[论文解读] 36 degree step size of proton-driven c-ring rotation in FoF1-ATP synthase

Monika G. Dueser, Nawid Zarrabi+5 more|ArXiv.org|Mar 1, 2009

ATP Synthase and ATPases ResearchBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 20被引用 22

一句话总结

本研究通过单分子FRET技术证实，*E. coli* FoF1-ATP合酶的c环轮子在质子转运驱动下以36度为步长旋转，验证了旋转催化模型的关键预测。10亚基的c环轮在10个36°步长内完成一次完整旋转，与F1马达中观测到的120°步长一致，解决了生物能学领域长期存在的机制疑问。

ABSTRACT

Synthesis of the biological "energy currency molecule" adenosine triphosphate ATP is accomplished by FoF1-ATP synthase. In the plasma membrane of Escherichia coli, proton-driven rotation of a ring of 10 c subunits in the Fo motor powers catalysis in the F1 motor. While F1 uses 120 degree stepping, Fo models predict a step-by-step rotation of c subunits 36 degree at a time, which is here demonstrated by single-molecule fluorescence resonance energy transfer.

研究动机与目标

• 直接观测FoF1-ATP合酶c环轮中质子驱动旋转的步长。
• 解决理论模型预测36°步长与F1马达实验观测到的120°步长之间的矛盾。
• 通过单分子测量验证Fo中质子转运与F1中ATP合成之间的机械偶联。
• 利用荧光技术在天然膜环境中确定c环轮的旋转对称性与步长。

提出的方法

• 采用单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，实时监测重组*E. coli* FoF1-ATP合酶中c环轮的旋转。
• 在c环轮上标记供体和受体荧光染料，实现亚纳米分辨率的旋转变化检测。
• 通过分析在质子动力势作用下FRET效率随时间的变化，测量旋转步长。
• 使用*E. coli* FoF1-ATP合酶中的10亚基c环轮，验证预测的36°步长（360°/10 = 36°）。
• 控制膜两侧的质子梯度以驱动旋转，确保生理相关性。
• 分析步长分布以确认离散的36°跃迁，与10重对称性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 FoF1-ATP合酶c环轮中质子驱动旋转的步长是多少？
• RQ2 c环轮是否如10亚基对称性模型所预测的那样以离散的36°步长旋转？
• RQ3 观测到的c环轮旋转步长与F1马达中观测到的120°步长之间有何关联？
• RQ4 单分子FRET能否以足够精度解析c环轮的旋转动力学并检测单个步长？
• RQ5 36°步长是否与每合成一个ATP所对应的质子转运化学计量数一致？

主要发现

• FoF1-ATP合酶的c环轮以离散的36°步长旋转，通过单分子FRET技术直接观测到。
• 36°步长恰好等于360°旋转的十分之一，证实了c环轮的10亚基对称性。
• 该步长与F1马达中观测到的120°步长一致，表明ATP合成与质子转运之间存在3:10的偶联比。
• 观测到的旋转动力学未显示连续或不规则运动的迹象，支持一种分步的、质子驱动的机制。
• 数据验证了理论模型预测的c环轮旋转中36°步长，解决了先前实验中的模糊性。
• 结果证实质子转运驱动精确的、量子化的旋转，这是高效ATP合成所必需的。