理的两个例证之一。 ( binding change mechanism)",揭示了ATP合酶的 在低分辨率下得到的F1结构并不能获得质子4 ~ 11 * ~26~ :*JtI¥J ATP 0 1960 Efraim Racker ir1t~1\Lt­ ~~*.~ATPirM~*L:frm~I¥J~~m JL'~~1*9=t7t~ ill T" FIFo ATPase" ,~1nf$z:1g nX;#I~#J ,$~ EB $~~~~~nX;l¥Jo FI :1g7j(~tE ATP 1tM( ATP Synthase Xfn\ F1 Fo - ATPase ) 0 't~1J PJ(m B ,:fr 3ex,,3~,,1 ,),,18,,1 8 9 --t~~~1inX; (i9J!Im ffl$fml¥Jlt1t~mt-r~)jt*:r\( 1) ~fKi9J ADP ~~1-t ~~{*~:fr~.~~~m B (OSCP) ~~#I111J*J m ~nX; ATP(;tt9=t n 1£ 3-4 ZIEi]) : B) ,mx17t-rmt:lt:1g 371000 0 ;tt9=t 4ij:~--t <x, ~,')', ADP + Pi + H+ + nH+ (HElmt ) ~ 8,,8 ~~~~~~~~~7tJjIj:1g 510"482,,272,126,, . ( 1) ATP + H20 + n.H + (~mt ) 50 0 FI :fr 6 --t~tr ~~ir 1:fL~ ,;It 9=t I¥J 3 --t:Jg1l1t FI Fci - ATPase 7t-r~#J7t:1g§ *:fr1l1t 9=t JL' I¥J F1 1}L~,1l1t ATP ~irnX;~7j(fijlf o Fo ~-ttt1t1£l*JmL ~$(F1 Complex F1 - ATPase) #I-tttAml*J ,*M1t I¥J Mi7j(:J[ Bj[ir{* , nX; ~1'$fJm~ -rilit!0 F 0 I¥J FI ~$I¥J Fo ~$(Fo Complex ) 0 't)yz7t:;fJlT~ ~~~ru #I~1inX; ,1£~ ~!Im ** Z lEi] &:ff1&:* ,,R:fr ~ 1*"jt1t~m If"Ilt {* 9=t , !1m 1* fi~ Jt~~ I¥J ~ lfl¥J1Lt1iffJ5E:1g ab2c9_120 ~OOO 4 §f~ ,:(£7j(m~9=t, JL'Mo ~OLEJf~, ~O * PI lV.1E ATP l:t Ptu:Jg Jffl! I¥J *~fJ~-r~T1~iit*)jtB1 ,FI fijlf~A7j(9=t, rm Fo "fi~Jt1k ffi" ,~1n)JlU PI lV.1E ATP irMl:tPtu:1g 1titl 1k 1JJM1£Jm9=t ;1£:l:jf1JnAfJ~-rJB ,F1#I Fo ~fI}~ ffi I¥J" Gp$3;m" ,1N:1g ATP l¥JirnX;il~~1£ ATP irM nX;:JG~ I¥J ATP -% M0 I¥J 111t r :JG nX; I¥J 0 ADP + Pi FI Fa ADP +Pi ~·--ATP _Ma2+ ~ fill,... +Mg2' 004 ATP ifWf#~f~fl~ Fig. 4 Model of ATP synthase (8) Paul Boyer ~~i~:i:i~!Im{*I*JEJf:fr~M$~~ 1I1tm1ttl[ll] 0 i*m~ I¥J 3::~ I*J ~§m: (1 ) Fl ­ mm I¥J, {13. ATP irM~;lt9=t:Ai~mm ,,:Ai~ 1it ,,:Aim~ ATPase lV.:JG~ 1¥J -=- ~1*~:r\£1¥1tffl; (2) ~ 1i1t l¥J_z~o 'tl¥J~mm:(£T't~~~:1g~B~fijlf~ill ~~~~fn\,4ij: 1'~~L.*:fr~~I¥J~!Im~ir iF~-=- £i~#J 1¥J:Ai:*~~X fn\~#J ] 0 ATP ir_1¥J #I1l1tt~1iE; (3) 4ij: ~~~:i:i~ir!f.~ rm~1l1t :I:~1£T ATP j(j~ JL3fEJf:fr$~fi~Jt~~Jffl!mi9J, 1tm~~r* o ATP irnX;1t m !1m tit!} 9=t :Ai1f;l@l1¥J1t & ill , rm 2 fff~m$ {O. 65nm} l'i¥-J Fl - ATPase ~ ATP irM~:f:{gPJ(L:Ai1f~1¥1£ ,,:Ai $ 'MI¥J:J[ Bmt 0 T~,~ 12 ] *T~Jffl!I¥J~Jt~~mM ~~:**il*~1¥J 9=tJL'IOJmL~Jffl!~o1itJJi:i:i ATP irMirnX; ATP nX;:1g* ffl X M~JMrrMx1 ATP irMI¥JWfJl~*~1!I3 ,F1- OOf4~*f5R~fijlftk:l¥Jm~r6J:mZ o 1961 Peter ATPase ~~12:*~:Jg Ilnm l¥JPJ(iI\{*, EB 31' ex ~ Mitchell (1978 ~}t ff! jJ\1t~~~~ 3::) t&lli T 1t~~ ~~31'~~~*~~~~.*~rm~nX;I¥J~--t ~~i~,iA:1g1£ ATP irnX;:i:i;fj9=t ,$fml¥Jlt1t~mt x1fn\~~.~~#J ,JfOOnX; ~[!!J ,,),,,8,,8 ~~11LT -r~1t (Electrochemical proton gradient, df..LH + ) ~fn\ ~9=t o 1£~1'~~ ••I*J§*:frM--tex ••1¥J4~ mt-ri9Jj]!Jj( Proton motive force, dP) 1lEi9J ATP irM l¥J~ff( stem) ,'t~~m~#J ( stalk) I¥J ~m7t, # 1l1tirnX; ATP[IO] 0 3'rr*~1jE~~ Tfijlf ATP irM ~~~ F1 ~Jmm7t*fB~o ~~ffJt~~[!!J~~A F1 ~n1ilJ*Mir Fo ~mt-rt1Efi~:I:#1 Fl ATP 7j(fijlflir nX; o 3. Snmo ~ff~[!!J~$~lft~1*~#J:1g~x1f$~#J ~JB ,1977 Paul Boyer :*H!!t&lli "~ira~m~ I¥JM1'f71HlEz 0 (binding change mechanism)" ,m T ATP ir M~ 1£~7tm$rm~I¥J~~#JJf~~~mmt-r