F? -ATPase 催化停顿振荡机制揭秘，完善细胞能量 “小马达” 运转密码

为解决 F? -ATPase 催化机制的疑问，研究人员开展 F? -ATPase 催化停顿振荡研究。结果发现催化停顿分三个阶段振荡，这完善了其旋转机制。推荐科研读者阅读，助您深入了解细胞能量产生的微观机制。

　　

在微观的细胞世界里，有一个神奇的 “小马达”，它就是 F? -ATPase（F? -ATP 酶），别看它个头小，却承担着至关重要的任务。在真核细胞和原核细胞中，大部分的 ATP（三磷酸腺苷，细胞的能量 “货币”）都是由 F?F?合成的，而 F? -ATPase 就是 F?F?这个大机器中的关键 “小零件” 。

F? -ATPase 工作的时候，就像一个旋转的小陀螺。它会驱动亚基 γ 相对于其 (αβ)?环逆时针旋转。在这个过程中，亚基 γ 每旋转 120°，就能合成一个 ATP，为细胞提供能量。然而，科学家们发现，这个旋转过程并不简单。在亚基 γ 旋转的过程中，会有一些 “停歇” 的时刻，也就是所谓的催化停顿（catalytic dwell） 。在催化停顿期间，亚基 γ 到底在做什么呢？这成了科学家们想要解开的谜团。

之前的研究虽然提出了 F? -ATPase 的一些旋转机制，比如经典的旋转机制认为，在 1mM Mg -ATP 的条件下，亚基 γ 会以连续的 120° 动力冲程旋转，中间由大约 0.15ms 和 1ms 的催化停顿隔开。但是，这些理论并不能完全解释所有的实验现象。例如，一些 F?的结构与经典机制并不相符，而且在催化停顿期间，亚基 γ 是否真的完全停止旋转也存在疑问。为了解开这些谜团，深入了解 F? -ATPase 的旋转机制，研究人员展开了一系列研究。

美国的研究人员在《Communications Biology》期刊上发表了一篇名为 “Catalytic dwell oscillations of F? -ATPase revealed by high - resolution single - molecule studies” 的论文。他们通过研究发现，F? -ATPase 的催化停顿其实是通过一种棘轮机制（ratchet mechanism）进行的，在这个过程中，亚基 γ 并不是完全静止的，而是会进行顺时针 - 逆时针的振荡。而且，他们还发现了催化停顿振荡的三个连续阶段，这些阶段与之前一些无法用经典机制解释的 F?结构相契合。这一发现对于完善 F? -ATPase 的旋转机制具有重要意义，让我们对细胞能量产生的微观过程有了更深入的理解。

为了开展这项研究，研究人员主要用到了以下几个关键技术方法：

1. 单分子旋转测量技术：利用金纳米棒（AuNR）作为可见探针，通过暗场显微镜观察附着在亚基 γ 足部结构域的 AuNR 散射的光，从而监测单个 F? -ATPase 分子的旋转。
2. 数据分析方法：运用在 MATLAB 中编写的算法，对催化停顿期间的振荡进行分析，通过计算两组分或三组分加权高斯混合模型，来确定振荡的参数，如振幅、平衡位置和频率等。
3. 结构分析技术：确定不同 F?结构中亚基 γ 的旋转位置，通过将其他结构与参考结构进行比对，来研究不同结构下亚基 γ 的旋转情况。

