(2.19.5)--1997年-ATP合成酶的结合变化机制和旋转催化──1997年诺.pdf

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1、综述与专论ATP合成酶的结合变化机制和旋转催化1997年诺贝尔化学奖的部分工作介绍摘要 保罗 1 博耶(P.D.Boyer)教授为阐明ATP酶作用机制所提出的结合变化机制有两个基本要点:一是ATP合成所需要的能量原则上是用于促进酶上紧密结合的ATP的释放和无机磷、ADP的结合;二是在净ATP形成过程中,酶上的各催化部位是高度协同地顺序起作用的.亚基在F12ATP酶中的旋转运动使三个催化部位构象不对称是实现结合变化的基础.高分辨率牛心线粒体F12ATP酶的晶体结构发表以后,出现了一些支持旋转催化机制的直接实验证据.关键词 ATP合成酶,结合变化机制,旋转催化学科分类号 Q5591997年10月1

2、6日,瑞典皇家科学院宣布本年度的诺贝尔化学奖授予美国科学院院士、加州大学的保罗 1 博耶教授(P.D.Boyer),英国学者约翰 1 沃克(J.E.Walker)和丹麦学者延斯 1 斯克(J.C.Skou)以表彰他们在酶学研究方面的杰出贡献.可以看出今年的诺贝尔奖选择了与生命活动所需能量的产生和消耗密切相关的工作.延斯 斯克享有奖金的一半,因为他在1957年发现了现在称为Na+,K+2ATP酶的重要的离子通道蛋白,该酶的功能是利用ATP储存的能量将Na+离子泵出、K+离子泵入细胞,通过该酶的工作大约消耗体内合成的ATP总量的1/3,以保证Na+,K+离子在膜内外的穿梭,离子在膜内外的这种穿梭运

3、动是启动神经信号传导和其他生命过程的基本步骤.至今已发现了百余种需要ATP能量的转移酶,但这类消耗ATP的酶的作用机制尚待阐明.博耶和沃克分享奖金的另一半,是表彰他们在阐明生命活动中这个最重要的能量分子 腺苷三磷酸(ATP)的形成机制方面的杰出贡献.博耶和沃克的获奖,表明ATP酶的结合变化和旋转催化机制的确立.但是ATP合成酶的结构与功能方面仍有许多问题需要解决,他们的获奖必将掀起对ATP合成酶研究的新高潮.腺苷三磷酸合成酶简称ATP合成酶(F1Fo2ATPase)是在线粒体、叶绿体和细菌中能量转化的核心酶.它利用呼吸链电子传递产生的质子跨膜转运能以驱动从ADP和无机磷合成ATP.ATP是细胞

4、进行各种生命活动的直接能源.每天我们的细胞合成几公斤的ATP作为细胞的能量燃料驱动从触发神经细胞到肌肉收缩的一系列过程.人们还常常将ATP比喻为生物体内的能量货币,以形象地说明ATP在生命活动中的重要性.如果将ATP喻为生物体内的能量货币,ATP合成酶应比喻为制作货币的“印钞机”.因为ATP的合成最终是在这里完成的.在Mitchell的化学渗透学说中,阐明了电子传递链中电子传递和ADP磷酸化的偶联是通过在膜内外造成了电化学质子梯度进行的并因此而获得1978年诺贝尔化学奖1.但是,ATP合成酶是如何利 收稿日期:1997212202,修回日期:199721222891998;25(1)生物化学与

5、生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.用跨膜的质子梯度使ADP和无机磷间建立共价键而形成ATP的,仍然是长期困扰人们的疑难问题.ATP合成酶是由多亚基装配形成的,包括膜外可溶性的球形结构域F1和膜内结构域Fo通过约415 nm细长的颈互相连接.F1是直径大约910 nm的球体,由33 五种肽链九个亚基组成,其催化部位在亚基上.如此复杂的亚基装配,它们在完成从ADP转化为ATP将能量储存起来的过程中到底起了什么作用,这些亚基是如何协同作用来完

