このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2005年12月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
ATP合成酵素。F0モーター(青、PDB:1c17)、F1モーター(赤、PDB:1e79)、固定子の断片(橙、PDB:2a7u、1L2P)

ATP合成酵素(ATP synthase)は分子世界における不思議なものの1つである。ATP合成酵素は酵素でもあり、分子モーターでもあり、イオンポンプでもある。そして別の分子モーターも合わせて一緒に包み込み、1つの驚くべきナノスケールの機械になっている(1nm(ナノメーター)は10億分の1m)。我々の細胞における反応過程の動力を供給するATPの大半を作るという欠かすことのできない役割を担っている。この仕事を行う機構は実に驚くべきものである。

回転モーター

ATP合成酵素は2つの回転モータでできており、それぞれが異なる燃料によって動作する。上にあるモーターはF0と呼ばれる電気的なモーターである。F0は膜(灰色の帯で模式的に示した)に埋まっており、膜を越えて移動する水素イオンの流れによって動力が供給される。水素イオンがモーターを通って流れると、円形の回転翼(青色の部分)が回る。この回転翼はF1と呼ばれる2つ目のモーターにつながっている。F1モーターは化学的なモーターで、ATPによって動力が供給される。2つのモーターは固定子(Stator、図右の黄色い部分)によってつながっているので、F0が回ればF1も回る。

生産を行うモーター

ではなぜ2つのモーターがつなげられているのだろうか? この方法を使うと1つのモーターがもう一方のモーターを回し、モーターを発電機に変えることができる。これが我々の細胞内で起こっている。つまり、F0モーターが水素イオン濃度勾配によるエネルギーを使ってF1モーターを回し、ATPを作っているのである。我々の細胞内では、食物を分解しそれを利用して水素イオンをミトコンドリア膜の外へくみ出している。ATP合成酵素のF0部分は水素イオンを膜内へ還流させ、回転翼を回転させる。回転翼が回ると、車軸(axle)も回ってF1モーターは発電機になり、それによってATPが作り出される。

部品の一覧

ATP合成酵素のように大きくて複雑な機械は、構造科学者に難しい問題をつきつける。そのため、このような機械は一部分だけで構造が決定されることがよくある。ここに示した図はX線結晶解析やNMRスペクトルを使って決定された別々の構造4つを合成したものである。F0モーターはPDBエントリー 1c17 に登録されている。F1モーターおよび2つのモーターをつなげる回転軸はPDBエントリー 1e79 に登録されている。固定子は最もとらえるのが難しい部分で、ここにはPDBエントリー 2a7u1l2p に登録されている2つの断片を示した。

なお、遺伝的視点から見た追加情報が、欧州バイオインフォマティクス研究所(EBI)の「 今月のタンパク質 」で提供されているので合わせて参照いただきたい。

F1サブユニットの構造を見る

ATP合成酵素のF1サブユニット(1E79) 左はADP結合段階にあるサブユニットを、右はATP解放段階にあるサブユニットを赤で示した。

PDBエントリー 1e79 にはATP合成酵素のF1モーターの構造が含まれている。これが発電機として動作するときは、回転動作によるエネルギーをATP合成に使い、モーターとして動作するときは、ATPを分解して得られたエネルギーで回転軸を反対方向に回転させる。ATPの合成には、ADPとリン酸の結合、新たなリン酸間結合の形成、ATPの解放といったいくつかの段階が必要である。回転軸が回転すると、モーターはそれぞれの難しい反応段階を助ける3種類の配置をとる。ここにはそのうち2つの段階での構造を示した。左はADPの結合を助ける段階の構造を、右はATPを解放する段階の開いた構造を示している。奇妙な形をした回転軸がどのようにして配置を変化させているのかに注目して欲しい。

