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石晓冰 沈允钢
石晓冰 沈允钢
(中国科学院上海植物生理研究所,上海 200032)  
关键词:ATP合酶;旋转催化;结合改变机理;质子动力势   
ATP合酶广泛存在于线粒体、叶绿体、原核、异养菌和光合细菌中,是生物体能量代谢的关键酶。该酶分别位于类囊体膜、质膜或线粒体内膜上,参与氧化磷酸化与光合磷酸化反应,在跨膜质子动力势的推动下催化合成生物体的能量“通货”――ATP。ATP合酶的F0部分比鞭毛的动力结构的直径将近小一半。鞭毛的运动要经过几百个步骤,而ATP合酶的运动只需要几步。因此,ATP合酶的“发动机”更引人注目。
1. ATP合酶的组成   
不同来源的ATP合酶基本上有相同的亚基组成和结构,由突出于膜外的F1和嵌于膜内的F0两部分组成(在叶绿体内分别叫做CF1和CF0)。F1部分由5种亚基组成,分别是α、β、γ、δ和ε亚基[动物线粒体F1还有寡霉素敏感蛋白(OSCP)亚基和抑制蛋白]。F1有6个核苷酸结合位点,其中3个为催化位点,催化ATP的合成或水解。F0嵌合在膜上,是一个疏水蛋白复合体,形成一个跨膜质子通道。在细菌中,F0由a、b和c 3种亚基组成,蓝绿中为a、b、b'和c亚基,在叶绿体内与之相对应的是Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ4种亚基,线粒体ATP合酶的F0更为复杂。原核生物及叶绿体F1各亚基的准量关系为α3β3γδε,总分子量约400±24kD。F0各亚基的准量关系只有细菌的被确切定为ab2c10~12,推测叶绿体F0各亚基最小准量关系为Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ12,总分子量约为160 kD[1]。
2. ATP合酶的结构   
F1是酶的膜外部分,3个α亚基与3个β亚基交替排列,形成一个对称的橘瓣状结构。F0嵌在膜上,a亚基和b亚基二聚体排列在12个c亚基形成的环的外侧。膜内和膜外的两部分由γ、ε、δ和b2等几个小亚基组成的颈部结构连接起来。连接F0和F1的颈部结构可以分为两部分:γ和ε亚基组成的位于酶的中央部位的“转子(rotor)”以及δ和b2等亚基组成的“定子(stator)”。在合成或水解ATP的过程中,γ和ε亚基在通过F0的质子流的推动下旋转,依次与3个β亚基作用,调节β亚基上催化位点的构象变化;“定子”δ和b亚基比位于酶中央的颈部结构细得多,在一侧将α3β3与F0连接起来[2](图1)。
图1 ATP合酶的结构[2]
3. ATP合酶的催化模型
3.1 结合改变机理  
在60年代初,Mitchell提出了“化学渗透学说”,认为在ATP合成过程中,跨膜的质子动力势推动ATP合酶催化合成ATP[3]。该学说被广泛接受,但对ATP合酶如何具体合成ATP还不清楚。有关ATP合酶催化机制的假说很多,最引人注目的是1993年Boyer提出的ATP合酶的催化模型――“结合改变机理(binding change mechanism)”说[4]。第一步,随着酶的构象变化,在催化位点上疏松结合的ADP和Pi与酶的结合变得紧密;第二步,紧密结合的ADP和Pi被转化成ATP;第三步就是ATP的释放。这个模型描述了每个催化亚基完成整个循环所需要经过的反应步骤,其中整个循环的三步反应中的每一步都涉及到酶的构象变化。由于构象改变是紧密相连的,在任何时间,酶的3个催化位点都处在不同的构象状态,而每一个催化位点要经过3次构象改变才催化合成一个ATP。
3.2 旋转催化  
结合改变机理主要涉及的是F1上3个核苷酸催化位点在合成或水解ATP过程中的构象变化,对于整个酶来讲,β亚基上的催化位点的构象变化主要是靠γ亚基和ε亚基在催化过程中相对于α3β3的旋转运动来调节的。目前认为,ATP合酶催化合成ATP的过程是按照“旋转催化(rotational catalysis)”的模式进行的[5]。以E.coli的ATP合酶为例,腔内质子在跨膜质子动力势的推动下进入F0,与位于膜脂双层的c亚基C端氨基酸残基特异结合,导致c亚基构象发生变化;通过F0的质子转化成扭力矩推动位于F0和F1间的“转子”γ和ε亚基旋转;在γ和ε亚基的旋转调节下,F1β亚基上的核苷酸催化结合位点附近的蛋白质构象发生变化,氨基酸残基与底物ATP的氢键、疏水作用和盐桥等多种作用力消失或减弱,使ATP从酶上释放到膜外。F1上的3个核苷酸催化位点都参与了ATP的合成和释放,在整个过程中有很强的协同作用。
