ATP合成酶及其功能机制综述

《分子生物物理学》研究生评述 2003 ATP 合成酶及其功能机制综述 张颖娱 10281036 生物物理系血液流变学中心 生物有机体中，ATP 的合成是主要的化学反应之一。据估计一个人正常每天需要消耗 40 公斤的 ATP。假设核苷酸池是 100mmol,那么体内每个 ADP 分子必须磷酸化，那么平均 下来每天每分子 ATP 要磷酸化 1000 次。而合成 ATP 的酶主要是 F1F0型 ATP 合成酶，也称 为 ATP 合成酶。在原核生物，此酶有 8 种不同的亚基，真核生物有 16～18 种，并且一个分 子的重量在 550～650kDa。细菌的细胞膜、植物的叶绿体类囊膜和植物或者动物的线粒体内 膜发现有这样的复合物。有趣的是，在人类内皮细胞的浆膜上，也发现了 F1F0 型 ATP 合成 酶，其作用是毛细血管扩张受体。ATP 合成中，F1F0-型 ATP 合成酶在细胞能量交换中是一 个关键酶。这个大分子蛋白复合体利用电子梯度和相关的膜电势来合成 ATP，它也可以逆过 程并且水解 ATP 来产生一个电子梯度。这个酶在不同功能状态下的结构现在正在快速的阐 明。目前正在形成的观点认为，这个酶是由两个旋转的发电子 F1F0 来构成。F1 发电子，其 接触性活动类似于一个内部的转轴的活动，而 F0 的发电子正好是连接电子在 F0 的转轴上。 尽管这两个发电子各自独立的工作，他们必须相互联系并且互换能量。总而言之，其基本思 想就是：F1F0 是一个旋转的发电机。 下面我们就目前已有的知识总结 ATP 合成酶的结构及其生物功能运行的机制。 一、ATP 合成酶的结构 ATP 合成酶有两个主要的部分，F1 和 F0 ：F1 在膜的外侧，有三个接触位点，而 F0形 成一个跨膜蛋白。这个酶的基本亚基结构已经从线粒体的研究当中很清楚的掌握（如图 1）。 图 1 F1 由 5 个不同的亚基组成，用化学计量法表示是α3β3γ1δ1ε1。通过对牛 F1部分的 X －Ray 晶体衍射 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，得到了一个很确切的结构—α3β3γ集合体。α和β亚基的三个重复 结构轮流围绕在γ亚基α螺旋结构的氨基和羧基末端。此外，重要的是三个β亚基在结合核 苷酸后会处于不同的状态：βT, βD 和βE。β亚基的不均匀性结构与酶的接触反应部分相 比，显然是一致的。 F0是由三个亚基构成，化学计量法表示是 a1b2c10-12。c 和 a 亚基的 cAsp-61 和 aArg-210 对质子迁移分别独立作用。同时提出了具有 12 个 c 亚基的环状结构，并且电子显微镜、原 子粒显微镜也这样提示，而且单个 c 亚基的核磁共振形成的模型拥有两个跨膜α螺旋结构。 图 2 描述的是 Escherichia coli 的 F1F0 结构。蛋白是具有两个方向的。F1 部分包括α3， 《分子生物物理学》研究生评述 2003 β3，γ，δ和ε亚基，F0 部分包含 a,b 和 c 亚基，测定其化学含量比为 1：2：10－14。F1 和 F0 由两个细茎连在一起，中心的一条连接γ和ε亚基，外围的那条则旋绕δ和 b 亚基。 在哺乳动物，通常会有额外的亚基在细茎部位。 图 2 二、F0F1 复合物结合改变的机制和 F1F0 介导的 ATP 合成和水解 F1 部分包含 3 个结合位点，在每一个β亚基上。当少量的 ATP 增加时，这些结合位点 被占据，底物结合的就非常紧密并且 ATP 的水解发生得非常缓慢。过量的 ATP 则导致其可结 合在所有的结合位点上，并且伴随产生的是在第二和第三个位点上具有很低的底物亲和力。 且第三位点的使用率若增加，ATP 的水解率则增加 104～105。 