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 动力势能量与ATP合成是如何耦合在一起的过程约1.5m的凹槽,此螺旋的底部与y1-45形成的 所需的结构信息。为了得到这方面的结构信息就必第二个螺旋为左手反平行的螺旋结构,此螺旋结构 须采用更高分辨率的实验手段。 相对颈的底部突出大约3mm,是ATP合酶的4.5nm 3高分辨率(0.28mm)下的F1-ATPe分主颈(shlk)的一部分。a和B亚基上均具有核苷 子结构 酸结合位点( nucleotide- binding site),这些位点位 于a亚基与β亚基的界面。其中α亚基上的位点 John Walker等人在ADP与ATP类似物AMP-为非催化位点,而β亚基的结合位点具有催化ATP PNP(5- adenylyl- imidodiphosphate)存在的条件合成或水解的活性。相邻的催化位点与非催化位点 下结晶得到了F1- ATPase晶体,并采用重原子衍生之间的平均距离为2.7mm。所有的a亚基结合有 物同晶置换法,利用同步辐射X光源,得到了分辨TP的类似物AMP一PNP,且构象非常近似。但三 率为0.28mm的晶体三维结构。从此结构中可以很个β亚基呈现不同的核苷酸结合状态:催化位点结 清楚地看到F1中的三个β亚基分别含有不同的核合上AMP-PNP的称为Bm;而结合上ADP的称之 苷酸和同时具有不同的构象,此结构与 Paul Boyer为Bm;在催化位点上什么也没结合的,把它叫做 提出的旋转催化的“结合改变机理”所预期的结构BE。可以把F1- ATPase的晶体结构看作是在旋转 状态惊人地一致,为 Boyer的设想提供了最有力的催化过程时的一个快照:3个催化结合位点分别处 结构基础。无论是 Paul Boyer关于旋转催化的大在ATP水解催化过程中的3个不同的状态:与ATP 胆假设,还是 John Walker对F1- ATPase晶体结构结合、空置或被ADP和P占据。位于a3B3中央 的精确测定,都是对揭示生命能量之源作出的巨大的γ与E亚基结合在一起作为转子( rotor)组成了颈 贡献。他们两人因此分享1997年化学诺贝尔奖当部的轴(shaf),共同旋转以调节三个β亚基催化位 之无愧。这里,我们必须指出,正是利用了高性能点的开放和关闭。F0的a亚基和b亚基二聚体排 的同步辐射光源,使人们对F1- ATPase分子结构列在c亚基9-12聚体形成的环外侧,a亚基、b亚 的了解从低分辨率发展到原子尺度的高分辨率,从基二聚体和8亚基共同组成“定子”( stator)。F1和 而获得能直接证明“结合改变机理”正确性的 ATP Fo通过“转子”和“定子”连接起来,在合成或水解 合酶的三维结构。0.28mm的分辨率下得到的结构ATP的过程中,“转子”在通过F0的H离子流推动 清楚地显示F1- ATPase呈扁球体(参见图5),高约下旋转,依次与3个B亚基作用,调节B亚基催化 位点的构象变化;而“定子”在一侧将a3B3与F0连 Cytoplasmic 接起来。 c 4F1- ATPase分子结构与旋转催化的“结 ⊥ 合改变机理” 结合改变机理的示意图见图6。如前所述,可 Matrix side 以把F1- ATPase的晶体结构看作是在旋转催化过 程时的一个快照。F1上3个β催化亚基的催化位 点与底物核苷酸有着不同的亲和力,与核苷酸的结 合按顺序依次经过三种构象状态:紧密结合态(T 态)、松散结合态(L态)和空置状态(不与任何核苷 酸结合的0态)。在ATP合成过程中,ADP首先和 Pi结合在B亚基的L态,一旦结合后,位点转变为T 态,并催化ADP和P形成紧密结合的ATP。在这 步反应中不需要质子电动势的能量。接下来的反 图5ATP合酶的基本结构 应循环中,反应位点转变为0态,并将ATP释放。 Fig 5 Structure of ATP synth 这一转变过程需要耦合质子电动势,以获得能量克 8mm,宽约10mm,a亚基与β亚基像橘子瓣样围绕γ服ATP与蛋白质强烈的相互作用。在后面的反应 亚基的C端(209-272)形成的9mm长的中心α螺过程中,催化亚基的0态又转变为L态而完成一个 旋,交替排布。α螺旋C端残基在顶部的表面插入完整的循环。在整个反应过程中,跨膜质子电动势~lAA m ~~ j@~~1fP-~~:i:Zm ATP -g..'=:!1E~f~~IPJ2V$BftWfJ1: 5 "a ff{] 1f~lH ~!f1, mFa W~ F - j 1l1-t ~,g. ~1l1-t se ~ ,Fj ­ • (X .w. J~-t ~1iL T ~4nm )t,# ~A Fl ~~~ 19J:+ ~jJ~§~fi~ ATP 1S JJl~~n{iITm1S{£~~~i1:~ ~~~~~mg o ~7m~~~m~~~mg.~ ®f*m£[@j7tm$~~~-¥~o 3 ~~m* (0. 280m) 1'1Y-J Fl - ATPase ~ T~*~ [ l] John Walker !f/jAff ADP ATP ~{~!Im AMP￾PNP (5' - adenylyl - imidodiphosphate ) f.f{£ ~~1lJ: r~ff§~~~U7 FI - ATPase ~1*,#*m~ffi!:-Tqrr~ !Jm~ff§ft.~r!, fUm lPjtv-iIM x J't~, ~~~u 77tm $j] O. 28nm ~~f*-=. !t~~ o ,&AlIt~~~m1V.q~ m~~.