三磷酸腺苷(ATP)是細(xì)胞的能量貨幣。它為各種需要能量的細(xì)胞過程提供動(dòng)力，包括酶促反應(yīng)。ATP是在稱為F型ATP合酶的酶復(fù)合物的幫助下合成的。這種酶復(fù)合物具有雙向功能，根據(jù)環(huán)境和細(xì)胞線索合成ATP并水解它。

ATP合酶由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)組成——F1和 F0.F型1亞復(fù)合體主要由α亞基、β亞基和γ亞基組成。在ATP的水解過程中，F(xiàn)1-ATP酶顯示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，F(xiàn)1-ATP酶也被稱為世界上最小的旋轉(zhuǎn)生物分子馬達(dá)。然而，ATP水解如何使分子旋轉(zhuǎn)的潛在機(jī)制尚不清楚。

為了解決這一知識(shí)差距，由東京理科大學(xué)Tomoko Masaike副教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究小組著手研究F旋轉(zhuǎn)機(jī)制背后的事件1-嗜熱細(xì)菌PS3芽孢桿菌中的ATP酶。

Masaike博士詳細(xì)闡述了他們的研究目標(biāo)，他解釋說：“我們想澄清F的機(jī)制。1-ATP酶在ATP水解過程中旋轉(zhuǎn)中心軸。我們專注于闡明底物ATP與酶結(jié)合及其高能磷酸鍵裂解之間的中心軸旋轉(zhuǎn)角度。該研究是與學(xué)習(xí)院大學(xué)的Takayuki Nishizaka教授和濱松光子學(xué)株式會(huì)社的Yuh Hasimoto合作進(jìn)行的，發(fā)表在《生物物理學(xué)雜志》上。

以前對(duì)F的調(diào)查1芽孢桿菌PS3的亞基已經(jīng)確定ATP裂解涉及化學(xué)機(jī)械耦合，即每個(gè)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)都與化學(xué)反應(yīng)步驟相關(guān)聯(lián)。ATP結(jié)合與其在同一催化位點(diǎn)的裂解之間的旋轉(zhuǎn)角度先前估計(jì)為200°。然而，迄今為止缺乏證實(shí)這一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

為了解決這個(gè)問題，研究人員通過創(chuàng)建混合F來研究旋轉(zhuǎn)。1使用一種突變型β和兩種野生型β。由于突變體中ATP切割和ATP結(jié)合的速度非常慢，研究人員可以很容易地觀察到旋轉(zhuǎn)步驟之間的停頓或停留。

在進(jìn)行具有不同濃度ATP的單分子旋轉(zhuǎn)測(cè)定時(shí)，他們可以觀察到三組短駐留和長駐留，每轉(zhuǎn)80°和40°間隔交替相關(guān)。為了調(diào)查與居住相關(guān)的事件，作者進(jìn)行了停留時(shí)間分析。

40°子步驟之前的長時(shí)間停頓與ATP濃度無關(guān)，并被確認(rèn)為“催化停留”——由于ATP裂解而導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)的停頓?；蛘?，80°步長之前的短暫停頓明顯取決于ATP濃度，因此被確定為“ATP等待停留”(暫停以使β亞基能夠結(jié)合ATP)。

“在研究軸的旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以通過光學(xué)顯微鏡提供可見的證據(jù)，證明芽孢桿菌PS3中ATP結(jié)合和切割事件的軸角分別為0°和200°，”Hasimoto說。

通過這項(xiàng)研究，作者解決了關(guān)于ATP切割軸角的長期爭(zhēng)論，并建立了ATP酶功能的化學(xué)力學(xué)相關(guān)性。在談到他們的新研究的未來影響時(shí)，Masaike副教授解釋說：“由于F1-ATP酶是世界上最小的生物旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)蛋白，它可以作為了解生物體能量轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的參考。

“這些知識(shí)在開發(fā)高效的納米機(jī)器方面可能是革命性的。此外，來自結(jié)核分枝桿菌的ATP合酶最近已被確定為藥物發(fā)現(xiàn)的潛在靶標(biāo)。因此，要使用抑制劑停止其旋轉(zhuǎn)，了解旋轉(zhuǎn)的機(jī)制非常重要。