下面我们来看看具体的研究结果：

1. 时间进程中的旋转位置：研究人员通过监测单个 EcF?分子的旋转，分析了催化停顿期间的旋转位置变化。他们发现，在催化停顿期间，亚基 γ 的旋转位置呈现出复杂的变化。在不同的时间间隔内，旋转位置主要集中在 -12°、0°、14° 和 33° 这几个角度附近。在催化停顿刚开始的 0.125ms 内（这里把它标记为 0ms），有部分数据还未完成动力冲程 1，处于 -12° 的位置，而另一部分则进入了催化停顿 2（0° 位置） 。之后，处于 0° 位置（也就是 Stage - 1 阶段）的比例会随着时间以一级动力学衰减，时间常数为 0.182。在 0.125ms 到 0.75ms 这个时间段（Stage - 2 阶段），振荡主要集中在 14° 和 33° 这两个位置，且比例为 80% : 20% 。而在催化停顿即将结束的 0.875ms（Stage - 3 阶段） ，14° 和 33° 位置的比例会显著下降，亚基 γ 会顺时针旋转回到 0°，这个回到 0° 的过程就像是一个 “校准步骤”，它保证了连续动力冲程的起始位置与亚基 γ 的旋转位置保持一致。
2. 时间进程中的振荡频率：研究人员还对振荡频率进行了分析，发现整个催化停顿过程中，振荡频率主要集中在 16.5ms?1 和 26.5ms?1 这两个数值。在 Stage - 1 阶段，快速（26.5ms?1）和慢速（16.5ms?1）振荡频率的出现概率会发生变化。到了 Stage - 2 阶段，93 ± 4% 的振荡频率为 16.5ms?1 。而在 Stage - 3 阶段，16.5ms?1 振荡的比例会下降，26.5ms?1 振荡的比例会上升。而且，16.5ms?1 振荡的丰度与 14° 角位置相关，26.5ms?1 振荡的丰度在前期与 33° 角位置相关，后期与 0° 角位置相关。
3. 时间进程中的振荡幅度：振荡幅度也是研究的一个重要方面。研究发现，在催化停顿的每个时间间隔内，振荡幅度主要有两个数值，一个是 11°，另一个是 22°。在 0ms 时，22°（最初是 16°）和 11° 振幅的分布比例分别为 33 ± 5% 和 67 ± 2% 。之后，11° 振幅的分布比例逐渐下降，22° 振幅的分布比例逐渐上升，到后来两者出现的概率基本相等。

在研究结论和讨论部分，研究人员总结了他们的重要发现。首先，他们首次直接证明了 F? -ATPase 催化停顿通过棘轮机制运行，这为解释细胞能量产生过程中的微观机制提供了新的视角。之前人们认为 ATP 结合只能让亚基 γ 逆时针旋转约 85°，而在催化停顿期间亚基 γ 的振荡现象，揭示了 ATP 结合能量在催化停顿期间的存储和利用方式，解决了长期以来关于这部分能量去向的疑问。

其次，研究人员将催化停顿振荡的过程与 F?的结构进行了关联。他们发现 Stage - 1 振荡与 ATP 水解的一级动力学过程相似，振荡范围与含有过渡态抑制剂的 F?结构中亚基 γ 的位置相符，这表明 Stage - 1 振荡可能是为了促进 ATP 水解，提供更多机会克服 ATP 水解的活化能障碍。Stage - 2 振荡可能有两个重要作用，一是如果 β?:ATP 在 Stage - 1 期间发生水解，Stage - 2 振荡可以使其重新合成；二是帮助 β?:Pi 解离，结束催化停顿。而 Stage - 3 振荡则是由于 Pi 从 β?解离，使亚基 γ 回到 0°，这一过程至关重要，它保证了亚基 γ 的旋转位置与周围 (αβ)?环在数百次连续旋转过程中保持同步，使得 F? -ATPase 能够持续稳定地工作。

此外，研究还发现，F? -ATPase 在振荡过程中所需的能量，克服金纳米棒阻力的能量可能比布朗运动提供的能量大得多，它可能利用了亚基 γ 卷曲螺旋的非平衡扭转储存的弹性能量来逆时针旋转，而顺时针旋转的能量则可能来自于催化位点结合的 ATP、ADP 和 Pi 的组合。

总的来说，这项研究深入揭示了 F? -ATPase 催化停顿振荡的机制，将之前看似矛盾的结构和实验现象统一起来，完善了 F? -ATPase 的旋转机制。这不仅让我们对细胞能量产生的微观过程有了更清晰的认识，也为后续进一步研究其他类似分子马达的工作机制提供了重要的参考，在生命科学领域具有重要的意义，为未来相关领域的研究开辟了新的方向。