F1 部分是一个有效的三倍复合体，由三个α亚基和β亚基组成，其具有与底物结合强的 负协调性质，同时亦具有酶活性的正协调性质。为了解释这些特殊的部分，Boyer 提出“结 合导致变化”或者称为“抉择位点”的假想，内部如何相互作用过程在图 3 中显示。这则假 想的关键特征是三个结合位点，和因此由三个α和β亚基配对形成的这些位点，在任何时期 有不同的信息。一个开放并且准备 ATP（或者 ADP＋Pi）结合，而第二和第三个位点则围绕 着一定的核苷酸，部分独立的开放或者关闭。ATP 结合物和开放位点关闭的结果可以产生协 调信息的变化,其他的两个位点也发生了改变,导致关闭的位点成为了部分开放,而部分开放 的位点成为全部开放.如此,每个位点当 ATP 水解时,在三个状态下发生变化,在相反的过程 中,即当 ATP 合成时,同样发生变化。一些构象调节的细节表明三组αβ配对亚基一起同时被 调控，然而对于在每一时期每一位点 ATP 合成或者分裂过程中，其反应的中止仍然有争议。 电子显微镜研究表明在α3β3构成的环中，γ亚基具有旋转性，如图1。这在80年代就 已经证明。这些分析令人信服的显示了α和β亚基围绕这个六边体发生的改变，六边体包含 一个中心物质，这已经被认定是γ亚基。 F1部分，化学能促使γ亚基旋转。确切的结构揭示了γ亚基与三个β亚基分别的相互作 用。与结构上的特征一致，γ亚基上的突变常常抑制ATP合成/水解，或者影响能量的配对， 并且这些突变可受β亚基上的第二个突变抑制。此外，在氨基末端的突变也可受羧基端的突 变抑制。类似的，羧基端的突变亦受氨基末端突变的抑制。然而这两个区域并不直接的相互 作用，所观察到的现象是长距离抑制现象，这提示在催化过程中，γ亚基的构象有一个大的 《分子生物物理学》研究生评述 2003 改变。 当β亚基在催化过程中进行一系列构象的变化时（βTβDβE）），在α3β3的六边体里， γ亚基也相应的改变着构象。这种位置的改变最有可能的机制是γ亚基在六边体里自我的旋 转所导致。γ亚基的旋转已经由一流的生物化学试验所提示，包括β/γ亚基的化学交联， 连接γ亚基的探针漂白后偏震现象的恢复，这些均已发现。ATP水解时的旋转借助连接嗜温 的杆状菌γ亚基的肌丝蛋白所记录。在这个试验当中，F1通过一个插入β亚基氨基末端的组 氨酸标签固定在玻璃的表面。随着旋转，扭力发生，与生理学ATP水解释放的自由能相比， 扭力接近40～50pN nm。因此，α3β3γ复合物是一个将化学能转变为机械能的有效的分子发 动机。 在用 X－Ray 研究 F1的结构过程中，再次发现蛋白可致旋转。且基于对精子的研究，有 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 表明“相互选择位点”假说的一个基本原则被证实。这说明 ATP 合成酶的三个结合位点 有不同的状态：一个开放、一个为了进行分裂而关闭，而且第三个则为了 ADP 与 Pi 的生成 并且立刻释放出来而部分开放。同样有意思的是，这个结构显示 γ 亚基以两个长的 α螺旋 形式盘绕延伸通过六边体，并且只和 α 和 β亚基限制性接触。这些接触包括顶部的一个类 似项圈的结构，是由 α 和 β 亚基的 N－末端区域构成，提供 γ 亚基依偎的部位，从而形 成一个疏水或亲脂的部位－有效旋转的理想结构。 具体 ATP 合成和水解过程如图 3： 图 3 表示的是假设的可选择性位点和连接 γ 亚基旋转部分的接触性位点。（a）每个接触性位点进行三个状态（T，L， 和 O）的循环。ATP 与 O 位点（开放并且是空位点）结合后，其位点由开放转变为紧密的且 ATP 占据的位点（T 位点）。