6、成维持生命的这一最基本而伟大事件的?一直是最具吸引力的研究课题之一,无数科学家为此作出了贡献.今天,这个谜已逐渐解开.Noji教授等的出色的工作,将在F12ATP酶水解ATP过程中,亚基的旋转运动展现在我们面前,使我们亲眼目睹这一可能是世界上最小的分子马达的转动2.为博耶教授提出的ATP酶的结合变化和旋转催化机制(binding change mech2anism and rotational catalysis)提供了绝妙的实验证据.本文仅对博耶教授在阐明ATP合成酶作用机制方面的杰出贡献和近年来支持博耶提出的旋转催化机制的最新实验证据作一扼要的介绍.在20几年前,博耶教授基于他实验室的实验

7、结果曾预言,质子的跨膜转运启动并驱动ATP合成酶的构象变化,通过该酶的复杂结构将这种构象变化传导到ATP酶的催化部位,导致催化部位对反应物(ADP和Pi)亲和性的改变以促进ATP的生成和释放,这就是最早的关于ATP酶的“能量偶联的构象变化”的思想并发展成为结合变化机制(bindingchange mechanism,BCM).BCM有两个基本要点:一是ATP合成所需要的能量原则上是用于促进酶上紧密结合的ATP的释放和无机磷、ADP的结合;二是在净ATP形成过程中,酶上的各催化部位是高度协同地顺序起作用的.博耶教授在1993年的综述中列表清楚地表明了支持这两个基本要点的实验证据3.ATP酶的催化

8、具有协同性的第一个实验证据是1976年Adolfsen等4通 过 分 离 的F12ATPase作的实验,证明ATP的加入和水解促进酶上紧密结合ADP的释放;ATP合成过程中具有协同性是Kayalar等51977年的实验.阐述BCM的第一篇文章是1979年发表在纪念Efram Racker的论文集中6,早期支持此观点的主要工作可参见Cross的综述7.1ATP酶的构象变化和催化按照ATP酶的结合变化机制,在任一时刻,ATP酶上的三个催化部位的构象总是不同的.每个催化亚基与核苷酸的结合要顺序经过“open”(空的状态,无核苷酸的结合),“loose”(松散结合状态)和“tight”(紧密结合状态)

9、三种构象状态的循环.早期的一些实验观察到在ATP合成酶催化过程中确实伴随F1部分的构象发生明显变化,一些实验结果也初步证明了催化部位是顺序参加催化的.如:在非催化状态,DCCD和22azido2ATP可标记在CF12ATPase不同的亚基上,DCCD的标记明显降低酶的活性但并不终止催化反应.如果以22azido2ATP为底物令DCCD标记的CF12ATPase缓慢催化,并在催化过程中光照,使获得azido2核苷酸共价结合的亚基,最后分析反应混合物,结果得到了DCCD和22azido2核苷酸双标记的亚基,说明在催化过程中亚基的构象发生了改变,使预先标记了DCCD的亚基也能结合22azido2AT

10、P8.另外,利用荧光能量转移的方法测定在CF1上催化部位的配体与亚基的荧光黄(Luciferyellow)结合部位之间的能量转移9,其结果表明在催化过程中,紧密的催化部位与亚基上荧光黄结合部位之间距离发生了变化.Capaldi实验室为催化诱导的亚基间位置发生变化提供了重要的依据10,他们通过低温电子显微镜观察与抗和的单克隆抗体反应后的E.Coli酶的结构,可以直接观察到亚基相对于亚基位置的移动和代表亚基的中心电子密度变化.在非催化状态,电子密度是靠近三个不同的亚基的,但在Mg2+离子存在下01生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1998;25(1)1995-200

