ATP合酶利用跨膜離子(主要是質子)梯度提供的能量, 催化由ADP和Pi(磷酸)合成ATP的反應. 已有證據表明, 這種催化反應通過ATP合酶內部亞基之間的相對旋轉而實現. 然而, 現有的基于整合在細胞膜內的c環(huán)及附著于其上的中心桿(由e和g亞基組成)轉動的ATP合酶旋轉模型存在多方面的理論缺陷, 也與某些實驗數據不符.

來自北京大學生命科學學院的昌增益教授等人提出了一種新的ATP合酶旋轉催化模型, 其中發(fā)生旋轉的是α3β3六聚體. 具體而言, 質子的跨膜轉運引起c環(huán)的周期性構象改變, 從而使得附著在c環(huán)上的中心桿產生往復運動, 這種往復運動驅動α3β3六聚體的連續(xù)轉動. 這種工作模式與按壓式伸縮圓珠筆中推桿的往復運動驅動凸輪產生連續(xù)轉動的工作機理十分相似. 新模型不僅避免了現有模型的理論缺陷, 而且更好地解釋了已有實驗數據. 

ATP合酶是一種由多個亞基組裝而成的存在于所有生物體內的關鍵能量轉換裝置, 它利用細胞膜兩側的離子(通常是質子)濃度差以及電勢差所儲存的化學能, 合成細胞內的“能量貨幣”——ATP分子。ATP合酶是一種分子尺度的馬達, 催化反應通過一種*的內部亞基之間的相互旋轉機制而實現。認識ATP合酶的工作機制一直是生命科學研究的一個熱點問題, 相關工作曾于1978年和1997年被授予諾貝爾化學獎。

盡管ATP合酶的一種傳統(tǒng)旋轉催化模型已經進入了生物化學的教科書, 但具體究竟哪一部分相對于其所附著的生物膜在旋轉一直未能確定。傳統(tǒng)模型認為, 當質子通過通道發(fā)生跨膜轉運時, 將驅動c亞基環(huán)在細胞膜內的連續(xù)轉動, 進而驅使附著在c環(huán)上的γε中心桿轉動, 后者的轉動引起α3β3中的活性中心發(fā)生周期性構象改變, 從而催化ATP的合成。然而該傳統(tǒng)模型不僅存在諸多理論上的缺陷, 而且與體外通過X衍射等方法獲得的該蛋白質復合體的結構信息不符。

北京大學昌增益研究組通過仔細分析已經發(fā)表的有關該酶復合物的各類體外實驗數據，提出了一種ATP合酶旋轉催化的新模型。在新模型中, 發(fā)生轉動的是α3β3六聚體, 而不是傳統(tǒng)模型中所認為的c環(huán)/γε中心桿。具體而言, 質子沿通道的跨膜轉運(即質子的結合與釋放)將造成c環(huán)的周期性構象變化, 驅使附著在c環(huán)上的γε中心桿發(fā)生周期性的往復運動, 后者進而驅動α3β3六聚體的連續(xù)轉動, 實現ATP的合成。

這種由往復運動轉化為圓周轉動的模型, 是受到可伸縮圓珠筆的工作模式啟發(fā)而提出的。新模型更好地解釋了已有的實驗數據, 并避免了傳統(tǒng)模型的嚴重理論缺陷。這項工作為通過實驗, 特別是活細胞內的實驗, 來進一步認識ATP合酶的旋轉催化提供了一種全新的思路。另外, 論文作者通過綜合已有的結構信息還制作出了直觀展示該新旋轉催化機制的動畫。