ATP合成酶位置
F?和Fo通過“轉子”和“定子”連接在一起,在合成水解ATP過程中,“轉子”在通過Fo的氫離子流推動下旋轉,每分鐘旋轉100次,依次與三個β亞基作用,調(diào)節(jié)β亞基催化位點的構象變化;“定子”在一側將α3,β3與Fo連接起來。作用之一就是將跨膜質(zhì)子動力勢能轉換成力矩(torsion),推動“轉子”旋轉。ATP合酶在線粒體內(nèi)膜上的分布不對稱,數(shù)量也不相等。
F1部分包含3個結合位點,在每一個β亞基上。當少量的ATP增加時,這些結合位點被占據(jù),底物結合的就非常緊密并且ATP的水解發(fā)生得非常緩慢。過量的ATP則導致其可結合在所有的結合位點上,并且伴隨產(chǎn)生的是在第二和第三個位點上具有很低的底物親和力。且第三位點的使用率若增加,ATP的水解率則增加104~105。
F1部分是一個有效的三倍復合體,由三個α亞基和β亞基組成,其具有與底物結合強的負協(xié)調(diào)性質(zhì),同時亦具有酶活性的正協(xié)調(diào)性質(zhì)。為了解釋這些特殊的部分,Boyer提出“結合導致變化”或者稱為“抉擇位點”的假想。這則假想的關鍵特征是三個結合位點,和因此由三個α和β亞基配對形成的這些位點,在任何時期有不同的信息。一個開放并且準備ATP(或者ADP+Pi)結合,而第二和第三個位點則圍繞著一定的核苷酸,部分獨立的開放或者關閉。ATP結合物和開放位點關閉的結果可以產(chǎn)生協(xié)調(diào)信息的變化,其他的兩個位點也發(fā)生了改變,導致關閉的位點成為了部分開放,而部分開放的位點成為全部開放。如此,每個位點當ATP水解時,在三個狀態(tài)下發(fā)生變化,在相反的過程中,即當ATP合成時,同樣發(fā)生變化。一些構象調(diào)節(jié)的細節(jié)表明三組αβ配對亞基一起同時被調(diào)控,然而對于在每一時期每一位點ATP合成或者分裂過程中,其反應的中止仍然有爭議。 電子顯微鏡研究表明在α3β3構成的環(huán)中,γ亞基具有旋轉性。這在80年代就已經(jīng)證明。這些分析令人信服的顯示了α和β亞基圍繞這個六邊體發(fā)生的改變,六邊體包含一個中心物質(zhì),這已經(jīng)被認定是γ亞基。
F1部分,化學能促使γ亞基旋轉。確切的結構揭示了γ亞基與三個β亞基分別的相互作用。與結構上的特征一致,γ亞基上的突變常常抑制ATP合成/水解,或者影響能量的配對,并且這些突變可受β亞基上的第二個突變抑制。此外,在氨基末端的突變也可受羧基端的突變抑制。類似的,羧基端的突變亦受氨基末端突變的抑制。然而這兩個區(qū)域并不直接的相互作用,所觀察到的現(xiàn)象是長距離抑制現(xiàn)象,這提示在催化過程中,γ亞基的構象有一個大的改變。
當β亞基在催化過程中進行一系列構象的變化時(βTβDβE)),在α3β的六邊體里,γ亞基也相應的改變著構象。這種位置的改變最有可能的機制是γ亞基在六邊體里自我的旋轉所導致。γ亞基的旋轉已經(jīng)由一流的生物化學試驗所提示,包括β/γ亞基的化學交聯(lián),連接γ亞基的探針漂白后偏震現(xiàn)象的恢復,這些均已發(fā)現(xiàn)。ATP水解時的旋轉借助連接嗜溫的桿狀菌γ亞基的肌絲蛋白所記錄。在這個試驗當中,F(xiàn)1通過一個插入β亞基氨基末端的組氨酸標簽固定在玻璃的表面。隨著旋轉,扭力發(fā)生,與生理學ATP水解釋放的自由能相比,扭力接近40~50pNnm。因此,αβ3γ復合物是一個將化學能轉變?yōu)闄C械能的有效的分子發(fā)動機。 ATP合成過程
在用X-Ray研究F1的結構過程中,再次發(fā)現(xiàn)蛋白可致旋轉。且基于對精子的研究,有報告表明“相互選擇位點”假說的一個基本原則被證實。這說明ATP合成酶的三個結合位點有不同的狀態(tài):一個開放、一個為了進行分裂而關閉,而且第三個則為了ADP與Pi的生成并且立刻釋放出來而部分開放。同樣有意思的是,這個結構顯示γ亞基以兩個長的α螺旋形式盤繞延伸通過六邊體,并且只和α和β亞基限制性接觸。這些接觸包括頂部的一個類似項圈的結構,是由α和β亞基的N-末端區(qū)域構成,提供γ亞基依偎的部位,從而形成一個疏水或親脂的部位-有效旋轉的理想結構。F0旋轉子的旋轉機制:依賴a亞基c環(huán)的活動。與F1相比,ATP合成酶中另一個已經(jīng)很好詮釋的部分是F0,然而在基本的機械模型中,沒有一個能夠解決F0的結構。目前F0結構模型來源于核磁共振中測得的單個c亞基分子的結構,并且同時參考酵母菌F1F0復合物部分X-Ray和原子粒顯微鏡研究數(shù)據(jù)得出模型結構,所有的這些數(shù)據(jù)支持圖1中的環(huán)狀排列。對c亞基和a亞基之間的表面假設的質(zhì)子通道的研究,采用了突變的研究方法,并且證實c亞基的Asp61和a亞基的Arg210是質(zhì)子轉移的關鍵氨基酸。 有的人通過實驗發(fā)現(xiàn)來源于細菌的F1F0可以像泵質(zhì)子一樣泵Na+,簡單的復合物研究發(fā)現(xiàn)當酶激活時,離子在遷移。另外通過致突變研究,去掉Na+遷移,而Li+或者H+保留;現(xiàn)a亞基發(fā)生了一些改變。同時也發(fā)現(xiàn)在這個誘導的突變中,Na+抑制了ATP的水解,這是因為鈉質(zhì)子通道陽離子的吸引作用。這強有力的證明了F0部分時作為一個單獨的通道而起作用的。 對這個機制的任何細節(jié)上的解釋顯然都需要了解環(huán)上c亞基的數(shù)目,但是對其精確的測量證明是很困難的。總結以往的實驗數(shù)據(jù),c亞基的化學計量不同的種屬有不同的數(shù)據(jù),并且依賴代謝條件,同一個個體都會不同。根據(jù)X-Ray數(shù)據(jù),酵母菌有10個c亞基。做對照,原子粒顯微鏡發(fā)現(xiàn)P.modestum和葉綠體F0各自有11和14個。