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 3 规X衍射源进行高分辨率测定的大晶体,而同步辐酸的相位测定 射X射线则用线性尺度比常规光源小几个数量级的 (6)同步辐射光源结合劳厄技术能在微秒的时 晶体即可 间尺度进行时间分辨的三维结构研究,由此发展了 (3)生物大分子晶体耐辐射能力很差,同步辐动态结构分析的手段。 射产生的高强度X射线使得晶体在因为X射线损 伤前的一段时间内即能收集到实验数据。 1ATP及ATP合酶 在1929年,K. Lohmann首先发现了ATP(三磷 1241240.124 酸腺苷)。几年之后,ATP的化学结构被确定。1948 年, Alexander todo因为对核酸及核酸辅酶的深入研 究(包括化学合成ATP)而获得了1957年诺贝尔化 学奖。在1939年至1941年期间, Fritz Lipmann (1953年诺贝尔奖得主)证实了ATP是细胞内所有 生物化学能量的储运者,并且证实能量是储藏于高 Bends 能磷酸键中(high- energy phosphate bonds)。 在所有的生物中,从细菌、霉菌一直到高等动 e.gEv 物、植物,包括人类在内,ATP都扮演了能量储运者 CuKI Mok 的角色,而这是由其分子结构所决定的。ATP结构 中的两个磷酸基团(y、B)可从y端依次移去而分别 生成ADP和AMP(单磷酸腺苷)(如图3所示)。 ATP在细胞能量产生和需求过程中起着重要的桥梁 作用。机体在生物氧化中,通过电子传递过程,还原 性辅酶(包括NADH和FADH2)上的氢以质子形式 Continuum 脱下,其电子沿着电子传递链转移,最终到达分子 氧。在此过程中放出的大量自由能往往储存于高能 磷酸化合物ATP中,再由ATP水解为ADP和P而 Photon energy /keV 释放出大量自由能供给需能反应(。 图2几种同步辐射光源的光谱亮度与常规X光源对比 常规X光源数值为估计值 Fig. 2 Spectral brightness for several synchrotron radiation HO-PNO-PNO-P-O sources and conventional X-ray sources The data for conventional X-ray tubes were rough estimates. 4) OH OHOH (4)很多生物大分子晶体晶胞边长达数十纳米 OH OH 甚至上百纳米,使得衍射斑点的空间分辨率相对减 小,常常要增加晶体与探测器之间的距离才能解决 ADP 衍射斑点重叠的问题,利用同步辐射高准直性单色 性的特点使得衍射斑点的发散度减小,可以收集到 巨大晶胞的衍射数据。另外通过晶体的移动而使一Fg3 Structure formula for adenosine triphosphate(ATP) 个晶体的不同部位依次受到照射,从而充分利用一 个(或少数)晶体收集全套数据,提高了晶体的利用 ATP的形成是借着生物细胞内养分的燃烧,而 效率。 后ATP被生物体用于合成细胞物质、肌肉收缩、神 (5)同步辐射波长可以任意改变,利用此特性经信息传递及其它多种生理反应,所以ATP被称为 采用“多波长反常散射(MAD)”技术,直接测定常规细胞的“能量货币”( Energy currency)。它在生物体 X射线晶体结构分析中麻烦的相位问题,以及用硒内的能量转换过程中扮演了重要角色。 代替甲硫氨酸中的硫、制备晶体重原子衍生物以及 在1940-1950年期间,实验证实了在植物中叶 采用溴化尿嘧啶等标记,可方便地用于蛋白质和核绿体的光合作用和线粒体的细胞呼吸作用中能产生~nM EB ~~:f~7R!£-®-~~Il:Z~ ATP ~JJ=-f1E~f~l¥JlPJtl7mMMJt 3 .xmM.*fi~*m.~~~*H~,W~~. Mx M~JilUm~'/1:R1Jtt~1lt~J('.*~/J\JL~~.~~ ~1*llPPI 0 (3)~!/m**-TH~ jJ .M~~j]qR&, ~~. M~~~~~1JtXM~~~H~~~~xM~m {jj-ru-~-¥1BtrElJ I*J llP~~1&~JU~!KrZ~W o A / nm !O20 124 1.24 0.124 10 18 101(, :2' -6 ~ 1014 § .D ~ ~ 0) ­ 1012 ~ S QI) g N 10 CuK I MoK ! ~~ ~ 10 -", CK I I ;g 10K B .8 .£:: I I'MK 10(' CuL Continuum 10· ] 02 , '" 1111 "ll" '" '''III """ 0.01 0.1 10 100 Photon energy / keV 002 n~lPJtl7mM*~I¥J*.