这种 结合分开后，T 位点转变成为 L 型位点（松散并且由 ADP＋Pi 占据），直到生成物脱离才恢复为 O 型状态。任何时候无论在 O， T 还是 L 的任一状态，三个接触性位点都是各自独立的。每一位点其状态协调性的开关导致一个 ATP 分子的水解或者合成，并 且 γ－ε 旋转子进行 120o 的旋转。近来，T 和 L 状态额外的信息根据新晶体结构的研究已经发现，但是为了合成或者水解 ATP， 伴随着相同 120O 的旋转。（b）一个 ATP 分子水解或者合成的下一步，根据动力学和抑制子的研究展示了三个位点的机制。在 开放位点上 ATP 的结合导致状态的变换，然后在关闭的位点结合物分离，之后从一个部分开放的位点完全开放并且释放出 ADP 后，Pi 基释放出来。在（b）过程的每一步都会产生 γ 亚基旋转状态的下一步，即 90O 的旋转（已经由 Yasuda 等观察到）被分 成几步来完成。但是近来讨论三个接触性位点的两个是否能被假设为同时处于变换的状态。 F0旋转子的旋转机制：依赖a亚基c环的活动。与F1相比，ATP合成酶中另一个已经很好 诠释的部分是F0，然而在基本的机械模型中，没有一个能够解决F0的结构。目前F0结构模型 来源于核磁共振中测得的单个c亚基分子的结构，并且同时参考酵母菌F1F0复合物部分X－ Ray和原子粒显微镜研究数据得出模型结构，所有的这些数据支持图1中的环状排列。对c亚 基和a亚基之间的表面假设的质子通道的研究，采用了突变的研究方法，并且证实c亚基的 Asp61和a亚基的Arg210是质子转移的关键氨基酸。 有的人通过实验发现来源于细菌的F1F0可以像泵质子一样泵Na＋，简单的复合物研究发 现当酶激活时，离子在迁移。另外通过致突变研究，去掉Na＋迁移，而Li＋或者H＋保留；发 《分子生物物理学》研究生评述 2003 现a亚基发生了一些改变。同时也发现在这个诱导的突变中，Na＋抑制了ATP的水解，这是因 为钠质子通道阳离子的吸引作用。这强有力的证明了F0部分时作为一个单独的通道而起作用 的。（如图4） 对这个机制的任何细节上的解释显然都需要了解环上c亚基的数目，但是对其精确的测 量证明是很困难的。总结以往的实验数据，c亚基的化学计量不同的种属有不同的数据，并 且依赖代谢条件，同一个个体都会不同。根据X－Ray数据，酵母菌有10个c亚基。做对照， 原子粒显微镜发现P.modestum和叶绿体F0各自有11和14个。 图4：F0旋转发电子质子迁移的通道机制 三、对毫微发电机——ATP酶的进一步探究及所产生的问题 逻辑上很容易设想固定的部分和旋转的部分可以互换，因为F0F1没有被固定在膜上。那 么F1上固定的亚基如αβ，在旋转子εγс10－12聚集时可以不动。利用与上述相仿的实验， 我们检验了这个问题，发现只要εγс10－12聚集形成一个机械单位，肌丝的旋转就会观察到。 借助遗传工程，将α亚基和с亚基分别连接生物素标签和组氨酸标签，这样没有化学能来获 得肌丝蛋白装配的特殊性。如图5。装配到α亚基的肌丝蛋白能够在ATP水解时旋转并且产 生～40pN nm的扭力。这个现象是表明F0F1是一个旋转酶的另外证据，并且α和с亚基复合物 的旋转是在质子转移和ATP水解/合成之间能量耦合的必备特征。 图5：α亚基旋转的系统 从上述可以看出，ATP 合成酶是一个毫微发电机，它可以将化学能、渗透压和机械能量 互换。另外，还有一个未回答的问题是，γ 和 с 亚基的低聚合物旋转子如何能够从 F1 的 接触位点释放出 ATP 并且通过 F0 逆向传递质子？这需要我们进一步的研究。 《分子生物物理学》研究生评述 2003 参考文献： 1. 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