3.3 旋转催化的实验证据  
支持“旋转催化”模型的实验证据越来越多,其中有3个实验室的工作最引人注目(图2)。
图2 验证ATP合酶在水解ATP的过程中γ亚基相对于α3β3旋转运动的3个实验的示意   
(1) Cross实验室通过基因工程技术在β亚基和γ亚基上引入一些Cys,并进行化学交联实验[6]。如图2a显示,γ亚基已经和其中的一个β亚基形成二硫键,在酶水解ATP的状态下,将这些二硫键还原和再生后γ亚基可以和另外一个β亚基形成二硫键,但如体系中不加入ATP,即酶处在非活性状态的情况下,则没有形成新的二硫键。他们认为,在F1或F0F1水解ATP的过程中,γ亚基不停地旋转并与3个β亚基依次相互作用。  
(2) Junge实验室应用一种新的光选择技术――光漂白偏振吸收回复(polarized absorption recovery after photobleaching, PARAP)对CF1γ亚基相对α3β3的旋转进行了实时观察(图2b)[7]。他们将纯化的菠菜CF1通过α3β3固定在离子交换树脂上,光漂白染料曙红(eosin)与γ亚基近C末端的Cys残基共价相连。当酶水解ATP时,产生畸形共振弛豫,表明γ亚基相对于α3β3作旋转运动。当把底物ATP换成AMP-PNP时,这种弛豫现象消失。γ亚基旋转的弛豫时间约100ms,与在同样条件下酶的催化周转时间相差不多。  
(3) 日本的Yashida和Kinosita实验室做了一个更精彩的实验,在显微镜下直接观察到了γ亚基的旋转(图2c)[8]。他们将嗜热菌的F1通过基因工程技术在β亚基的N端尾部加上10个His,将γ亚基的106位Ser残基突变成Cys,同时将α亚基上的Cys突变成Ser。3个亚基在E.coli中表达后提纯重组,α3β3γ通过β亚基上的His尾固定在表面涂满Ni-NTA的玻璃板上,同时将荧光标记的肌动蛋白单纤维丝通过γ106Cys连接在γ亚基上,这根纤维的长度约2.5μm,是F1直径的200倍,它的运动在荧光显微镜下可以直接观察到。在有Mg2+-ATP存在的条件下,从膜方向看去,可以看到γ亚基在作逆时针旋转。  
以上实验证实,游离的F1水解ATP是在α3β3的3个催化位点上按照3个步骤循环催化进行并伴随着γ亚基的旋转。F0F1全酶上,ATP的合成极有可能是γ亚基反方向的旋转催化。
4. ATP合酶旋转催化的调节
4.1 核苷酸结合位点的协同性  
ATP合酶上3个核苷酸催化位点在ATP的结合上有负的协同性,在功能的行使上也有极强的偶联。结合改变机理认为,在ATP的合成/水解过程中,3个催化位点是协同参与的[4]。  
Walker实验室对牛心线粒体ATP合酶F1部分的X射线晶体衍射研究为“结合改变机理”提供了结构基础[9]。很大一部分的F1的晶体是在3个催化位点呈不对称的状态下生长形成的。其中一个催化位点与AMP-PNP结合(β(ATP)),AMP-PNP是ATP的结构类似物,它可以和ATP合酶的的核苷酸结合位点结合而不被酶水解;另一个位点和ADP结合(β(ADP));第三个位点则处在空置状态(β(E)),不与任何核苷酸结合。因为酶的一个催化位点是与非催化的ATP类似物AMP-PNP结合,所以酶的晶体结构是酶处在抑制状态下的结构。但是仍然可以把它看作是酶在旋转催化过程时的一个快照:3个催化结合位点分别处在ATP水解催化过程中的3个不同的状态,与ATP结合、空置或被ADP和Pi占据。  
在酶的催化过程中,F1上的3个核苷酸催化位点有可能是按照下面的过程协同作用的(图3)[10]。在反应的不同步骤中,催化位点对底物ATP和[ADP+Pi]有不同的亲和性,分别为紧密结合状态(T态)、疏散结合状态(L态)和空置状态(O态)。在ATP合酶水解ATP的过程中,ATP和O态的核苷酸结合位点结合,使该位点由O态转为T态,进而ATP水解,该位点变成结合[ADP+Pi]的T态;与此同时,另一个与[ADP+Pi]T态结合的位点转变为L态,与第三个位点成L态结合的[ADP+Pi]释放出来,该位点由L态转变为O态。水解ATP释放的能量用于H+的转运。在ATP合成过程中,反应则按相反方向进行。即在跨膜质子动力势的推动下,O态的结合位点与[ADP+Pi]结合,然后是O→L→T态的转变,进而[ADP+Pi]合成ATP,最后ATP从T态的核苷酸结合位点上释放出来。在整个反应过程中,跨膜质子动力势ΔμH+是反应的推动力。在催化形成ATP的过程中,每一个催化位点均经历相同的状态变化;在任一时刻,3个催化位点分别处于不同的核苷酸结合状态;每一次结合改变,酶释放一个ATP。
