仿生学的科学意义与前沿——一个值得模拟的奇妙分子——ATP合酶，本文主要内容关键词为：仿生学论文,奇妙论文,分子论文,意义论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生命活动需要能量，其中大部分是由能源分子腺三磷(ATP)提供的。那么腺三磷又来自何处呢？在新陈代谢过程中食物被分解、氧化所释放的能量就用来合成ATP。催化这一过程的关键酶就是ATP合酶，它的分布很广泛，从细菌、真菌、植物、昆虫、动物到人都能找到它的存在。起初，科学家用电子显微镜在细胞中的线粒体内观察到ATP合酶。线粒体是能量转换器，有细胞“能力站”之称。食物通过新陈代谢进行分解，产生较小的分子后进入线粒体进行氧化反应，并逐步释放能量。释放的能量及时通过ATP合酶的催化产生ATP。整个过程称为氧化磷酸化。ATP合酶主要由两部分组成：结合在线粒体膜内部的Fo和伸出在膜外的
（见图），因此ATP合酶又称
-ATP酶。整个酶的分子量约为480kD，其中约为380kD，其余约为100kD。由αβγδε五种亚基组成，对它们的结构与功能的研究比较详尽。而Fo由a，b，c三种亚基组成，与相比人们对它们的了解还不十分清楚。科学家对线粒体的氧化磷酸化进行了长期的研究，1961年英国米歇尔(Mitchell)提出“化学渗透假说”，他认为在线粒体中通过氧化所释放的能量先转换成跨膜的
梯度，后者驱动ATP合酶的催化可使ADP+Pi合成ATP，这个假说得到大量实验的验证与支持，从而获得1978年诺贝尔化学奖。1964年美国波耶尔(Boyer)对ATP合酶如何合成ATP的机理提出“变构假说”，他认为在ATP合成过程中ATP合酶的的3个催化亚基-β亚基的构象交替发生变化，不同的构象对ADP+Pi，ATP的结合程度是不同的。驱动三个β亚基构象发生变化是由于不对称的γ亚基的转动（见图）。1994年英国沃克(Walker)对F1结晶进行了三维结构分析，证实在ATP合成过程中3个β亚基的结构的确存在着差异，因而有力支持了Boyer的假说，并一起荣获了1997年度诺贝尔化学奖。Boyer提出ATP合酶的γ亚基在ATP合成过程中转动的问题也得到了美国、德国、日本等国科学家的验证。尤其日本Noji显示在离体条件下重组的（含αβγ亚基）通过ATP的水解能使γ亚基旋转，这对Boyer假说再次提供了一个直接而又非常有力的实验证据。F1转动360°需消耗3分子ATP。在生理条件下，转动的速度约为100转／秒。据计算，这种化学能转化为机械能的转化效率接近100%。的直径仅为9-10nm，它是迄今为止最小、最快、效率最高的生物分子转动马达，也可以称之为纳米马达。实际上Fo也是一个转动马达，通过质子的流动使膜内Fo的c亚基转动（见图）。而Fo的c亚基的转动继而又会带动ATP合酶F1的γ和ε亚基转动而使3个β亚基交替发生构象变化，从而合成ATP。最近2004年Nature(Neture 2004,427,465)报道，日本、美国等七个实验室共同协作，成功地进行一个杰出的实验，他们将在玻璃表面的F1的γ亚基带上一个磁性珠子，当该珠子被电磁铁按上述ATP水解时相反方向旋转从而也带动γ亚基转动时，在介质中就可以测到ATP的合成。这进一步为ATP合酶通过分子转动来实现能量转换的假说提供了有力的实验证明。在这里，机械能被转换为化学能。从整个ATP合酶分子来看，的γε亚基，Fo的c亚基具有马达转子的作用，而的αβδ亚基，Fo的a，b，亚基则起着马达定子的作用。
在生理条件下，ATP合酶的主要功能是合成ATP。在人体内含有无数细胞，大多数细胞（如心肌、肝、肾、神经、精子等等）都含有线粒体。以肝细胞为例每个细胞平均含1000个线粒体，每个线粒体的内膜又分布有为数众多的ATP合酶。从整个人体来说，可以设想有无数ATP合酶在不断地转动来合成ATP以供应日常活动的需要，据估计，人体每日需要的ATP大致与其体重相等。如果体重为70公斤，每天就需要合成70公斤的ATP。
有关ATP合酶能量转换的分子机理研究正在不断深化，是当前分子生物学、生物物理学、生物化学、生物能力学、生物工程学研究热点之一。由于微型马达在军工、航天、工业、医药等方面都有广泛的需求，因此对ATP合酶这个最小转动马达的模仿（即使部分模仿）无疑会有重大的应用价值。美国科学家已尝试用ATP合酶的部分与纳米机电系统相结合构建新型的纳米机械装置。日本在这方面也投入较大的力量。中国科学院生物物理所已开始对这一奇妙分子进行探索。虽然总的来讲这方面研究尚处于初级阶段，但它的发展前景是十分诱人的。
ATP合酶模式图（选自Mark J.Schnitzer Nature 2001,410,878)