生物光合作用中ATP合酶的催化作用機制2

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1、生物光合作用中ATP合酶的催化作用機制光合作用（photosynthesis)是地球上進行的最大的有機合成反應。它是指含光合色素（主要是葉綠素）的植物細胞和細菌，在日光下利用無機物質(CO2,H2O,H2S)合成有機化合物（C6H12O6），并釋放出氧氣(O2)或其他物質（如S等）的過程[1]。其一般化的表示形式為：（括號后加6）光合作用的場所是葉綠體，其過程分為兩個階段：第一階段是光反應，第二階段是暗反應。光反應在葉綠體的類囊體膜上進行，利用日光使H2O裂解，并生成高能磷酸化合物（ATP）和還原力（NADPH）。暗反應在基質

2、中進行，利用光反應形成的ATP將CO2還原為糖。(缺少圖1說明)高等植物和藻類具有兩個光系統(tǒng)：PS-Ⅰ和PS-Ⅱ。PS-Ⅰ以NADPH的形式提供還原力；PS-Ⅱ光解水生成氧氣，并把釋放的電子送入連接PS-1和PS-2的電子傳遞鏈。在電子傳遞過程中引起質子跨膜泵送和ATP合成。圖1.葉綠體類囊體膜中質子和電子流的線路（光合磷酸化機制）。暗反應主要是CO2和H2O到糖的合成。以C3為例說明（圖2），反應中CO2的受體是核酮糖-1，5-二磷酸，簡稱RuBP，此五碳糖與CO2結合，在核酮糖-1，5-二磷酸羧化/氧化酶的作用下，被裂解成

3、2分子3-磷酸甘油酸（PGA）。PGA被ATP磷酸化、被NADPH還原，脫去1分子磷酸，產(chǎn)生3-磷二酸甘油醛（G3P）。在磷酸甘油酸激酶和ATP的作用下，生成1，3-二磷酸甘油酸，1，3-磷二酸甘油酸在NADP+-甘油醛-3-磷酸脫氫酶的作用下生成3-磷二酸甘油醛，經(jīng)過一系列反應，G3P被重排成新的RuBP或者合成葡萄糖和其他其它糖類。暗反應過程有三步需要ATP提供能量，這些ATP由光反應階段ATP合酶催化作用下合成提供。ATP合酶廣泛存在于葉綠體、線粒體和細菌中。ATP合酶既能依靠質子動力勢合成ATP，也能水解ATP形成機體

4、需要的質子梯度，研究ATP合酶的催化作用機理，嘗試定向控制作用過程，對提高光合作用效率，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量等具有很大指導意義。圖2：暗反應-C3循環(huán)示意圖圖2：暗反應-C3循環(huán)示意圖有關ATP合成的驅動力，1961年Mitchell提出化學滲透假說[2]，主要內容是線粒體內膜上呼吸鏈組分間氫與電子的交替?zhèn)鬟f，使質子（H+）從內膜內側向外側定向轉移，由于膜對H+的不通透性，從而形成跨膜的質子梯度，或稱為質子動力勢，質子梯度作用于ATP合酶催化形成ATP。這個假說得到大量實驗的驗證和支持，從而獲得1978年的諾貝爾化學獎。從分子層

5、面上對ATP合酶催化機理進行探索，首先需要搞清楚ATP合酶的結構。ATP合酶主要由F1（深在膜外的水溶性部分）和F0（嵌入膜內）組成（圖3）。F1由abgde五種多肽鏈構成，即a3b3gde，三對a和b亞基以交替方式排列，構成ATP合酶的催化部位。g,d,e亞基位于中央F0和F1的界面上，形成兩個狹長的柄。由d亞基和F0的b亞基形成的柄將（ab)3與F0的a亞基連接在一起，g和e亞基相對地固定在一起，在酶的轉換時一起旋轉。F0由a,b,c三種亞基構成。最大的a亞基高度疏水，位于膜內。b亞基有一個疏水的N-端，定位于膜上，而其親

6、水部分插入F1中，c亞基有兩個疏水部分，可以跨越整個膜，所有亞基形成一個環(huán)狀結構，每個亞基含有一個離子鍵和位點，可以鍵合一個質子。圖3ATP合酶的結構模型關于ATP合酶的催化作用機理，1964，Boyer首先提出三點順序結合變化機制[3]:除此之外，為了滿足“結合變化機理”所提出的三個b亞基不斷交替呈現(xiàn)不同構象的要求，Boyer又提出旋轉催化的設想，他認為跨膜質子梯度驅動ATP合酶的F0的c亞基轉動，繼而帶動F1的g亞基而使3個b亞基構象發(fā)生交替變化來合成ATP。Boyer的假說雖然在當時就已經(jīng)受到了很多間接實驗證據(jù)的支持，但

7、它的真正得到承認，是在1994年Walker小組發(fā)表了F1的晶體結構之后[4]。1994，Walker通過對F1-ATP酶的晶體結構分析（圖4），清晰顯示F1-ATP酶在ATP水解過程中3個b亞基的構象明顯不同：一個是結合ATP即將鍵裂的tight狀態(tài)，一個是ADP即將釋放的Loose狀態(tài)，一個是無底物結合放入Open狀態(tài)。他們的結果有力支持了Boyer的假說，因此共享了1997年諾貝爾化學獎。圖4F1-ATP酶水解過程的晶體結構分析但是對Boyer的旋轉催化機理最有力的支持還是日本的Yoshid小組[5]，他們設計實驗直接觀

8、察到了g亞基的順時針轉動（圖5）。圖4F1-ATP酶水解過程的晶體結構分析1994，Walker通過對F1-ATP酶的晶體結構分析（圖4），清晰顯示F1-ATP酶在ATP水解過程中3個b亞基的構象明顯不同：一個是結合ATP即將鍵裂的tight狀態(tài)，一個是ADP即將釋放的Loo