中央の回転軸はG鎖(青)、H、I鎖(水色)で構成されている。サブユニットのうち3つ、D、E、F鎖ははATPを合成する部分で、左図ではE鎖が、右図ではD鎖が赤色で示されている。サブユニットA、B、CはD、E、Fと似ているが、こちらは構造的な役割を果たしており、全体をひとつにまとめている。この図では相互作用がよく見えるように、手前にある2つのサブユニット(左図のC、F鎖、右図のA、D鎖)は取り除かれている。

F0サブユニットの構造をみる

ATP合成酵素のF0モーター(PDB:1c17)

PDBエントリー 1c17 にはF0の電気的モーターの構造が登録されている。この図は、回転軸を上から見下ろしているもので、最初に示した図を上から見たものに当たる。回転翼は青で示した12本のタンパク質鎖で、イオンポンプは赤で示した1本の鎖で構成されている。ポンプは、水素イオンを回転翼のアスパラギン酸(aspartate)に渡す役割をするアルギニン(arginine)アミノ酸を持っている。アスパラギン酸は通常負電荷を持つアミノ酸であるが、回転翼は膜の脂質によって囲まれているため、非常に居心地が悪い。そのため、回転翼はアスパラギン酸に水素が付加されて電気的に中和された状態の時のみ回転する。水素イオンはF0モーターにあるらせん状の経路を通り、その過程で回転翼を回す。水素イオンはポンプ中にあるアミノ酸鎖によって集められ、アルギニンへと運搬される。アルギニンは水素イオンを回転翼に渡し、水素イオンを受け取っている間はずっと回転翼は回り続ける。そして水素は、ポンプ中にある他のアミノ酸によって負荷が取り除かれ、最終的に膜の反対側に渡される。この水素イオンがポンプを通る正確な経路は、まだ懸命に研究されているところである。