11、6 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.水解ATP后,有2/3图象显示其靠近亚基的中心电子密度被亚基所覆盖,说明在催化过程中,酶分子的中心结构与包含亚基的结构域间发生了相对运动.2BCM机制的发展和完善二十多年来,博耶教授的结合变化机制逐步的发展、完善.早期的实验结果表明此酶可能有两个催化部位,所以在1977年发表了ATP酶上两个催化部位交替参加反应的机制如图1a所示11.在这个模型中,F1上有两个对称的催化部位,第一部位紧密结合着1个已经合成的ATP,当第二部位结合上ADP和Pi时,引起F1构象发生变化,导致第

12、一部位与ATP的亲和力下降,ATP被释放.同时底物ADP和Pi在第二部位变成紧密结合,转化成图1ATP酶的结合变化机制的发展(a)早期的ATP酶上两个催化部位参与的结合变化机制;(b)三个催化部位交替作用的结合变化机制.O:代表没有结合核苷酸的空部位;T:紧密结合部位;L:松散结合部位;(c)三个催化部位交替作用的结合变化机制,强调亚基构象变化的循环及亚基与亚基、单个小亚基之间的作用;(d)催化ATP合成过程中,ATP酶上一个亚基经过的三种构象状态与质子跨膜转运之间的关系.-:表示质子跨膜转运.111998;25(1)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1995-

13、2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.ATP并变成紧密结合状态.两个催化部位如此交替反复进行.在这个模型中强调ADP和Pi合成ATP的反应不需要能量,而F1的构象变化是需要能量的.随实验的不断深入证明三个亚基交替反应更加合理,1981年Cross报告了如图1b所示的三个催化部位顺序参加的BCM机制12,这个机制已经载入了生物化学教科书.在这个机制中仅表明了亚基的变化.考虑到亚基之间的相互作用还涉及亚基和那些单个小亚基 ,如果考虑亚基与其他亚基之间的相互作用,发展成为如图1c所示的模型13.但其核心仍是在一

14、个催化循环中,每一个亚基要顺序经过三种构象状态.即紧密结合态(T态)、松散结合态(L态)和敞开的状态(无底物或产物结合的O态).图1d是最新的机制14,在其中突出表现了亚基构象的交替与底物结合和质子转运之间的关系.在图1d中给出了一个亚基的完整的循环.与前三个机制的重要不同是证明了结合变化的同时伴随促进ATP生成的紧密构象的形成.图1d中表示了在催化过程中一个亚基顺序变化的情况.在ATP合成过程中,三个步骤的每一步都包括由质子转运能而驱动的结合变化.在第一步,结合变化导致松散结合的ADP和Pi转化成紧密结合的ATP;在第二步,形成的ATP变成比较松散结合的,随后是ATP的释放并且通过再一次的结

15、合变化使其变成有利于ADP和Pi结合的状态.整个“binding change”是连续的,使得在某一时刻,酶上的三个催化部位都是处于不同的构象状态,并且仅有一个紧密结合部位发生共价的转化,每一次相应的结合变化释放一个ATP,每一个催化部位经过三次结合变化最后合成一个ATP分子.认识过程由图1a图1d的变化,表明随着实验证据的不断增加,对结合变化机制认识的不断加深的过程.图1d比较满意地表示了结合变化与质子转运之间的关系.3 旋转催化(Rotational catalysis)对于这样复杂的酶,其,亚基可能是交替排布的,按照结合变化机制,这三个催化部位又是顺序参与催化的.因此,催化事件应该是循环

16、进行的,设计成旋转催化是比较合理的.如果催化事件是旋转进行的,其最重要的问题是当催化进行时,催化亚基与单个小亚基间的关系.为解释这个酶的复杂催化过程,博耶 教 授 提 出 了 旋 转 催 化 学 说(rotationalcatalysis,RC)推测在催化过程中,其内部的小亚基相对于外部的大亚基有个转动运动,催化位点构象的变化由此转动运动所控制,使得在催化进行时,亚基不断改变它与小亚基之间的相互作用,导致催化部位性质的变化.最早博耶教授提出RC机制,是从18O交换实验得出的在ATP酶上各催化部位均等同地参与催化的结果派生出来的.由于缺乏其他相关的实验证据,仅在文章中轻描淡写的提了一下15,16