图3 β亚基上3个核苷酸催化位点在ATP合成过程中的协同作用
4.2 质子动力势促进扭力矩的形成  
F0的作用之一就是,将跨膜质子动力势转化成扭力矩,推动F1部分的γ和ε亚基旋转。在大肠杆菌ATP合酶中,质子通过F0的转运需要a、b、c 3种亚基参与。a亚基至少含有5个跨膜α螺旋,其第四个α螺旋上的Arg210被认为是H+转运所必需的。b亚基是单穿膜亚基,还有一个很长的亲水头。c亚基由两个跨膜的α螺旋和一个突出的细胞质侧膜外的小环组成一个发夹结构[2]。电镜观察显示,多拷贝的c亚基在膜内形成一个环状结构。c亚基上第二个跨膜螺旋上的Asp61被认为是F0上的H+结合位点,它的质子化/去质子化循环可以转运H+。在H+转运偶联ATP合成的过程中,a亚基Arg210和其中一个c亚基的Asp61产生瞬时的盐桥,降低了Asp61的羧基的pKa。c亚基Asp61的质子化/去质子化会引起其极性环结构的改变,从而改变ε亚基和γ亚基的极性环相互作用[11]。当环上的一个c亚基脂蛋白与a亚基接触时,c亚基环的旋转波动就会被限制在一个小角度的范围里。质子与c亚基结合,使c亚基失去电中性,c亚基环继续旋转运动。环是顺时针还是逆时针旋转,取决于质子是从膜的哪一侧的通道进入。如果从下部(即膜的内侧)的通道进入,那么从F0的底部看,c亚基环是顺时针旋转的。当膜内外pH梯度相反时,环向相反的方向旋转。环的旋转是靠跨膜的质子动力势推动的。根据质子动力势的定义:μH+=-2.3RTpH+FΨ(F:法拉第常数,Ψ:电位势),pH值和电位势是随着通道的长短不同而变化的,含正电荷较多的内膜侧的通道更易质子化[2、11]。
4.3 H+转运和ATP水解/合成的偶联  
在ATP合酶转运H+和水解/合成ATP的偶联过程中,“转子”γε亚基有着重要作用。ε亚基与γ亚基有很高的亲和力,两个亚基结合在一起,在酶的中央共同旋转以调节β亚基上催化位点的开放和关闭。交联实验显示,ε亚基与α、β、γ和F0的c亚基均可作用。ε亚基有两个结构域,N端为10个β折叠形成的桶,或叫三明治结构,C端是两个α螺旋形成的发夹结构。ε亚基的两部分不对称结构在亚基的结合中有不同的作用:C端的α螺旋与酶的核苷酸结合位点相作用,β桶结构则与γ亚基和F0的c亚基相作用。ε亚基是合成ATP所必需的亚基,有抑制酶水解ATP的活性,同时还有堵塞质子通道、减少质子泄露的功能。我们的研究表明,ε亚基还可以影响光系统Ⅱ水氧化释放质子的区域化[12]。  
ATP合酶的F0转运H+,γε旋转120°,一个T态的β亚基释放一个ATP。ATP的合成和H+的转运偶联的具体过程有可能是按下述方式进行[13]:(1) F0的a亚基与c亚基结合,使c亚基Asp61从高的pKa态变成较低的pKa态,c亚基从膜内侧获得一个H+,同时γε与c亚基的极性环结合;(2) a亚基与c亚基解聚,c亚基的Asp61重新回到高pKa态,Asp61的羧基移动到低H+活力的膜外侧,H+从高pKa态的Asp61位释放出来,同时c亚基的极性环与γε亚基解聚。γε与F0的a亚基或b亚基的非对称结合使γε按照一定的方向(顺时针或逆时针)与下一个低pKa态的c亚基极性环结合。F0上H+的转运积累足够的扭力矩推动γε相对于α3β3旋转120°,而γε通过与β亚基核苷酸结合位点的作用使β(ATP)亚基释放一个ATP,同时调节β(E)和β(ATP)停止或重新转向对核苷酸的“捕捉”状态。