~~~~-=. ~~~£7tm*~~IPj~. tr~~IPJBt Aff~1PJ ~f~~, 1It~~~ Paul Boyer mili~tiJE~1I1t~"~1Sa1£mJ£" E1fJ:VlM ~~~ iJ\15',*A~~3&, ~ Boyer ~ia:~t&1;!t 7 flff jJ ~ ~fig~jHilfl [ 3 ] 0 Xi~~ Paul Boyer *TtiJE~1I1t~* IDHFlii, ~~ John Walker xf F1 - ATPase 1*~~ ~M.M~,m~~.~~.~.~~~ili~§* :9ti¥1Xo {mfrTw.JA~lIt7t* 1997 1f1t~* m~~~ ZX~o~£,ftill~~mili , ~~~mT[@jtt~ a9~zP-mMJ't~, 1tA1fJxf Fl - ATPase 7t-T~~ a97.~M*m$~M~ffi!:-TR~~~*m$,,&A rm~q~ §~il~iiE f!fj" ~1S ?Jl:1£ m;ij[" fiffJ tt: ~ ATP ,g.~B~L=!t~~ o O. 28nm ~*m$rq~~U~~~ m~~~~ FI - ATPase ~JFiaf.:j(1*( ~~OO 5) ,jWj~ III 5 ATP -g..~~*~f~ Fig. 5 Structure of A TP synthase [ 14 ) 8nm,~~~ lOnm,u ~£~ ~ £~m-T.¥-Poo~-y .w.£~ c ttffff( -y209 -272)~JJl~9nm *~~JL\ u. tiJE,3(:~14F{jJ 0 u .tiJE C5tfflj~£{£J]!$~*W1iA 1. 5nm [!!];ft ,1Itt"tiJE $~ -yl - 45 JJJt ~ m=~••~~-¥&~fi~••~~,lIt••~~ if§xf~.v!~~$~tfj*~ 3nm,~ ATP 1S~~ 4. 5nm 3::~.v!(stalk) ~~$7to u ~ ~ ~tiLt :l!gAff.1t ~~1S1ir A (nucleotide - binding site) , @ fir,~ fir Tu~£~~~£~~mo~~u~£k~&A ~~~1I1t1ir,~, rm ~ ~£~~1S1ir,~Aff1l1t ATP 1SJJJt~7j(M ffl'/1: 0 if§ ~~ 1l1-t1ir,~ ~~ 1I1-t1ir,~ ~r8]~V:l!gRE~~ 2. 7nmo E1fff~ u ~~~1Sff ATP ~~f~!Im AMP - PNP, J3.~~~~litiIT{~o {§.= ~~~£~R~~~.*.~1S~~:ll1t&A~ 1Sk AMP - PNP ~f$~ ~TP; rm~1S k ADP ~f$~ ~ ~DP ;{£1I1t{ir,~k ft~ -m&~1S ~,16 '"t p4 fiji( ~EO m1V.16 FI - ATPase ~~f*~~.~~iEtiJf~ 1I1ti1:~Bf~~~'I9c~~:3 ~1I1t~1S{ir,~7tJjIJ~ ff ATP 7j(M1I1ti1:~~~ 3 ~~IPj~~~:~ ATP ~1S,2:~~1Jf ADP fO Pi 6*[15] 0 {irT U3~ 3 ~:!k: -y e ~£~1Sff ~~~~T(rotor)!iiJJJtT~ $ ~!fiB (shaft) ,;)tIPJ tiJE 1V.lJJ -=P -=.l' ~ ~~111tfir A~*~fO*Mo~~a~£~b~~ .~* ~tl (£ c ~£ 9 - 12 .f*~JJJt~PF~H9!tl, a ~~,b ~ ~=.1*~ 8 ~£;)tIPJ~iiJJX;" ~-T" (stator) 0 Fj ~ Fo Jii1:"~-T" fO" ~T" Jt~~*, ff1S JJJt~7j(M ATP ~i1:~~, "~-T"{£Jii1: Fo ~ H+ ~TtiEffEiYJ rtiJE~ ,*iJ\.~ 3 ~ ~£~m, lJJ-=p ~ ~~111t 1ir,~~~~1£1t; rm"~T"iE~1P!tl~ U3~3 ~ Fo Jt ~~*[16 ]0 4 Fl - ATPase ~T!iS*~l:5 ~~f~1t 1Y-J"!iS a<c 3ffJLII " ~1S?Jl:~mJlI!~~~oo~OO 60 ~nfrJ E1f~, PI 1V.16 Fj - ATPase ~1*~f~;g~~iEtiJE~1I1ti1: ~Bt~~~'I9c~~o Fj k 3 ~ ~ 1I1t~~~1I1tfir A~~!Im.*~~.~IPj~*~jJ,~.*~~~ it*)IW!ff*iJ\.~i1: -=. #f1J~~~: ~*~1S~ (T ~) ,*,k~~1S~( L~ ) f02:ft.~~( ~~1f1itJ.* ~~1S~ O~) 0 {£ ATP 1SJJJti1:~~ ,ADP ttJ'GfO Pi ~1S{£ ~ ~£~ L ~, E!.~1SJ§ ,1ir/~~~~ T ~,#111t ADP fO Pi ~JJJt~*~1S~ ATP o {£~ ~~&~~~m~m-T~iYJ~~~fio~r*~& ~1IPF~,&~{1LA~1£~ 0 ~,#~ ATP *f:o~o ~~~1£i1:~.~m1Sm-T~iYJ~,1V.~mnfi~ .ATP~m~m~~~if§~~mo{£J§m~&~ i1:~~ ,111t5Jr£~ 0 ~X~1£j] L 15ITff%JJJt--t­ %m~1IPFo{£m~&~i1:~~,~~~-T~iYJ~