17、.他认为这些催化部位表现出等同的催化性质,就要求含有催化部位的亚基能够直接或者间接地与亚基、其他的亚基或单个小亚基 ,甚至与Fo部分的亚基间有等同作用的机会,而只有相对旋转运动才可能保证催化亚基具有这种特殊的等同性质.尽管当时对ATP酶催化过程中各亚基是如何转动的尚没有明确的模式,但是他确信只有亚基与酶的其他部分相对转动才可能完成如此复杂的催化.他把ATP合成酶想象成一个美丽的小分子机械(Its a beautiful little molecular machine)表现出一个杰出科学家的渊博的知识和丰富的想象力.随后,Cox等通过对于E.coli酶的Fo中c亚基的序列预测和突变研究,阐述了

18、Fo部分是如何参与转动催化的17.提出了在Fo中,c亚基是绕b亚基双体的跨膜部分而排布成圆筒状.b亚基的亲水部分卷曲成螺旋状态延伸进入F1部分并与小亚基接触.a亚基的五个跨膜螺旋可能和两个b亚基形成内核使质子由此穿过以驱动转动催化.Mitchell18也提出了与质子转运相关的转动模型.他提出当亚基绕中心亚基转动时,和亚基形成 对并连接成圆筒状,因此,虽然亚基与亚基并不直接接触,绕转动的同时也间接21生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1998;25(1)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rig

19、hts reserved.绕亚基转动.这个工作使转动催化的模式更加清晰了.尽管还有一些研究从不同方面支持转动催化,但旋转催化机制的真正阐明并被接受还是在获得该酶的晶体结构并设计了一些非常具有说服力的实验之后.4 牛心线粒体F12ATP酶的晶体结构1994年Walker的 研 究 组19发 表 了0128 nm分辨率的牛心线粒体F12ATP酶的晶体结构.这是目前在原子分辨率解出的最大的具有不对称结构的蛋白质.为证实博耶提出的ATP酶催化的结合变化和旋转催化机制起了关键的作用.他也因此与博耶分享了今年的诺贝尔化学奖.这是结构生物学发展的硕果、是在生命科学中结构指导功能研究的典型范例.根据沃克等报道

20、的0128 nm分辨率的牛心线粒体F12ATP酶的结构,人们可以清楚的看到F12ATP酶是象橘子一 样 的 扁 圆 球 体,高8 nm、宽10 nm,和亚基象橘子瓣一样的绕由亚基的C末端(209272)形成的9 nm长的中心螺旋交替排布.螺旋C末端残基在顶部的表面插入约115 nm的凹槽,此螺旋的底部与145形成的第二个螺旋形成左手反平行的螺旋结构,此螺旋结构相对颈的底部突出大约3 nm是ATP合成酶的415 nm主茎的一部分.从电子密度图看,和亚基也可能是在颈部,但尚未能很好的确定位置.精细的晶体结构让我们清楚地观察到此酶的三个催化亚基 由于结合不同核苷酸底物构象明显不同,有力地支持博耶提出

21、的结合变化机制,证明在催化循环的任一时刻三个催化亚基处于不同的构象,不同构象之间的转化可能与亚基绕33的转动运动相关,为人们揭开迷雾起了关键的作用.5 旋转催化机制实验证据的重大突破F12ATP酶的高分辨率的晶体结构问世不久,Cross实验组根据牛心线粒体F12ATP酶的晶体结构设计了一个很有说服力的实验,验证大肠杆菌F12ATP酶上三个亚基相对于亚基的转动运动20.从晶体结构可以看出,亚基 上 的 半 胱 氨 酸 C87与 亚 基 的380DELSEED386序列十分靠近.他们用基因工程的方法在亚基上靠近亚基的地方引入了一个半胱氨酸残基(D380C突变),使得单个亚基与 亚基间能够形成专一性