2005/12/01 にPDBでキーワード検索を行って決定したATP合成酵素に関係するエントリーの一覧をこちらのリストに掲載しています。

2005/12/01 キーワード検索による関連PDBエントリー一覧
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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1a91 Solution structure of the transmembrane H+-transporting subunit c of the F1F0 ATP synthase. M.E.Girvin, V.K.Rastogi, F.Abildgaard, J.L.Markley, R.H.Fillingame 1998 Biochemistry 37 8817 9636021
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1bsh Solution structure of the epsilon subunit of the F1-ATPase from Escherichia coli and interactions of this subunit with beta subunits in the complex. S.Wilkens, R.A.Capaldi 1998 J. Biol. Chem. 273 26645 9756905
1bsn
1c0v Solution Structure of the Transmembrane H+-Transporting Subunit C of the F1F0 ATP Synthase. M.E.Girvin, V.K.Rastogi, F.Abildgaard, J.L.Markley, R.H.Fillingame 1998 Biochemistry 37 8817 9636021
1c17 Structural Changes Linked to Proton Translocation by Subunit C of the ATP Synthase V.K.Rastogi, M.E.Girvin 1999 Nature 402 263 10580496
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1e1r
1e79 The Structure of the Central Stalk in Bovine Mitochondrial F1-ATPase at 2.4 A Resolution C.Gibbons, M.G.Montgomery, A.G.W.Leslie, J.E.Walker 2000 Nat. Struct. Biol. 7 1055 11062563
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1efr The structure of bovine F1-ATPase complexed with the peptide antibiotic efrapeptin. J.P.Abrahams, S.K.Buchanan, M.J.Van Raaij, I.M.Fearnley, A.G.Leslie, J.E.Walker 1996 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 93 9420 8790345
1fs0 Structure of the G-E Complex of ATP Synthase M.C.J.Wilce, A.J.W.Rodgers 2000 Nat. Struct. Biol. 7 1051 11062562
1fx0 The Structure of the Chloroplast F1-ATPase at 3.2 A Resolution. G.Groth, E.Pohl 2001 J. Biol. Chem. 276 1345 11032839
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1h8h The Structure and Nucleotide Occupancy of Bovine Mitochondrial F(1)-ATPase are not Influenced by Crystallisation at High Concentrations of Nucleotide R.I.Menz, A.G.Leslie, J.E.Walker 2001 FEBS Lett. 494 11 11297725
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1kmh Structure of Spinach Chloroplast F1-ATPase Complexed with the Phytopathogenic Inhibitor Tentoxin G.Groth 2002 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 99 3464 11904410
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1lws Crystal Structure of the Intein Homing Endonuclease Pi-Scei Bound to its Recognition Sequence C.M.Moure, F.S.Gimble, F.A.Quiocho 2002 Nat. Struct. Biol. 9 764 12219083
1lwt
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1r5z Crystal Structure of a Central Stalk Subunit C and Reversible Association/Dissociation of Vacuole-Type ATPase M.Iwata, H.Imamura, E.Stambouli, C.Ikeda, M.Tamakoshi, K.Nagata, H.Makyio, B.Hankamer, J.Barber, M.Yoshida, K.Yokoyama, S.Iwata 2004 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 101 59 n/a
1sky The crystal structure of the nucleotide-free alpha 3 beta 3 subcomplex of F1-ATPase from the thermophilic Bacillus PS3 is a symmetric trimer. Y.Shirakihara, A.G.Leslie, J.P.Abrahams, J.E.Walker, T.Ueda, Y.Sekimoto, M.Kambara, K.Saika, Y.Kagawa, M.Yoshida 1997 Structure 5 825 9261073
1u7l Crystal Structure of Yeast V-ATPase Subunit C Reveals its Stator Function O.Drory, F.Frolow, N.Nelson 2004 Embo Rep. 5 1148 15540116
1um2 Protein Splicing of Yeast Vma1-Derived Endonuclease Via Thiazolidine Intermediates R.Mizutani, Y.Anraku, Y.Satow n/a To be Published n/a n/a n/a
1v9m Structure of the C Subunit of V-Type ATPase from Thermus Thermophilus at 1.85 A Resolution N.Numoto, A.Kita, K.Miki 2004 Acta Crystallogr., Sect.D 60 810 15103125
1vde Crystal structure of PI-SceI, a homing endonuclease with protein splicing activity. X.Duan, F.S.Gimble, F.A.Quiocho 1997 Cell 89 555 9160747
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1w0j The Structure of Bovine F1-ATPase Inhibited by Adp and Beryllium Fluoride R.Kagawa, M.G.Montgomery, K.Braig, A.G.W.Leslie, J.E.Walker 2004 Embo J. 23 2734 n/a
1w0k
1yce Structure of the Rotor Ring of F-Type Na+-ATPase from Ilyobacter Tartaricus. T.Meier, P.Polzer, K.Diederichs, W.Welte, P.Dimroth 2005 Science 308 659 15860619
2a7u Structural Characterization of the Interaction of the Delta and Alpha Subunits of the Escherichia Coli F(1)F(0)-ATP Synthase by NMR Spectroscopy S.Wilkens, D.Borchardt, J.Weber, A.E.Senior 2005 Biochemistry 44 11786 16128580
2bl2 Structure of the Rotor of the Vacuolar-Type Na-ATPase from Enterococcus Hirae T.Murata, I.Yamato, Y.Kakinuma, A.G.W.Leslie, J.E.Walker 2005 Science 308 654 n/a
2bo5 Structure of the F(1)-Binding Domain of the Stator of Bovine F(1)F(O)-ATPase and How It Binds an Alpha-Subunit. R.J.Carbajo, F.A.Kellas, M.J.Runswick, M.G.Montgomery, J.E.Walker, D.Neuhaus 1996 J. Mol. Biol. 351 824 n/a

ATP合成酵素についてさらに知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • P. D. Boyer 1997 The ATP synthase--A splendid molecular machine. Annual Review of Biochemistry 66 717-749
  • G. Oster and H. Wang 1999 ATP Synthase: Two motors, two fuels. Structure 7 R67-R72
  • G. Oster and H. Wang 2003 Rotary protein motors. Trends in Cell Biology 13 114-121



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2005-12-01 (last edited: 10 months ago)2016-09-09
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