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ATP合成酶
广泛分布于线粒体内膜的蛋白酶
概述
ATP合成酶
组成
ATP合酶主要由F₁(伸在膜外的水溶性部分) 和Fo(嵌入膜内)组成(图1)。不同物种来源的 ATP合酶含的亚基和数目不尽相同。以牛心线粒体 ATP合酶为例，它的F₁含有仅α3、β3、γ、δ、ε共9 个亚基，Fo含a、b2、C10共13个亚基，F₁与Fo之间有OSCP柄相连接，还有抑制蛋白。线粒体F₁Fo-ATP酶的总分子量约为500 ku。对大肠杆菌ATP合酶的研究较为详尽，它的F₁含5种亚基α、β、γ、δ、ε，分子量分别是55.3、50.3、31.6、19.3和14.9 ku。准量关系为α3、β3、γ、δ和ε。F₁的总分子量为382 ku。Fo由a、b、c 3种亚基组成，分子量分别为30.3、17.2和8.3 ku，准量关系为a，b2，C9-12。Fo的总分子量约为164 ku，因此大肠杆菌F₁Fo一ATP酶的总分子量共为546 ku。叶绿体ATP酶由CF₁和CFo两部分组成，它们的亚基的组成和分子量与上述两种ATP合酶大体相似，但又有一定的差异。
结构
F1由5个不同的亚基组成，用化学计量法表示是α3β3γ1δε1。通过对牛F1部分的X－Ray晶体衍射分析，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。
描述的是Escherichiacoli的F1F0结构。蛋白是具有两个方向的。F1部分包括α3，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。
合成和水解
ATP合成酶位置
ATP合酶在线粒体内膜上的分布不对称，数量也不相等。
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。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。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α3β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40～50pNnm。因此，αβ3γ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。
ATP合成过程
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；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。
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。
探究及问题
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εγс0－12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。装配到α亚基的肌丝蛋白能够在ATP水解时旋转并且产生～40pNnm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。
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。
前景及展望
面临的问题
(1)如何获得Fo的精细结构图像；
(2)质子通道c环与蛋白a之间的相互作用机制；
(3)质子流向与马达转向的对应切换机制；
(4)“转子”γ轴的储能机制；
(5)“定子”上的化学循环与“转子”的步进式转动之 问如何实现高效的力学化学耦合；
(6)三个催化位点顺序可逆的构象变换：βo→←βL，βL→←βT和βT→←βo，与γ近距离的相互作用关系；
(7)三个催化位点全都结合核苷才能推动马达转动 还是只需要其中两个结合；
(8)ADP和R与催化位点的结合和去结合是顺序还是随机的；
(9)催化位点聚合方向的构象变化是否有利于ADP和Pi的结合，反之。水解方向的构象变化是否有利于ATP的结合等。
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