京都工艺纤维大学揭示ATP合成机制

日本京都工艺纤维大学的研究团队聚焦于生命活动必需的能量分子——“腺苷三磷酸（ATP）¹”的合成机制。在细胞内，ATP的生成依赖于一种名为“ATP合酶²”的巨大膜蛋白³。该蛋白质嵌入生物膜中，能够将氢离子的跨膜流动转化为旋转运动，并借此驱动ATP的合成，其工作机制宛如一个纳米尺度的生物发电机。然而，长期以来，氢离子流动如何精确推动ATP合成的具体机制仍未明确。

由该校应用生物学系岸川淳一副教授率领的研究团队，成功将ATP合酶嵌入一种“模拟生物膜小泡”中，并在氢离子实际流动的条件下，利用冷冻电子显微镜⁴对其进行了高分辨率成像。研究发现，在氢离子流驱动下，ATP合酶的膜嵌入区段与负责合成ATP的膜外部分之间产生了结构性的“扭曲”，这一构象变化被认为是高效合成ATP的关键步骤。该发现揭示了生命能量生成核心机制的重要一环。

此项成果不仅深化了我们对生命基本能量代谢机制的理解，也革新了针对膜蛋白——这一重要药物靶点——的结构解析方法，有望为未来医药研发提供新的技术路径。

本研究已于2025年10月17日（当地时间）在国际知名学术期刊《Science Advances》（外部链接）上正式发表。

＜术语解释＞

1）ATP（腺苷三磷酸）
作为多种生化反应的通用能量载体，常被称为“细胞能量货币”。在人类及其他大多数生物中，ATP的合成几乎完全依赖ATP合酶完成。

2）ATP合酶（ATP synthase）
负责催化ATP合成的蛋白质复合体。在真核生物中分布于线粒体内膜，在细菌中则位于细胞膜。其膜嵌入部分能够利用生物膜两侧的pH梯度驱动转子旋转，进而带动膜外结构域合成ATP。由于具有独特的旋转催化机制，该酶也被视为一种旋转分子马达。本研究采用了结构稳定、适于解析的V/A型ATP合酶作为研究对象。

3）膜蛋白（Membrane proteins）
部分或整体嵌入生物膜中的蛋白质，承担细胞内外信号转导、物质运输等重要功能。目前已知约三分之一的蛋白质属于膜蛋白。

4）冷冻电子显微镜技术（cryo-electron microscopy）
该技术将蛋白质等生物样本在液态乙烷中快速冷冻，随后在低温条件下利用透射电子显微镜进行成像，通过收集二维投影图像并进行三维重构，解析生物大分子的高分辨率空间结构。