F1-ATPaseγ亚基旋转的"扭曲-推动"机制：基于全原子分子动力学的能量转换机理解析

来自日本的研究团队通过全原子分子动力学(MD)模拟揭示了F1-ATPase旋转马达80°亚步旋转的分子机制。该研究结合过渡路径采样和自由能计算，首次提出"扭曲-推动"双阶段驱动模型：α3β3定子环的构象扭曲引发首次旋转，β/γ亚基直接相互作用推动二次旋转，为理解ATP水解的化学-机械能量转换提供了原子尺度见解。

　　

F₁-ATPase作为旋转分子马达，由α₃β₃定子环和γ转子亚基构成。来自嗜热菌Bacillus PS3的TF₁在ATP水解时呈现120°分步旋转，包含80°和40°两个亚步。最新冷冻电镜(cryo-EM)结构揭示了γ亚基在结合停留态和催化停留态间的构象变化。

研究团队采用靶向分子动力学(TMD)模拟对α₃β₃亚基施加外力，成功捕捉到γ亚基80°亚步旋转。通过平均力弦方法优化64个过渡态构象，结合伞采样计算自由能剖面，发现该旋转过程包含首次旋转-暂停-二次旋转三阶段。

关键发现显示：首次旋转由α₃β₃定子环的构象扭曲驱动，如同弹簧蓄能；二次旋转则主要依赖β亚基对γ转子的直接推动。这种"扭曲-推动"(distortion-push)双阶段机制完美解释了实验观测到的残基相互作用模式，与X射线晶体学和冷冻电镜解析的原子结构高度吻合。研究为理解生物能量转换装置的核心工作原理提供了全新视角。