ATP的合成及消耗

化學獎~ATP的合成及消耗

斯寇教授～

skon.gif (2782 bytes) 　　丹麥籍的學者斯寇教授生於 1918 年，在哥本哈根大學接受醫學訓練，1954 年在丹麥的阿霍斯 (Arahus) 大學得到博士學位，1963 年在該校擔任生理學教授，1977 年擔任生物物理教授，他也是丹麥國家科學院的院士。他在 1957 年，首次在神經細胞膜上尋找分解 ATP 的酵素，而且證明這個分解 ATP 酵素與鈉離子、鉀離子進出細胞的功能有密切關係。早在 1920 年代，科學家就知道細胞內的離子成分與細胞外週圍環境的離子濃度與成分很不相同，在細胞內鈉離子濃度比細胞外低，而鉀離子濃度則相反。在神經細胞傳遞信息時，神經細胞受到刺激，鈉離子由細胞外進入細胞內，鉀離子則由細胞內出細胞外，而等神經傳導完成後，則又恢復原先細胞內外的鈉離子及鉀離子濃度，這個過程須要 ATP 的參與。

　　由於斯寇教授的發現，開啟了細胞膜上離子幫浦 (ion pump) 的研究。其他離子，例如鈣離子 (Ca⁺²) 的進出也經過相似的過程，而 ATP 也參與其中，所以由此為基礎，可以解釋 Ca⁺²-ATPase (ATP ase, 腺三磷酸) 在肌肉收縮中的功能及 H⁺-K⁺ ATPase 如何使胃中產生高濃度的 HCl 作為消化之用。不僅在高等生物中有相同之 ATPase 參與各種生理作用，而且在低等生物中亦有相同的現象，例如酵母菌細胞膜上的 H⁺-ATPase 在醱酵的過程中分泌 H⁺，這個酵素在今日被稱為 P- 型 ATPase，因為在反應過程中該酵素產生磷酸化 (phosphorylation) 現象：

Na⁺，K⁺-ATPase的反應機制：

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Na⁺，K⁺-ATPase有兩種不同構形 (E₁和E₂) ，ATP、Na⁺與E₁先結合，經過磷酸化後，構形改變成E₂，於是Na⁺透過細胞膜，釋出細胞外；接著K⁺與E₂結合，經過去磷酸化後，K⁺透過細胞膜，進入細胞內。Na⁺，K⁺就是經過這樣機制循環進出細胞。(P表示磷酸根離子)

波亦爾教授～

boyer.gif (3208 bytes) 　　波亦爾教授生於 1918 年美國猶他州的波若佛 (Provo) 。1943 年在威斯康辛大學得到生化博士，1963 至 1989 年間任教於加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 。波亦爾教授的研究成就在二十年前早被肯定，1970 年被選為美國國家科學院院士，1974 年獲瑞典斯德哥爾摩大學榮譽博士學位，1989 年獲得美國生化及分子生物協會的玫瑰獎 (Rose Award) 。目前波亦爾教授仍然在加州大學洛杉磯分校從事研究工作。早在 1940 年及 1950 年代，已經知道在擔任細胞呼吸作用的粒線體及植物光合作用中的葉綠體有大量的 ATP 形成，在1960 年時一位美國著名的科學家瑞克 (Efraim Racker, 1913～1991) 從粒線體中分離出合成ATP 的酵素，當時稱該酵素為 F₀F₁ATPase，現在稱為ATP synthase（ATP 合成）。在1961 年米契爾 (Peter Mitchell) 為了解釋 ATP 的合成機制，提出化學滲透壓的假說 (Chemiosmotic hypothesis) ，並且於 1978 年得到諾貝爾獎，此學說是說明當細胞呼吸促使粒線體內外氫離子濃度的不同（外稀內濃），而藉著氫離子流經粒線體膜上的 ATP synthase，ATP 就被合成。此學說雖然對 ATP 合成的機制有很大的貢獻，但至於 ATP synthase 究竟是如何合成 ATP 就沒有詳細說明，而波亦爾教授的貢獻就是進一步研究說明 ATP synthase 是如何合成 ATP。ATP synthase 的構造相當複雜：

