现代科技综述知识文库：ATP酶的结构与功能

1、现代科技综述系列ATP酶的结构与功能科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“ATP酶的结构与功能”的解读，以供大家了解。ATP酶的结构与功能ATP是生物体内各种生命活动的直接能源和间接的能源，一个成年人在静息状态时，每天消耗约70kgATP，在进行重体力劳动时，每天消耗约800kg以上。但是，ATP不能透过细胞质膜，在细胞内通过ATPase催化ATP分解与合成的偶联、循环，使ATP保持恒量。生物体需要的能量愈多，循环的速度就愈快，ATPase活性直接影响循环的速度。多年研究资料证明，ATPase的种类很多，而且所有的ATPase都是与生物膜

2、(细胞质膜和细胞器膜)相结合，与离子的跨膜转运有关。现在知道的至少有三类离子转运ATPase。PATPase：这类ATPase的特点是酶在反应过程中形成共价磷酸化的中间物，由于钒酸盐可以代替磷酸与酶共价结合，所以钒酸盐是这类酶的专一性抑制剂。PATPase分布在真核细胞的质膜、少数细胞器膜和大肠杆菌、链球菌的内膜。大多数PATPase只有一条具有催化活性约70000100000，另一条催化活性为55000。真核生物(酵母、真菌如脉胞杆菌和动植物)的质膜ATPase催化ATP水解的同时，泵质子(H+)到细胞外形成质子电化学梯度()，产生质子驱动力(Proton Motive Force)，简称P

3、MF(，F：法拉第常数，：膜电位)，为糖、氨基酸和阴离子、阳离子的主动跨膜转运提供动力，称为质子泵ATPase(H+APTase)。阳离子激活该类酶活性。对多种PATPase考察证明，在具有催化活性的多肽中，有8个疏水段横跨质膜磷脂双分子层，各段之间有亲水肽段连接，多肽的N、C末端和大部分的亲水肽段位于质膜的内侧，每两个疏水肽段组成一个区，分别称为I、区，第和第区相距较远，两者之间的亲水肽段最长，含有可发生磷酸化的部位和几种抑制剂如NEM(N乙基顺丁烯二酰亚胺，专一性修饰疏基的试剂)等的结合位点，过量的ATP可保护这些位点不与抑制剂结合。质子通道的抑制剂DCCD(二环已基碳二亚胺)结合位点是第

4、区Giu129。PATPase在反应过程中，经过E1和E2两种构象变化，发生磷酸化作用水解ATP，为此，常把PATPase称为E1E2类型ATPase。一级结构、基因克隆和序列测定工作进一步证明，各种PATPase有着类似的结构和作用机制，它们之间的差异在于转运不同的离子，Na+K+ATPase使Na+、K+逆向跨膜交换，其它的酶则分别转运Ca2+、H+和K+，这是因为在这些酶分子中，与离子结合或形成离子通道部位的氨基酸种类不同，因而它们对于抑制剂的敏感性也不同，抑制Na+K+ATPase的鸟本苷不抑制H+，Ca2+ATPase。FATPase：这是一类结构最复杂、研究最深入的质子泵ATPas

5、e，存在于细菌内膜、叶绿体的类囊体和线粒体内膜的内侧，分子量450kda以上，由水溶性的F1、脂溶性F0和连接F1与F0的柄状寡霉素敏感蛋白(OSCP：Oligomycin SensitivityConferring Protein)3部分组成。不同来源的FATPase含有数量不等的亚基：细菌8个，叶绿体89个，酵母和鼠肝10个，牛心13个。早在1960年，美国康奈尔大学的RakerE，教授及其同事用机械搅拌的方法使牛心线粒体ATPase的可溶性部分脱落下来，进行纯化和重组研究，定名为F1。电镜观察到F1组分为直径9nm的椭圆形球体，分子量360000380000。F1组分由、和5种亚基组成(

6、)，不同来源的FATPase复合物中，F1组分差别很小，亚基含有合成ATP的活性部位，亚基含有分解ATP的活性部位，亚基含有ATP的结合位点，此外还有一条称之为ATPase抑制因子的多肽，与F1可逆性的结合。F0组分是与膜结合的脂蛋白，不同来源的FATPase复合物中，F0组分的亚基数差别较大，EColi的F0有abc三种亚基，c为DCCD结合亚基，每个F0中至少有10个c亚基，和a、b亚基结合形成质子通道。真核生物的Fo通常含有58个亚基。全酶具有催化ATP合成与分解双重活性，受寡霉素、叠氮化钠和DCCD的抑制。当ATPase抑制因子与F1结合时，该酶催化ATP合成，反之，催化ATP水解。除