22、的亚基间的图2Dancan等为证明旋转催化设计的实验的过程示意图1:制备D380C2F1;2:形成 2 间二硫键,获得D380C/87S2F1;3:亚基解离;4:与放射性标记的亚基混合重组;5:还原 2 间二硫键;6:加入MgATP使酶催化;7:再氧化使形成 2 间二硫键;8:解离、分析 2 中的放射性.二硫键交联.就象转动轴被焊接在引擎体上一样,此交联完全终止了F12ATP酶的催化能力,若将此二硫键还原,可以完全恢复酶的催化活性.利用这个系统,Cross等给出了ATP311998;25(1)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1995-2006 Tsinghua

23、 Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.酶旋转催化的非常直接的实验证据.他们首先令此突变体酶形成D380C和C87间专一交联的F1,将此复合物解离成单亚基,由于 2 间已共价交联,解离后仍以 2 交联的双体存在.然后,令此 2 交联的双体与放射性标记的单体重组形成F1复合物,并还原已交联的二硫键以解除对酶的束缚,然后加入ATP使酶催化ATP水解一段时间后,再令此酶氧化形成 2 间的二硫键,使F1复合物再次解离,最后分析交联的 2 对.结果表明,有些是放射性标记的、有些是非放射性的.这个结果定量的给出实验证据说明在催化过程中,所有的三

24、个亚基都有机会与亚基形成交联,即 2 交联是随机的.图2示意了整个操作过程.尽管这个结果尚不能证明亚基间的转动是有序的,但它肯定地显示,在催化过程中亚基可以自由的与每个亚基接触,这种交替接触正是博耶教授提出的旋转催化机制的核心.Sabbert等更进一步研究了具有催化活性的菠菜叶绿体CF1亚基间的转动运动21.他们首先制备了亚基C端被专一性荧光试剂eosin252maleimide共价标记的酶,然后将此标记酶固定在Sephadex DEAE2A50上,经荧光漂白(photobleaching)后跟踪荧光偏振吸收变化的弛豫过程,以检测eosin标记的亚基相对于固定化的()3间的很慢的转动.观察到相

25、对于固定化的()3运动的时间常数是100 ms,此速度与固定化的F1水解ATP的速度相当.图3显示了直接反映生色团转动性能的偏振各向异性参数r随时间的变化关系.对于固定化的酶,只有在MgATP存在时,才能观察到r值随时间的变化.如果加入AMP2PNP代替ATP,由于不能催化,就观察不到r值随时间的变化.如果CF1在缓冲液中游离存在,r值为零.这是第一次观察到的实时酶催化过程中,亚基间的相对运动过程.然而,所有的结果都无法比让你亲眼目睹这种运动更令人信服.Noji与其合作者的漂亮的工作折服了对ATP酶的旋转催化机制持怀疑态度的人1.他们利用晶体结构的结果,精心设计了一系列的标记、突变,并采用最新

26、的荧光显微镜摄象技术,将亚基的转动运动展现在了我们面前.图3 亚基被eosin标记的CF1,经荧光漂白后,荧光偏振吸收变化的弛豫过程 从F12ATP酶的晶体结构可以看出,亚基的卷曲螺旋是穿过33形成的圆桶的中心,伸展到颈部与膜内的Fo部分连接.而亚基的N末端是在亚基的侧面.为了将33亚复合物固定在一个玻璃板上,他们首先通过基因工程的方法在嗜热菌的亚复合物中亚基的N端连上了一个含10个组氨酸残基的尾巴(histidin tags),使F1复合物能够通过此组氨酸尾巴立体专一地连接到一个镀Ni2+的玻璃表面上.此突变体在E.coli中高效表达.将玻璃板用与Ni2+2nitrilotriacetic