ATP synthase 的立體結構：
F₀部份是與粒線體的內膜而結合，而F₁部份則是在粒線體內膜德的外面。由於膜內氫離子濃度較高，膜外氫離子濃度較低，氫離子流束經由F₀部份的圓盤（由 c 次體所組成）流到膜外，帶動 c 次體，而F₁部份的 y 次體與 c 次體相連，於是也跟著轉動。F₁部份的α次體（3個）與 β 次體（3個）所形成的圓筒是固定不動的，只有位於圓筒軸心的 y 次體轉動，促使 β 次體的構形改變，於是ADP與磷酸根離子結合，合成ATP。

　　它分成二個部分，一部分稱為 F₀，是與粒線體內膜相結合，另一部分稱為 F₁，是突出膜外，並且可與膜分開，每一個 F₀ 是由一個蛋白質 a，二個 b 及九個 c 所組成。而每一個 F₁ 則由三個蛋白質α，三個β（分成 β₁ ,β₂及β₃），一個γ，一個δ及一個ε等次體 (subunit) 所組成。F₁ 因子與 F₀ 因子是不相關的二部分，但是 ATP 的合成需經由這兩因子的合作才可能完成。如上圖，可知粒線體內膜內的高氫離子濃度形成後，氫離子經由 F₀ 因子的通道流出內膜，因而觸動 F₀ 因子上排列於膜上蛋白質 c（9 個）形成的圓盤 (disc) ，而 F₁ 因子是以γ次體與F₀ 因子的圓盤（即蛋白質 c 所組成）相連，因此當 F₀ 因子的圓盤轉動，會帶動 γ 次體。但是與 γ 次體連接的α,β次體，是固定不會轉動的，只有 γ 次體在 α,β 次體所包圍形成的內軸轉動，由於 γ 次體是不對稱的，所以它的轉動會壓迫 β 次體結構改變，因而導致 β 次體與 ATP，ADP 的結合力量不同。波亦爾教授率先指出 ATP synthase 這酵素的作用很奇特，它作用時，能量不是用於 ADP 及磷酸來合成 ATP，而是用於 ADP 及磷酸與酵素結合，以及將 ATP 從酵素釋放出來。ATP synthase 的反應機制很像是利用水流力量來鑄製錢幣的機器，F₀ 因子像一個轉盤輪，氫離子流束像水流瀑布，而 F₁ 因子結構的變化，正像每旋轉一週就產生錢幣的機器，於是波亦爾教授稱 ATP synthase 是分子機器 (Molecular machine)，如下圖：

波亦爾的『結合改變機制』理論
(Binding Change Mechanism)：

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　　此圖表示合成 ATP 的過程中，α次體（3個）與 β 次體（3個）所形成的圓筒的構形變化。在A階段，一個ATP分子連接於β次體上，此時β次體的構形緊密；在B階段，一個ATP分子和一個磷酸根分子連接於β次體上，此時β次體的構形鬆弛；在C階段，氫離子流束經由F₀部份的圓盤流到膜外，帶動 c 次體，而F₁部份的 y 次體與 c 次體相連，於是也跟著轉動。y 次體的轉動，促使F₁部份的 3個β次體構形變化，構形緊密的β次體變成開放；於是釋出ATP分子，構形鬆弛的β次體變成緊密，構形開放的β次體變成鬆弛；在D階段，ATP分子和磷酸根離子結合成ATP，然後再重回A階段。

瓦克教授～

walker.gif (3156 bytes) 　　瓦克教授是英國人，生於 1941 年。在牛津大學完成博士學位後，1982 年開始在劍橋的MRC (Medical Research Council) 研究室做資深科學家，1995 年，當選皇家科學院院士。這次他得獎的主要貢獻是以 X 光譜研究 ATP synthase 的三級結構，證明了波亦爾教授的理論。在 1980 年代，瓦克教授開始與荷蘭的阿伯拉罕 (J. P. Abrahams) 及英國的雷斯利 (A. Leslie) 兩位科學家合作，研究出 F₁ 因子的結構，並且證明β一次體具有不同的蛋白結構，對 ADP 和 ATP 的結合力亦不相同。接著也證明了γ次體與三個α以及三個β次體形成的圓柱的軸心是不對稱的相連，並且直接與β次體接觸，所以可以藉著γ次體的轉動，改變β次體的立體結構。基本上，瓦克教授的結果可以證明波亦爾教授的 ATP 形成機制理論。於是 ATP synthase 如何合成 ATP，終於得到完整的說明。

ATP的研究發展史

結語