参考文献: [1] Weber J et al. Biochem Biophys Acta, ~58 [2] Junge W et al. TIBS, ~423 [3] Mitchell P. Physiol Rev, ~502 [4] Boyer PD. Biochem Biophys Acta, ~250 [5] Senior AE. Annu Rev Biophys Biophys Cliem, ~41 [6] Zhon Y et al. Proc Natl Acad Sci USA, 83~10587 [7] Junge W. Photosynthesis: Mechanisms and Effects. ~1642. Garab G(ed.), Kluwer Academic Publisher, Netherlands. [8] Noji H et al. Nature, ~302 [9] Abrahams JP et al. Nature, ~628 [10] Souid AK et al. J Biol Chem, 4~9082 [11] Fillingame RH. Biochem Biophys Acta, 5~142 [12] 史 瑾等.植物生理学报,):119~123 [13] Fillingame RH. J Exp Biol, ~224
(本文原刊登在《生命的化学》1999年第5期)
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ATP的合成需要ATP合成酶的催化,而ATP合成酶由F0和F1两部分构成(如图),F0固定在生物膜上,F1则处于悬浮状态。下列叙述错误的是
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ATP和ADP的转化和利用
ATP与ADP的转化:1、ATP和ADP之间的相互转换:2、ATP与ADP相互转化是不可逆的 (1)反应条件:ATP的分解属水解反应,催化该反应的酶属水解酶。而ATP的合成是一种合成反应,催化该反应的酶属合成酶。由于酶具有专一性,因此,二者反应条件不同。(2)反应场所:ATP合成的场所为细胞质基质、线粒体和叶绿体;而ATP分解的场所较多。因此,ATP的合成场所与分解场所不完全相同。(3)能量来源:ATP水解释放的能量是储存在高能磷酸键中的化学能;而合成ATP的能量主要有化掌能和太阳光能,即二者的能量来源不同。 ATP的形成与利用表解比较:1、ATP的产生途径与场所
&2、细胞内产生与消耗ATP的生理过程
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有关ATP合酶的叙述错误的是A.存在于线粒体内膜B.由F0和F1两部分构成C.F1的α亚基构成质子通道D.F0由a、b、c三类亚基组成E.该酶催化ATP的合成请帮忙给出正确答案和分析,谢谢!
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氧化磷酸化概念|ATP合酶
17:01 来源:&    【
】【】【】
氧化磷酸化
一、氧化磷酸化的概念
从物质代谢脱下的氢原子经电子传递链与氧结合成水的过程,逐步释放出能量,储存在ATP中。氢的氧化和ADP的磷酸化过程偶联在一起,称为氧化磷酸化。医学教育网|搜索整理
二、电子传递链
生物氧化过程中,中间代谢物脱下的氢经一系列酶或辅酶的传递,最后与氧结合生成水。这一系列起传递作用的酶或辅酶等称为递氢体和电子传递体,它们按一定顺序排列在线粒体内膜上构成电子传递链,也称呼吸链。递氢体或电子传递体都有氧化还原特性,所以可以传递氧原子和电子。
(一)电子传递链的组成成分递氢体或电子传递体主要有以下五类:①尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)或称辅酶I;②黄素蛋白:黄素蛋白种类很多,其辅基有黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)二种;③铁硫蛋白:铁硫蛋白的辅基是铁硫簇,它含有等量的铁原子和硫原子;④泛醌:泛醌是广泛存在于生物界并有醌结构的化合物,可有半醌型和醌型两种状态;⑤细胞色素(Cyt):细胞色素是一类含铁卟啉辅基的色蛋白,广泛出现于细胞内。细胞色素可分为a、b和c三类,每一类中又因其最大吸收峰各有差异而又可分成几个亚类。
(二)电子传递链中递氢体的顺序体内有两条电子传递链,一条是以NADH为起始的,另&条以FAD为起始的电子传递链。两条电子传递链的顺序分别为NADH&FMN&辅酶Q&Cytb&Cytc&Cytaa3&O2和FADH2&辅酶Q&Cytb&Cytc&Cytaa3&O2.
