PNAS｜杭州师范大学徐晓玲课题组揭示细胞能量代谢的发动机——ATP合酶新的亚基组装方式和质子跨膜转运机制

近日，杭州师范大学徐晓玲课题组在PNAS发表题为

Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium

Chloroflexus aurantiacus

F型ATP合酶（F-type ATP synthase，F1FO）广泛分布于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异养菌和光合细菌的质膜上，利用呼吸和光合电子传递过程中产生的质子动力势（Proton motive force，PMF）旋转催化ADP和无机磷酸盐合成细胞的“能量货币”ATP。作为细胞能量代谢的发动机，自1960年被发现以来，F1FO的亚基组成、空间结构和作用机制一直是生物学研究的热点。

从细菌到人的所有物种中，F1FO都由一个可溶的催化头部F1和一个膜包埋的FO组成，两者通过一个弓形的外周茎和一个可旋转的中心轴相连接。F1由三对交替排列的α/β亚基构成，围绕中心轴（γ和ε亚基）组成类似橘瓣的六聚体，通过β亚基的构象改变催化ATP的合成与水解。FO包含一个跨膜的a亚基和8~17个c亚基形成的c环，a亚基与c环的界面上分布着开口朝向膜两侧的2个质子转运半通道，并与外周茎（b2δ）紧密结合而组成“定子”；c环的顶端与中心轴接触组成“转子”。在PMF的作用下，质子通过a亚基的跨膜转运驱动c环及中心轴的连续转动，继而引起α3β3的活性中心发生周期性构象改变，从而催化ATP的合成。

为了适应光照条件改变引起的快速PMF变化，光合生物的F1FO在进化中获得了独特结构特征和调控机制。与细菌和线粒体F1FO含有8~13个c亚基不同，植物叶绿体和蓝细菌的F1FO通过增加c亚基的数目（13~15）来提高H+/ATP比率。为了适应光照与黑暗环境的转变，叶绿体F1FO通过γ亚基中一段插入序列中二硫键的氧化还原来调控ATP的水解活性。作为具有原始光能合成体系的原核生物，光合细菌是研究光合作用起源和进化、物质能量代谢机制的良好模式生物。然而，除了叶绿体F1FO的结构，目前还没有任何来自光合细菌完整F1FO结构相关的报道，限制了对F1FO起源、进化和作用机制多样性的深入理解。

徐晓玲课题组前期聚焦地球上出现最早的光合细菌——绿色非硫细菌的电子传递和能量代谢机制，通过对其光合膜蛋白复合物的结构和功能研究，系统揭示了环式电子传递链的组成和作用机制（Nat Commun. 2018；Sci Adv. 2020；Photosynth Res. 2020；eLife, 2023；Plant Commun, 2024；Plant Cell, 2024；Structure，2025）。然而，此类光合细菌合成ATP的分子机制仍不清楚（图1）。

图1 绿色非硫细菌的光合电子传递链和ATP合成（光合磷酸化）。

该研究以Chloroflexus aurantiacus为材料，内源分离提取出完整的ATP合酶（CaF1FO），分别解析了结合和不结合底物ADP的样品在三种旋转状态下的高分辨电镜结构，并发现了一种全新的F1FO结构特征和独特的质子跨膜转运机制。与以往报道的所有ATP合酶截然不同，CaF1FO含有2个外周茎（b1b2δ1和b3b4δ2）和2个跨膜转运质子的a亚基（图2）。在旋转催化过程中，2个外周茎为偶联CaF1进动（precession）和c10环的旋转提供了显著的结构稳定性和构象灵活性：2个外周茎中间螺旋区域呈现出不对称的弯曲形态，以防止旋转催化过程中CaF1头部的摆动；在CaF1顶端，2个δ亚基的N端（δ-N）形成二聚体，通过显著的构象变化释放旋转过程中储存的弹性能量。

图2目前解析的完整F1FO结构及其所属物种进化树和CaF1FO的电镜结构。

最特别的是，2个a亚基在膜周质侧和胞质侧分别形成2个质子入口和2个质子出口，赋予CaF1FO独特的质子跨膜转运机制。在PMF的驱动下，膜周质侧的质子通过入口同时进入a/c10环交界面的2个质子半通道。由于2个“检查点”aArg249和2个质子出口的存在，c10环只需要旋转4个和6个子步骤就可以将质子转运到胞质侧。与仅含有1个a亚基和c10环的ATP合酶相比，CaF1FO的c10环旋转一周可以跨膜转运20个质子并催化3分子ATP的合成。因此，通过增加a亚基的数目，CaF1FO获得了显著高于传统单个a亚基F1FO的H+/ATP比率，以适应极端环境中光照条件改变所引起的快速PMF变化。

图3 CaF1FO的质子跨膜转运机制。

综上所述，本研究解析了首个来自进化早期光合细菌的完整F1FO结构，揭示了一种全新的F1FO亚基组装方式和质子跨膜转运机制。这一发现填补了对光合细菌ATP合酶结构和催化机制研究的空白，全面绘制了丝状不放氧光合细菌光合磷酸化的全景图，将为基于ATP合酶结构的酶改造、靶向药物设计、人工细胞器和仿生系统的设计等提供新思路。

杭州师范大学基础医学院博士生张鑫为论文第一作者，徐晓玲教授为通讯作者，清华大学饶子和院士为研究内容提供了宝贵建议。课题组博士生吴婧怡、洪鑫，硕士生王佳茂、裴鑫楷和硕士毕业生闵真真参与了研究。冷冻电镜样品的检查和数据的收集得到了浙江大学和西湖大学冷冻电镜中心的共同支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2425824122