Cell新版块首篇论文：华人学者文章

　　

生物通报道：10月21日的Cell上刊登了一篇由来自哈佛大学Martin Karplus实验室完成的论文，文章的题目是《以结构为基础推算的F₁-ATP合酶合成与水解ATP的工作模式》（A Structure-Based Model for the Synthesis and Hydrolysis of ATP by F₁-ATPase，后简称《F₁-ATP合酶》）。作为做出同等贡献的第一、第二作者分别是华人学者高毅勤和杨威。

    ATP合酶被称为世界上最小的发动机。它存在于细胞内的线粒体、叶绿体上，是生物体能量代谢的关键酶。它可以在跨膜质子动力势的推动下，利用ADP和Pi催化合成生物体的能量“通货”——ATP。先看看ATP合酶的结构。

不同来源的ATP合酶基本上有相同的亚基组成和结构，由突出于膜外的F1和嵌于膜内的F0两部分组成。F1部分由5种亚基组成，分别是α、β、γ、δ和ε亚基动物线粒体F1还有寡霉素敏感蛋白(OSCP)亚基和抑制蛋白］。F1有6个核苷酸结合位点，其中3个为催化位点，催化ATP的合成或水解。F0嵌合在膜上，是一个疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。在细菌中，F0由a、b和c 3种亚基组成，线粒体ATP合酶的F0更为复杂。

    F₁是酶的膜外部分，3个α亚基与3个β亚基交替排列，形成一个对称的橘瓣状结构。F₀嵌在膜上，a亚基和b亚基二聚体排列在12个c亚基形成的环的外侧。膜内和膜外的两部分由γ、ε、δ和b等几个小亚基组成的颈部结构连接起来。连接F₁和F₀的颈部结构可以分为两部分：γ和ε亚基组成的位于酶的中央部位的“转子(rotor)”以及δ和b等亚基组成的“定子(stator)”。在合成或水解ATP的过程中，γ和ε亚基在通过F₀的质子流的推动下旋转，依次与3个β亚基作用，调节β亚基上催化位点的构象变化；“定子”δ和b亚基比位于酶中央的颈部结构细得多，在一侧将α3β3与F₀连接起来。

    作为Cell新开辟的版块Theory的首篇论文，《F₁-ATP合酶》在现有ATP合酶结构的基础上推算出F₁-ATPase工作机制的动力学模型，证明了在进行ATP合成和水解时蛋白结合底物的不同构象。鉴于ATP合酶具有重要的生物学功能，过去已经有许多关于这个酶的实验结果。但是，并这其中并没有详细的解释出合酶行使功能的机制。同时，也有文章对ATP合酶的工作模式进行预测，但是都没有对ATP水解和合成提出相容的、全面的解释。这是因为这些文章缺乏对酶工作时，与结构相关的热力学和动力学定量的描述。最近的科研成果首次将高分辨率的蛋白结构与溶液中和单分子的度量方法联系起来，这是将F₁-ATPase合成、水解ATP模型公式化的前提。

    文章在分子动力学模拟、动力学建模，蛋白结构晶体成像、热力学和动力学数据基础上提出了一种ATP合成和水解的详细机制。新建立的模型首次描述了这个具有双重功能的酶是如何又行使ATP合成功能，又行使ATP水解功能的，同时模型显示ATP水解的过程不仅是简单逆向合成过程。这一模型的建立有助于解释为什么细胞内ATP的浓度不会影响ATP的合成。当然，此模型还处于理论阶段，相信会有实验工作对此模型进行证实或者是提出挑战。

    文章作者高毅勤、杨威向生物通记者介绍到：“这是在Cell上刊登的第一篇理论论文（theoretical paper），这在Cell杂志上开启了一个新的版块——理论（Theory），可以说是杂志的一次重大改变。”（生物通记者 谢菲）

作者介绍：

杨威

    1997年，清华大学化学系毕业。2001年，在美国纽约州立大学Stony Brook分校获得化学博士学位。随后加入了哈佛大学Martin Karplus实验室进行博士后工作，在此期间完成多项重要工作，文章发表在Nature、Cell、PNAS等杂志上。

    今年，杨威成为佛罗里达州立大学化学与生物化学院和计算机科学系的助理教授。他的研究领域包括以下三个：

• First principle based protein and ligand design;
• Simulation study of multi-timescale biochemical & biophysical events such as DNA repair, motion- coupled biomolecular recognition, and enzymatic reactions; (Figure below shows one of systems studied previously)
• Development of simulation techniques to describe complex systems and enhance efficiency of biomolecular simulations.

高毅勤

高毅勤于四川大学获得学士学位，在中科院化学所获得硕士学位，他在国内从事物理化学实验研究。今年年初，他成为德州农工大学（Texas A&M University）化学院助理教授，他的研究领域是理论/计算机化学、生物物理。