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1、F1F0-ATP合酶的发现合酶的发现 生物工程班三磷酸腺苷 (ATP) 能量货币三磷酸腺苷(ATP)是世间所有生命体的能最载体。在细胞中，ATP分子在形成之后1分钟内就消耗掉了。ATP 的转换率惊人之高:处在休息状态的人,42小时就 消耗相 当于自身重盘一半的ATP; 在激烈运动时,1天能转化多达 自身重盈20倍的 ATP光能营养生物即植物,靠捕获光中的自由能以形成 ATP;而化学能营养生物即动物,则靠燃料分子的氧化以形成 ATP。因为有了ATP的存在,才有了生物体内的能盆转换,一切生灵才得以生存和繁衍。鉴此,生物学家们形象地将AT P誉为“能量货币” 。2能量货币不贬值 1997年诺贝尔化学
2、奖,就颁发给探索“能量货币不贬值”真谛的3位生物 化学家:奖金的一半由美 国加利福尼亚大学教授保罗博耶和英国剑桥大学教授约翰沃克共享,另一半由丹麦奥尔胡斯大学教授廷斯斯科获得。 3博耶和沃克揭开了ATP合成酶的隐秘,从而探明“能量货币”A T P 的形成过程。斯科发现了离子传输 酶,这种酶即ATP合成 酶的一种存在形式,起着离子泵的作用。他们共同说明了“能量货币不贬值”的道理 。 4这三位科学家的工作都围绕生物体能量的主要提供者ATP博耶和沃克的主要研究方向是 ATP合酶。斯科则由于发现 Na+K+ 泵而获此殊荣。580年代初,沃克发现 了ATP合酶,从而找到了第5种线粒体内膜脂蛋 白复合体V
3、,与其他4种复合体在结构上互不相同。每种复合体都是内膜的结构成分,具有蛋 白质的通性,与磷脂结成膜结构,并都有一套独特 的载体,承担电子传递过程 的部分酶促反应。约翰约翰约翰约翰 沃克沃克沃克沃克6沃克深入研究发现,ATP合酶的分子量约为50万道尔顿。当这种复合休处于分离状态时,便能够水解ATP;当处于正常自然位置时,起作用相反,能够合成ATP。7沃克证实,APT合成酶是由10个多肽链组成的复 合体,其中5个是膜固有的蛋白质,5个是膜周围的蛋白质。周围蛋白质朝 向内膜的基质面突伸,而构成整个复合体的一个亚单位,称作F1ATP酶,这就是ATP合成酶进行可逆反应的场所。固有本体蛋白质组成复合体的另
4、一个亚单位,称作FoATP酶，对 ATP合成起调控作用。沃克还 利用分子生物技术对5种膜周围蛋白质进行了纯化和分析,并测定了氨基酸成分。89他的研究集中于ATP合酶，并且显示酶如何利用氢流从ADP和无机酸盐形成三磷酸腺苷所产生的能量。博耶假设一种不平常的机制解释三磷酸腺苷合酶的特性，被称做“束缚转变机制”，已部分被沃克的研究所证实。保罗保罗博耶博耶10成果：致力于ATP的合成机理研究并做出成功的解释ATP合酶的结构 ATP合成的分子机制111960年，在线粒体中找到了ATP合酶(或称F1F0-ATP酶)，人们惊奇地发现，尽管ATP合酶可以被称为自然界中最小的“轮机”，但它本身却是一个巨大的蛋白
5、质复合体，包括了多种亚基 。ATP合酶可以分作两大部分 ，位于膜 内的F0 部分，以及位 于基质的类似头部 的 Fl部分。 12在 70年代，科学家们证明ATP合成酶由3个部分组成：一是位于线粒体内膜的基部，二是由膜 内伸 出的“头部，在两者之间有一个“颈部使它们连接在一起。很多实验室的研究结果表 明，ATP合酶的催化中心位于多亚基的“头部”，其中3个亚基起着关键作用，称为催化亚基，同时“颈部”在表现催化活性方面也是很重要 的，但是对整个ATP合酶如何合成ATP的机理 仍然是 一个谜 。13博耶认为，上述3个亚基的构象是不相同 的：一种构象有利于合成ATP的前体 ADP和 Pi(磷酸)与之相结
6、合。另一种构象可使结合的 ADP和Pi合成 ATP,第三种构象使ATP变成松驰结合状态，从而容易被释放下来。当 ADP和 Pi与一种构象的亚基相结合以后，依次经历 了两次构象的变化，从而导致 ATP的合成并使之从ATP合成酶上释放下来。在ATP合成过程中3个亚基通过转动，构象发生交替、反复 的变化 ，所需的能量是由跨膜的 H+ 流提供的 。这就是博耶的 ATP合成酶合成 ATP的构象假说，即旋转催化假说 。14Boyer认为，单拷贝的亚基处于其它亚基的中央，并且可以转动，如同三缸马达的机轴，带动与之相邻的亚基旋转，发生构象上的变化。而穿过膜的质子流则如同水流一样驱动反应的进行，于是 ATP被连
7、续不断地合成出来，供给细胞活动之用。Boyer的假说虽然在当时就已经受到很多间接实验证据的支持，但它的真正得到承认，是在1994年 Walker小组发表了F1的晶体结构之后。Walker的研究表明，Boyer“结合变化机制”中对于 Fl结构的预测基本上是正确的，只是亚基伸出到()3中的一个，从而带动它们进行构象的转换。15博耶假说也可以形象比喻为：ATP合酶犹如一 部精密的分子水轮机，当 H+流跨膜转运时，带动ATP合成酶基部轮子似的结构和与之相连接的轴进行旋转，就象水流带动水轮机一样。这一转动继而引起与轴相连的3个叶片(即ATP合 成酶催化中心的3个亚基)也随之转动起来并 发生一定的构象变化
8、，结果使 ADP和Pi合成 ATP并将它释放下来 。16尽管 Boyer与Walker为了解 ATP合成的机制作 出了突出贡献 ，但他们获得今年 的诺贝尔奖 ，还得益于近两年发表的有关工作 ，包括 Cross小组、Junge小组和Yoshid小组。其中Yoshid等的工作最为有趣，他们将荧光标记的肌动蛋白纤维丝附着在F1的亚基上，当向反应体系中加入Mg2+ATP后，就可以观察到亚基的顺时针转动。很多人认为，上述堪称精美的工作大大影响了诺贝尔评奖委员会，使他们迅速作出决定，把化学奖授予Boyer和Walker。17由于他发现了一种被称为钠钾激活的三磷酸腺苷钠钾ATP酶，而与博耶和沃克共获1997年诺贝尔化学奖。 詹斯詹斯斯科斯科181997年3位诺贝尔化学奖获得者，前两人 对ATP合酶如何合成能源物质ATP的研究方面做出了重要贡献，第三位获奖科学家 斯科的成就在于首先发现了一个利用ATP驱动离子跨膜运送的钠、钾一ATP酶 ，从而引起有关科学家的注意，并对此做 了系统研究 。1920