~~~#mx*~~~ #~] X *~~{~L1g1ti 1i Fig. 2 Spectral brightness for several synchrotron radiation sources and conventional X - ray sources The data for conventional X - ray tubes were rough estimates. [4] (4) qR~~!/m**-TH~raJj@Jll *~~+~* ~~kw~*,~~mMm~~~~*m.ffi~~ IJ\, 1it1it~ijtjJO H~5ijf*¥Ji!tl~zrElJ ~~;t~~fWHR.: mMm~m~~ B,~m~~. ~~~tt.~ 't1:~*~,~1tq {rrMm,~~'it.~1Jt~/J\, PI 1&~JU §*~Jj@~mM~W o ~*mMra~~5~W~­ ~H~~~~$&*~~~~M,Mw~*~m ~(~y~) H~1&~~~~W,~~T ra~~fIJm ~$o (5) ~~.~t~* PI ~1f~l!.t~, fljmll:t*~ /1: *m" ~~*~1it~M( MAD)" 11* ,~~¥Jl1 tl~1it~ xM~H1*~~*~~.~~ffi&~B,~&mm ft.'••• ~~.,~*H~m~-Tm~!/m~& *mm~*.~~5ill,PI~~~m~m~m~. .~ffi1:fz: ¥Jl1 tl~o (6) ~?V.M*~~.g.5I m:1i*~~iE~~~Bt ~R1Jt*fi~~*m~ .~~~~,~~'it.~T ~~~~*~~¥¥1 o 1 ATP &ATP~~ iE 1929 ~,K. Lohmann § JIG'it. T ATP (-= ~ .~=g:) 0 JL~Z)§ ,ATP ~~~~~i.!tfijij~o 1948 ~,Alexander Todd ~~xf••&•• fiJ~i*A1iJf (19Ji51-t~.g. JJJt ATP ) W q~ T 1957 it1J! 11\ ~ ~~ ] 0 iE 1939 ~ ~ 1941 ~m rElJ , Fritz Lipmann (1953 ~ilf 1J! 11\~q~.3::) iiE~ T ATP ~~mJj@ I*J J9T1f ~!/m~~W.~Mili~,# ~~W.~M.~~ ~~~.ifr:p(high - energy phosphate bonds )[6] ~JW1f~~!/m~, M~mlf ,.If ~JU~~i;fJ !/m,;f!!/m ,'0.mA~iEl*J, ATP t~tJJ~T~~.Mili~ ~j§~, W)!~~jt*-T~f1;JJ9Tlk.:JE~o ATP ~~ ~~W;j~~M£m( -y,(3) PIM-y YfM*rxf$*rm5tjJrJ ~JJJt ADP ~ AMP (1(!~M =g: ) (:tlO 00 3 J9Tffi ) 0 AW~~Jj@w.~~~m~Mfi~®.m~~m~ fFm o mf*~~!/m¥t~~ ,mi1~-T1~i3b'1fi,tt~ '/1:mjj( '0.115 NADH ~ FADH2 ) k~~~m-T%A mrF ,jt~ -Tnfff T1~J£bi~5, ~~JU:it*-T ¥to~~i1fir:p~ili~*.~~WttttM~~~W ~.~.g.!/m ATP r:p ,.¥J EE ATP 7j(M~ ADP ~ Pi W ~pxili*.§ ~~~1;!t~m~~~mz [7J 0 y P a o 0 0 A& RO - P", II 0 - P", II 0-pII - o - I I I 0 OR OR OH ./ OH OH _ _I- A~ p I ATP \113 ATP I¥J7tT~ft)A Fig.3 Structure formula for adenosine triphosphate ( ATP) AW ~%JJJt~1tf.~!/m~Jj@I*J~*~~~~, rm )§ ATP i.!t !/m f* m~.g. ,aX; gm Jff!l !JWJ £ , JlJL 1&!1a , f$ ~1~,~\1~J£&;lt£~#~JlI!~mz,J9T~ ATP t&:f$~ ~Jj@~" ~~.1#ffl" (Energy currency) 0 £iE~!JWJf* I*J~W.~.Mfi~m~Tm~j§~ o 1940- 1950 ~m ElJ ,~!KrZiiE~ TiE;f!!/m ot .~~*.g.fFm~~~~~~Jj@~~fFm~~~~ 0