光合生物如何调节和合成ATP

东京理工大学的研究人员揭示了光合生物在不同光照条件下高效生产ATP的氧化还原调节机制。他们研究了负责这一机制的酶，并揭示了酶中存在的氨基酸序列如何调节ATP的产生。他们的发现为光合作用过程和适应不断变化的代谢条件的能力提供了有价值的见解。

　　

   

   

ATP是植物、藻类和蓝藻等光合生物功能所必需的化合物，是由一种称为“叶绿体ATP合成酶”的酶产生的CF_oCF₁)． 为了在不同光照条件下控制ATP的产生，该酶使用一种氧化还原调节机制，该机制根据半胱氨酸(Cys)残基氧化还原状态的变化来修改ATP合成活性，半胱氨酸(Cys)残基在还原(光照)条件下以二硫醇的形式存在，但在氧化(黑暗)条件下形成二硫键。然而，到目前为止，这一机制还没有被完全理解。

现在在一项研究中发表在《PNAS》上，由东京工业大学(Tokyo Tech)的Toru Hisabori教授领导的日本研究团队发现了CF_oCF₁中存在的氨基酸序列的作用揭示了这种酶如何调节光合生物中ATP的产生。

了解氨基酸在CF_oCF₁中的构象研究人员使用单细胞绿藻莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)来生产这种酶。“通过利用莱茵衣藻作为光合作用模式生物的强大遗传，我们对CF_oCF₁进行了全面的生化分析，” Hisabori教授解释道。

以藻类为宿主生物，研究小组引入了编码CF_oCF₁蛋白质，即酶中含有ATP合成催化位点的部分。他们还引入了突变的基因来改变蛋白质的氨基酸序列，特别是针对DDE基序(一簇带负电荷的氨基酸)、氧化还原环和β-发夹结构域。

然后他们纯化了CF_oCF₁，产生了五种不同的变异，包括氨基酸序列没有改变的野生型菌株和四种突变菌株:一种DDE基序被中性氨基酸Asn-Asn-Gln取代，一种没有β-发夹结构域，一种没有氧化还原环，一种同时缺乏氧化还原环和β-发夹结构域。

通过测试这些突变体在还原(模拟光照条件)和氧化(模拟黑暗条件)条件下的ATP合成活性，研究人员发现野生型酶和DDE基元改变的突变酶功能正常(还原时活性高，氧化时活性低)。而没有氧化还原环或β-发夹结构域的酶配合物则不表现出氧化还原反应，表明这两个区域都参与了氧化还原调控机制。

研究人员认为，在黑暗条件下，Cys残基之间的二硫键使氧化还原环刚性，并削弱了氧化还原环与β-发夹之间的相互作用。这导致β发夹停留在蛋白质的空洞内。然而，当二硫键在光照下减少时，氧化还原环恢复其灵活性并将β-发夹拉出腔体，使其能够参与ATP合成活动。

“ATP合成的氧化还原调控是通过CF_oCF₁的两个γ亚基域之间的合作相互作用完成的，”Hisabori教授说。“我们认为这是β-发夹和氧化还原环与催化位点相互作用的结果。”

这些结果是更好地理解光合作用过程的重要一步，有可能在农业和生物能源领域产生重大影响。

Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F0F1 provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes