一亩二分地

今天要跟大家介绍的是由scorp个人评出的”生物体内最酷机器排行榜”的亚军–ATP合成酶. (冠军是RNA合成酶).
说起鼎鼎大名的三磷酸腺苷(ATP)大家想必不会陌生, 从初中生物课开始就不断听说ATP如何了不起,我们几乎一切生命活动都需要通过水解ATP的高能磷酸键来获得能量支持. ATP发现于1929年, 1939-41年间美国科学家Fritz Lipmann证明ATP是细胞内的能量分子并创造了”高能磷酸键”一词 (这哥们1957年因为发现辅酶A(CoA)而获得诺贝尔医学奖,同年英国首相邱吉尔获得文学奖).1948年苏格兰化学家Alexander Todd终于通过化学方法成功合成了ATP分子并获得了1957年的诺贝尔化学奖(同年,杨振宁和李政道分享了物理奖). 此后ATP的生物合成成了一座”科学高峰”,引无数科学家们竞折腰.

在1940-1950年间,科学家们证明动物细胞通过呼吸在线粒体内产生大量ATP,而植物分子则通过光合作用在叶绿体内生成大量ATP. 1960年美国科学家Efraim Racker从线粒体中提取出了”F0-F1ATPase” 即ATP synthase, 次年英国科学家Peter Mitchell大胆提出了”化学渗透假说” (chemiosmotic hypothesis, 这哥们因此获得了1978年的诺贝尔化学奖)–呼吸作用造成线粒体内部(matrix)和双层膜之间(intermembrane space)的氢离子浓度差(图1),

图一. 线粒体结构简图

氢离子顺浓度梯度而下进入线粒体内部,而失去的势能则通过ATP synthase的作用转化为化学能储存在ATP分子中. 这段话看起来是不是有点眼熟? 想想我们高中物理学水力发电机原理的时候大概也是差不多的一段话–”水流从高处落下推动涡轮从而带动发电机的转子, 损失的势能转化为机械能,再由机械能转化为电能”.

实际上ATP synthase 和发电机不仅原理相同, 连结构也十分相似, 下图是一个ATP synthase的示意图,当然实际的蛋白质看起来没这么漂亮,不过结构是的的确确属实的:

图二. ATP synthase 结构示意图

所谓”此时一图胜千言”, “不怕不识货,就怕货比货”, 这个ATP synthase 是不是很像下图中绿色部分的水力发电机?

图三. 水力发电简图

不过他们的工作原理倒不完全一样, 水力发电机是通过转子转动切割定子之间的磁力线产生电能, 合成ATP要稍微复杂一点. 这个movie把原理解释的挺清楚, 而下面这幅鸟瞰图则很好地说明了ATP synthase具体的工作方式

图四. ATP合成酶工作原理简图

重点就在于其伽马单元,也就是图二中连接下边的”幸运转盘单元”和顶上的”桔子瓣单元”中间的那截杆并不是圆柱形,因此旋转时会引起桔子瓣单元的形变,而桔子瓣单元就通过这些形变完成绑定ADP和磷酸,合成ATP,释放ATP的三部曲.下面真人版的演示简直绘声绘色的在宏观上重现了这一过程.

更真实一些的蛋白版这里可以找到
美国科学家Paul D Boyer, 英国科学家John E. Walker因为弄清楚了ATP synthase的结构并提出了这一机理获得1997年诺贝尔化学奖(同年朱棣文获物理奖). 而这个旋转机理在1996-97年分别由美,德,日的三位科学家通过不同手段证明, 其中以日本哥们Yoshida和Hisabori的实验最为有趣,

图五. 日本哥们的荧光飘带装置

他们居然把伽马单元和桔子瓣单元拧下来, “头下脚上”的固定在玻璃板上,然后在伽马单元本应接”幸运转轮单元”的部分接了根荧光飘带,然后通过水解ATP使得桔子瓣单元构形变化,推动伽马单元带动荧光飘带转动, 还录了像.

本文主要参考诺贝尔奖网站上的内容,作者尽量避免添油加醋,内容基本属实. 如发觉本文跳跃太快, 估计是您漏看了这个movie.