逐步展开世界上最小的生物旋转电机

三磷酸腺苷 (ATP) 是细胞的能量货币。它为各种需要能量的细胞过程提供动力，包括酶促反应。ATP 是在称为 F 型 ATP 合酶的酶复合物的帮助下合成的。这种酶复合物具有双向功能，可根据环境和细胞信号合成 ATP 并水解它。ATP 合酶由两个旋转马达组成——F 1和 F 0。F 1亚复合体主要由α、β和γ亚基组成。在ATP水解过程中，F 1 -ATP酶呈旋转运动。因此，F 1-ATPase也被称为世界上最小的旋转生物分子马达。然而，ATP 水解如何使分子旋转的潜在机制仍不清楚。

为了解决这一知识差距，由东京理科大学副教授 Tomoko Masaike 领导的日本研究小组着手研究嗜热细菌Bacillus PS3中 F 1 -ATPase 旋转机制背后的事件。Masaike 博士在阐述他们的研究目标时解释说：“我们想阐明 F 1 -ATPase 在 ATP 水解过程中旋转中心轴的机制。我们专注于阐明底物 ATP 与酶的结合与其高能磷酸键的裂解之间中心轴的旋转角度。” 这项研究是与学习院大学的 Takayuki Nishizaka 教授和 Hamamatsu Photonics KK 的 Yuh Hasimoto 合作进行的，该研究于 2022 年 12 月 21 日和 2023 年 2 月 7 日在线发表在《生物物理学杂志》上。

先前对芽孢杆菌PS3的 F 1亚基的研究已经确定 ATP 裂解涉及化学机械偶联，即每个旋转步进运动都与化学反应步骤相关联。ATP 结合及其在同一催化位点的裂解之间的旋转角度先前估计为 200°。然而，迄今为止还缺乏证实这一点的实验证据。为了解决这个问题，研究人员通过使用一个突变体 β 和两个野生型 β 创建一个杂交 F 1来研究旋转。由于突变体中 ATP 裂解和 ATP 结合的速率都非常慢，研究人员可以很容易地观察到旋转步骤之间的暂停或停留。

在用不同浓度的 ATP 进行单分子旋转测定时，他们可以观察到三组短驻留和长驻留交替关联，每次旋转的间隔为 80° 和 40°。为了调查与停留相关的事件，作者进行了停留时间分析。40° 子步骤之前的长时间停顿与 ATP 浓度无关，并被确认为“催化停留”——由于 ATP 裂解导致轴旋转的停顿。或者，在 80° 步骤之前的短暂停顿显然取决于 ATP 浓度，因此被确定为“ATP 等待停留”(暂停以使 β 亚基能够结合 ATP)。“在研究轴的旋转后，我们可以通过光学显微镜提供可见的证据，证明轴在 ATP 结合和切割事件中的角度Bacillus PS3 分别为 0 °和 200 ° ，” Hasimoto 说。

通过这项研究，作者解决了关于 ATP 裂解轴角的长期争论，并建立了 ATP 酶功能的化学机械相关性。谈及这项新研究的未来影响，Masaike 副教授阐述道：“由于 F 1 -ATPase 是世界上最小的生物旋转运动蛋白，它可以作为了解生物体内能量转导机制的参考。” 这些知识对于开发高效的纳米机器具有革命性意义。此外，来自结核分枝 杆菌的ATP 合酶最近已被确定为药物发现的潜在目标。因此，要使用抑制剂阻止其旋转，了解旋转机制非常重要。”

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