27、acid连接的辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase)包被,此板与组氨酸的尾巴有很高的亲和力,通过突变体酶上的组氨酸尾巴将亚复合物的亚基固定在玻璃板上,获得了独立于膜一侧的亚复合物如图4所示.为了观察亚基的转动,通过定点突变技术将亚基颈部107位的丝氨酸替换成半胱氨酸(S107C);将亚基中唯一的193位半胱氨酸用丝氨酸取代(C193S),使此亚复合物中仅在亚基有一个半胱氨酸残基能够专一性地与生物素(biotin)结合.为了能观测亚基的运动,还需制作生物素结合的、荧光标记的肌动蛋白细丝,并将其与亚基连接起来.因为Streptavidin与biotin有四个接合部位,所以可

28、通过Streptavidin将亚41生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1998;25(1)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.基与荧光标记的肌动蛋白细丝连接起来.通过这样的处理,获得了在亚基上连接了荧光标记的肌动蛋白细丝的33亚复合物.在倒置荧光显微镜连接的摄象系统(epifluorescencemicroscope)上观察,当加入2 mmol/L ATP时,在荧光屏上显示了转动的亮点,肌动蛋白的细丝象鞭子一样甩动起来.直接观察到多数转动的细丝是以细丝的一端为转

29、动轴的,也有一些象飞机的螺旋桨一样以细丝的中端为转动Coverslip coated with Ni2NTA图4(a)观察亚基在33亚复合物中运动建立的体系示意图;(b)对应的牛心线粒体F12ATP酶从膜侧观察的仅含核苷酸结合部位的结构及转动方向的示意图轴.此运动可以持续至少25 s.由于33亚复合物是通过3个亚基固定在玻璃板上的,并且肌动蛋白细丝是连接在 亚基上的,这个结果清楚地表明,亚基是在33形成的圆筒中转动的.跟踪单个肌动蛋白的细丝转动的时间过程表明运动是单方向的、反时针的.此反时针的转动使中心的亚基能够与三个亚基按顺序由空部位,ADP结合形式到AMP2PNP结合形式接触(Walker

30、根据晶体结构结果给出的),这个顺序正好与预言的ATP水解反应从ATPADP空位点的转动顺序一致.这个实验让我们清楚地看到H+2ATP酶确实是一个分子转动马达.看到这个结果后,我们怎能不振奋,怎能不为这个绝妙的实验设计叫好!Noji等不仅奉献给我们一个F12ATP酶中亚基单方向转动的可观察的模型,证明博耶教授旋转催化机制的正确性;还展现了运动性分析的广阔前景,是大分子机械(如:myosin,kenesin,dynein,RNA polymerase和细菌马达)研究的一次革命,通过充分利用最新发展的仪器设备将生物物理研究带上了单分子水平.经过20多年的努力,终于证实了博耶教授 早期提出的设想22(

31、图5):当质子跨膜转图5ATP酶 已发现的世界上最小的分子马达示意图H+流过细胞膜时,使ATP酶的类车轮结构和连接杆部分转动,改变在一端的催化部位的构象使催化部位与底物和产物结合的亲和性发生变化,完成从底物结合到产物释放的循环.通过这种转动运动,完成能量分子ATP的合成.511998;25(1)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.运时,带动ATP酶的类车轮结构和连接杆的转动,就象流动的水带动水轮机转动一样,引起其他部分的转动,此

32、转动会一定程度地改变酶上三个催化部位的构象以抓住底物ADP和Pi、合成ATP分子并将其释放.形象地刻画出ATP合成酶的催化循环就象转动的水轮机.现在水轮机部分的转动已经证实,这无疑是认识ATP酶作用机制的重大突破,但质子是如何跨膜的?质子跨膜时Fo部分是如何运动的?Fo部分是否有相应的转动运动等仍是人们关心,而又更难解决的问题.预计下一个重大突破是Fo结构的解出.据悉现在许多实验室正在加紧工作,我们盼望最终阐明ATP合成酶的作用机制的日子早日到来.致谢 感谢杨福愉院士、林治焕、李生广研究员和本刊编辑部在此文准备过程中给予的帮助.参 考 文 献1Mitchell P.A chemiosmotic

