ATP酶的结构与功能

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第859页（3978字）

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(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。

P－ATPase：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。P－ATPase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70000～100000，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PMF(，F：法拉第常数，，ψ：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P－ATPase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、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，第Ⅱ和第Ⅲ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Ⅰ区Giu₁₂₉。P－ATPase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P－ATPase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P－ATPase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。

F－ATPase：这是一类结构最复杂、研究最深入的质子泵ATPase，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F－ATPase含有数量不等的亚基：细菌8个，叶绿体8～9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360000～380000。F₁组分由α、β、、δ和ε5种亚基组成()，不同来源的F－ATPase复合物中，F₁组分差别很小，α亚基含有合成ATP的活性部位，亚基含有分解ATP的活性部位，β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F－ATPase复合物中，F₀组分的亚基数差别较大，E．Coli的F₀有a．b．c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F_o通常含有5～8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F₁－ATPase，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F－ATPase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。

V－ATPase：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。V－ATPase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。V－ATPase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F－ATPAase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P－ATPase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，受阴离子激活；(3)由多个亚基组成的寡聚蛋白。V－ATPase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A．B．C．D．E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否在所有的V－ATPase中都含有辅助亚基。

V－ATPase不受寡霉素、叠氮化钠的抑制，不能催化ATP的合成。V－ATPase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，ΔμH⁺可直接与耗能过程如溶质跨膜转运偶联。

但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】：

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9 王延枝，冷楠．武汉大学学报(自然科学版)，1991，1∶72～76

(武汉大学王延枝教授撰；马晓军审)