(三)电子传递链中生成ATP的部位在电子传递反应中伴有电位降。在电子传递链的FMN&酶Q、Cytb&Cytc和Cytaa3&O2的三个部位各自的电位降所释放的能量足以合成1分子ATP,所以NADH电子传递链可合成3分子ATP.而FADH2电子传递链没有FMN&辅酶Q,所以只能合成2分子ATP.
(四)质子梯度的形成机制电子传递链在传递电子时,所释放出的能量,可以将线粒体基质内的H+转移至线粒体内膜的胞液侧,形成线粒体内膜两侧的质子梯度或电化学梯度。当胞液中的质子流通镶嵌于线粒体内膜中的ATP合酶所构成的质子通道,回流至线粒体基质时,蕴藏在质子梯度中的能量就可以合成ATP,这就是合成ATP的化学渗透学说。
三、ATP合酶
ATP是由位于线粒体内膜上的ATP合酶催化ADP与Pi合成的。ATP合酶是一个大的膜蛋白复合体,分子量在480-500kD,由两个主要组分构成,一是疏水的F0组分,另一个是亲水的F1组分。F1部分由3个&,3个&,&,&,&等9个亚基组成。&与&亚基上有ATP结合部位;&亚基被认为具有控制质子通道闸门作用;&亚基是F1与膜相连所必需的,基中心部分为质子通道;&亚基是酶的调节部分。Fo主要构成质子通道。当质子流从线粒体外回流至线粒体基质时,提供能量给ATP合酶合成ATP.
四、氧化磷酸化的调节
氧化磷酸化的抑制剂分两大类。一类是电子传递链抑制剂,,例如,鱼藤酮可以阻断电子从NADH传递至泛醌;抗霉素A和二巯基丙醇抑制电子从Cytb传递至Cytc.另一类是解偶联剂,使氧化和磷酸化脱离,不能生成ATP.
在体内,氧化磷酸化的速率主要受ATP浓度的调节。细胞活动消耗ATP后,ADP水平升高,ATP水平降低,就促进氧化磷酸化以补充ATP,同时也促进三羧酸循环的运行,以提供更多的还原当量。Ca2+对氧化磷酸化的调节有重要作用。Ca2+不仅促进三羧酸循环,而且还通过促进线粒体容积增加而加速电子传递,促进心肌、肝线粒体的呼吸和合成ATP.
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助考之星――百万题库软件:      下列描述哪些是正确的?A.线粒体的ATP合成酶在一定条件下可表现出水解酶的活性 B.一对质子通过叶绿体ATP合成酶是可驱动F1合成1分子ATP C.线粒体的ATP合成酶对寡霉素敏感,而叶绿体的ATP合成酶_百度作业帮
下列描述哪些是正确的?A.线粒体的ATP合成酶在一定条件下可表现出水解酶的活性 B.一对质子通过叶绿体ATP合成酶是可驱动F1合成1分子ATP C.线粒体的ATP合成酶对寡霉素敏感,而叶绿体的ATP合成酶
下列描述哪些是正确的?A.线粒体的ATP合成酶在一定条件下可表现出水解酶的活性 B.一对质子通过叶绿体ATP合成酶是可驱动F1合成1分子ATP C.线粒体的ATP合成酶对寡霉素敏感,而叶绿体的ATP合成酶对寡霉素不敏感 D.细菌也具有ATP合成酶,定位于细菌的质膜上 下列哪些是小G蛋白?A.Rab蛋白 B.Rho蛋白 C.Ras蛋白 D.都不是
小G蛋白:近年来研究发现小G蛋白,特别是一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功能.Ras蛋白主要参与细胞增殖和信号转导;Rho蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节作用;Rab蛋白则参与调控细胞内膜交通(membrane traffic).此外,Rho和Rab亚家庭可能分别参与淋巴细胞极化(polarization)和抗原的提呈.某些信号蛋白通过SH-3功能区将酪氨酸激酶途径同一些由小G蛋白所控制的途径连接起来,如Rho(与Ras有30%同源性)调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解离,从而影响细胞形态.这一事实解释了某些含有SH-3的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节它们的功能.所以选B和C
毕业好久了,以前生物很好,选择题每次多选都是满分,但现在看下好像想不起来了}

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