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44、les and coolatoms.Science,1997,278(5338):578579The Binding Change Mechanism and RotationalCatalysis ofATP Synthase.ZHOU Jun2mei(NationalL aboratoryofBiomacromolecules,Institute of Biophysics,The Chinese Academyof Sciences,Beijing100101,China).AbstractThe binding change mechanism forthe ATP synthase

45、has two central features.Oneis that the principle use of energy required forATP synthesis is to promote the release oftightly bound ATP and the binding of Pi and61生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1998;25(1)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.ADP in a manner competent

46、 to form boundATP.The second is that during net ATP forma2tion multiple catalytic sites on the synthase par2ticipate in strongly cooperative sequence.Rota2tion of thesubunit in F1is thought to deformthe catalytic sites to give binding change.Whenthe crystal structure of the F12ATPase was even2tually

47、 solved,direct evidences for rotation ofsubunits during catalysis ofF12ATPase wereprovided.Key wordsATP synthase,binding changemechanism,rotational catalysis转录因子与DNA识别的立体化学规律摘要 转录因子2DNA的识别包含普遍性的化学规律和特异性的立体化学规律.转录因子的识别螺旋以特异性方式结合于DNA,位于一侧的大沟内.识别螺旋的“残基连线”和碱基的“碱基连线”之间吻合使两者完全匹配,它通常涉及最多3圈螺旋和35 bp.决定氨基酸残基和

48、碱基相互关系的结合几何图形表示为立体化学图,它表明了识别的特异性.在该基础上总结成转录因子识别DNA的立体化学规律.关键词 转录因子,识别螺旋2DNA的相互关系,立体化学图,立体化学识别规律学科分类号 Q523 认识转录因子与DNA的识别对研究基因表达和调控具有重要意义,也是结构生物学的重要内容.两者识别有什么规律?研究这种规律使我们能够:a1 预期蛋白质2DNA的相互作用;b1 改变已有转录因子或DNA序列的结合特异性;c1 设计结合于特定DNA序列的新的蛋白质分子,因此具有重要的理论和实践意义.蛋白质2DNA识别主要由两类规律组成:化学规律和立体化学规律,化学规律是普遍性的,立体化学规律则

49、对各类DNA结合蛋白家族有特异性.本文讨论螺旋作为识别螺旋的情况.折叠的结构式样将另作讨论.1DNA结合蛋白的结构域识别螺旋可以分为HTH、PH(probe螺旋,包括同源异形域和碱性拉链蛋白等家族)、锌指结构、C4锌指蛋白(包括甾体激素受体家族和GATA蛋白),以及新的结构式样Myb等.20种氨基酸残基按其大小分为4类:大、中、小和芳香族残基.残基的大小涉及到侧链与DNA接触和配合的能力.原先以为蛋白质与DNA结合时,蛋白质的柔性能使识别螺旋足够地变形,以适应DNA的结构.现在认为不是蛋白质,而主要是DNA结构发生变化,DNA柔性加强了蛋白质2DNA的相互作用1.识别螺旋沿着DNA弯曲的大沟,

50、在大沟一侧接触到碱基,但接触的碱基数目有限,一般不超过5 bp.转录因子的识别螺旋长度只有几圈.它的残基大致可分为3类:a1 同DNA碱基接触的残基;b1 同主链磷酸基团接触的残基;c1 同蛋白质其余部分接触的残基.各种结构式样中这些类型的残基都有比较保守的位置.a类大多是极性的,也有酸性或碱性残基;b类大多是碱性氨基酸;c类往往以疏水性残基背向DNA,与蛋白质分子其余部分结合,限制了 收稿日期:1996210230,修回日期:1997203202711998;25(1)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.1995-2006 Tsinghua Tongfang O