7、机械搅拌外，用EDTA、氯仿处理，也可使F1组分脱落下来，可溶性F1保留催化ATP水解的活性，被称为溶性F1ATPase，对寡霉素和DCCD不敏感，低温下迅速失活(Coldlabile)，其它性质与全酶相似。各种FATPase的差异在对抑制剂的敏感性不同。细菌的H+ATPase对寡霉素不敏感，连接F1和F0的不是OSCP，而是被称之为连接素或结合素(nectin)的蛋白质。叶绿体H+ATPase对寡霉素的敏感性不如线粒体H+对ATPase强，有些甚至完全不敏感。VATPase：这类ATPase因存在于真核细胞内的空泡型(Vacuolar)细胞器上而得名，如酵母、真菌的空泡，植物的液泡，动物的溶

8、酶体、笼蛋白衣被小泡(Clathrin Coated Vesicles)、嗜铬颗粒(贮存肾上腺素等激素)、突触小泡(贮存乙酰胆碱)和分泌小泡等。VATPase是3类离子转运ATPase中数量最多的一类，它们虽有许多共性，但在它们之间也存在着某些细微而重要的差别，似乎有进一步划分成亚类的必要。VATPase的研究从20世纪70年代后期开始，进展很快。基因克隆和序列分析的结果证明，在进化上，V和FATPAase有比较近的亲缘关系，其结构、生化性质和作用机制类似，它们与PATPase有几点主要的差异：(1)在反应过程中不形成共价磷酸化中间物，不受钒酸盐的抑制；(2)都是质子泵ATPase，受阴离子激

9、活；(3)由多个亚基组成的寡聚蛋白。VATPase由水溶性的和脂溶性的两部分组成，分子量约400000。水溶性部分由5个亚基组成突向细胞质中，含有催化ATP分解的活性部位。嗜铬颗粒H+ATPase的可溶性组分中，5个亚基ABCDE的分子量分别为73000，58000，40000，34000和33000。脂溶性组分的20000和16000的两个亚基中，含有DCCD的结合位点，此外，还有115000和39000两个辅助亚基，前者可与DCCD结合，推测至少这个大的辅助亚基参与质子通道的形成，在笼蛋白衣被小泡的H+ATPase中也发现辅助亚基，但由于在酶纯化过程中辅助亚基极易脱落，所以目前尚不能确定是

10、否在所有的VATPase中都含有辅助亚基。VATPase不受寡霉素、叠氮化钠的抑制，不能催化ATP的合成。VATPase泵质子进入空泡内，酸化泡浆，为泡内的水解酶提供最适条件，直接或间接影响细胞内的物质分解代谢在在受体介导的内吞过程中促进受体配体的离解，对受体的再利用起重要作用。跨膜质子电化学梯度直接影响泡内物质的吸收与贮存。英国Metchell，P在1961年提出化学渗透假说，解释氧化磷酸化和光合磷酸化的机制，他认为电子传递过程中，由质子泵作用形成的质子电化学梯度()，中，所含的渗透能通过ATPase合成ATP。已有许多的事实支持这一假说，并且证明，H+可直接与耗能过程如溶质跨膜转运偶联。但

11、对泵质子的机理还有待进一步研究。ATPase是生物体内的重要酶之一，研究非常广泛而深入，目前主要对其作机理特别是转运离子的分子机理进行研究。另外，正在研究的古细菌H+ATPase究竟属于哪一类，是否需要另列新类，还有待进一步研究。【参考文献】： 1 Pullman M E.Penefcky H S.Racker E J. Bio! Chem.1960, 232:3322-3329 2 Mitchell P. Nature.1961, 191:144 - 148 3 JosephsonL, Cantley L C. Biochem, 1977.166:4572-2082 4 Ohkumiy, Anraku Y. Biol Chem, 1981,256: 2079-2082 5 Wang Yanzhi.Sze H. J Biol Chem,1985,260:10434 - L0443 6 Hager K M, Mandala S M, Davenport J W, et al. Proc Nail Aead Sci. USA.1986,83:7693