細胞依賴於稱為ATP合酶(ATP synthase)或ATP酶(ATPase)的蛋白複合物來滿足它們的能量需求。三磷酸腺苷(ATP)分子為維持生命的大部分過程提供能量。在一項研究中，奧地利科學技術研究所的結構生物學者Leonid Sazanov和博士後研究員Long Zhou如今解析出V/A-ATP酶家族代表性成員的首個原子結構，填補了這些必不可少的分子機器的進化樹上的空白。利用最新的低溫電鏡(cryo-EM)方法獲得的這些結果揭示了這種酶的結構類似於渦輪機或水磨機。相關研究結果發表在Science期刊上，論文標題為“Structure and conformational plasticity of the intact Thermus thermophilus V/A-type ATPase”。

        旋轉動力

        ATP合酶/ATP酶是大型膜蛋白複合物，它們具有相同的整體結構和旋轉催化機製。這種蛋白質家族包括在線粒體(細胞的能量工廠)、葉綠體(在植物中進行光合作用的細胞器)和細菌中發現的F型ATP酶，葉綠體(在植物中進行光合作用的細胞器)和細菌;在真核生物(具有細胞核的高等生物)中發現的V型ATP酶;在古細菌(古老的微生物)和一些細菌中發現的A型ATP酶。

        不同類型的ATP酶

        F型ATP酶和A型ATP酶通常起著產生ATP的作用，這種ATP產生由跨膜的質子流動驅動。V型ATP酶通常起著相反的作用，使用ATP泵送質子。V型ATP酶和A型ATP酶在結構上相類似，與F型ATP酶不同，具有兩個或三個外周莖部結構和位於結構域V1和V0之間的額外連接蛋白亞基。V型ATP酶很可能是從A型ATP酶進化而來的，由於這些相似性，A型ATP酶也被稱為V/A-ATP酶。一些細菌，包括嗜熱棲熱菌(Thermus thermophilus)獲得了A型ATP酶。Zhou純化出嗜熱棲熱菌的V/A-ATP酶：ThV1Vo，並利用cryo-EM研究了這種酶。與F型ATP酶相反的是，人們之前僅確定了V型ATP酶的V1和Vo結構域的結構。因此，人們並不清楚V1如何與Vo結合在一起，而且也不了解這個完整的催化循環。

        可塑性和競爭

        Sazanov和Zhou利用cryo-EM解析出完整的ThV1Vo酶的總共5種結構，而不是一種結構。這些結構代表著這種酶的幾種構象狀態，它們的不同之處在於轉子(rotor)在定子(stator)內部的位置。

        ThV1Vo的整體構象可塑性表現為當從一種構象狀態向另一種構象狀態過渡時，V1結構在空間上的劇烈擺動。這是彎曲的中心轉子的旋轉和定子的剛度之間的機械競爭的結果。V1-Vo偶聯在一起是通過軸與連接到c環(c-ring)的V型ATP酶特異性亞基之間的緊密結構匹配和靜電匹配實現的。質子路徑的可視化揭示了帶電荷的蛋白殘基的分布與F-ATP酶中的存在著顯著差異，具有更嚴格的“檢查點”來防止這種酶的“滑落”。

        為何增添額外的複雜性?

        不同於具有單個外周莖部結構的F-ATP酶，諸如ThV1Vo之類的A-ATP酶具有兩個外周莖部結構，而真核生物V-ATP酶則具有三個。但是，在已非常大的蛋白組裝物上增添額外的複雜性以及連接V1和Vo的額外亞基的優勢是什麼?F1/V1結構域具有三重對稱性，因此定子在F1/V1內部每旋轉120°就產生(或消耗)一個ATP分子。

        Sazanov說：“在V/A -ATP酶中，這一步是一次性旋轉120°，與此不同的是，在F-ATP合酶中，它分為幾個子步驟。因此，ThV1Vo可能需要更大的可塑性，以便將V1結構域中的這些120°旋轉步驟與Vo c12環中更小的每個c亞基步驟相關聯在一起。在V-ATP酶中，這種額外的靈活性可能通過這些額外的外周莖部結構和連接亞基加以實現。我們解析出的新結構顯示了這一點是如何實現的，這就為整個V-ATP酶家族提供了框架。”