ATP合酶利用跨膜離子(主要是質(zhì)子)梯度提供的能量, 催化由ADP和Pi(磷酸)合成ATP的反應(yīng). 已有證據(jù)表明, 這種催化反應(yīng)通過ATP合酶內(nèi)部亞基之間的相對旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn). 然而, 現(xiàn)有的基于整合在細胞膜內(nèi)的c環(huán)及附著于其上的中心桿(由e和g亞基組成)轉(zhuǎn)動的ATP合酶旋轉(zhuǎn)模型存在多方面的理論缺陷, 也與某些實驗數(shù)據(jù)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(zhuǎn)催化模型, 其中發(fā)生旋轉(zhuǎn)的是α3β3六聚體. 具體而言, 質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運引起c環(huán)的周期性構(gòu)象改變, 從而使得附著在c環(huán)上的中心桿產(chǎn)生往復運動, 這種往復運動驅(qū)動α3β3六聚體的連續(xù)轉(zhuǎn)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(qū)動凸輪產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動的工作機理十分相似. 新模型不僅避免了現(xiàn)有模型的理論缺陷, 而且更好地解釋了已有實驗數(shù)據(jù). 

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(nèi)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換裝置, 它利用細胞膜兩側(cè)的離子(通常是質(zhì)子)濃度差以及電勢差所儲存的化學能, 合成細胞內(nèi)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(yīng)通過一種*的內(nèi)部亞基之間的相互旋轉(zhuǎn)機制而實現(xiàn)。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(guān)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(zhuǎn)催化模型已經(jīng)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(zhuǎn)一直未能確定。傳統(tǒng)模型認為, 當質(zhì)子通過通道發(fā)生跨膜轉(zhuǎn)運時, 將驅(qū)動c亞基環(huán)在細胞膜內(nèi)的連續(xù)轉(zhuǎn)動, 進而驅(qū)使附著在c環(huán)上的γε中心桿轉(zhuǎn)動, 后者的轉(zhuǎn)動引起α3β3中的活性中心發(fā)生周期性構(gòu)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(zhì)復合體的結(jié)構(gòu)信息不符。

北京大學昌增益研究組通過仔細分析已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)該酶復合物的各類體外實驗數(shù)據(jù)，提出了一種ATP合酶旋轉(zhuǎn)催化的新模型。在新模型中, 發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhì)子沿通道的跨膜轉(zhuǎn)運(即質(zhì)子的結(jié)合與釋放)將造成c環(huán)的周期性構(gòu)象變化, 驅(qū)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(qū)動α3β3六聚體的連續(xù)轉(zhuǎn)動, 實現(xiàn)ATP的合成。

這種由往復運動轉(zhuǎn)化為圓周轉(zhuǎn)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(shù)據(jù), 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(nèi)的實驗, 來進一步認識ATP合酶的旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)信息還制作出了直觀展示該新旋轉(zhuǎn)催化機制的動畫。