回転分子モーターF1-ATPaseの回転機構解明に向けた1分子熱力学

单分子热力学阐明旋转分子马达 F1-ATPase 的旋转机制

• 批准号: 18770140
• 负责人: 古池 晶
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18770140/
• 关键词: 1分子計測・操作; タンパク質の構造・動態・機能

F1-ATPase(F1)は、ATP駆動の回転分子モーターである。それぞれ3つずつのα、βサブユニットが互い違いに並んで筒状の固定子(α3β3リング)を形成し、その中心に回転子のγサブユニットが深く突き刺さっている。βのATP活性部位では、ATPの結合、加水分解、分解産物(ADPと燐酸)の解離という化学反応が順に行われ、その化学反応サイクルの段階に応じたダイナミックなβの構造変化が、γを一方向へ回転させると考えられている。化学エネルギー(ATP加水分解)を、運動エネルギーへと変換する熱機関と見做し、一分子のF1の回転速度(エネルギー変換の速度)や回転トルク(運動エネルギーの出力)の温度依存性を調べることによって、熱力学的見地から、そのエネルギー変換の仕組みへの理解を試みた。好熱菌(至適温度〜65℃)由来のF1を用い、適当な大きさの目印をγに付けることによって、その回転運動を光学顕微鏡下で観察した。新規の温度制御装置の設計・作成と、従来のレーザー暗視野照明の改良によって、試料の温度制御(4〜65℃)と高速度撮影(毎秒32,000駒)の両立が実現された。小さな金粒子(直径40nm)を目印にすると、回転の際に水から受ける粘性抵抗がほぼ無視でき、室温では〜160回転/秒、65℃では〜2000回転/秒、4℃では〜20回転/秒と、温度によりダイナミックに変化する事がわかった。特に〜10℃以下の回転速度の変化は顕著で、温度減少に伴い急激に減少した。回転トルクは、γに0.49μmのビーズを付け、そのビーズに働く粘性抵抗から求めた。4〜50℃の温度範囲で回転トルクの値にほとんど変化は見られなかった。これらの結果から、F1は、熱浴の温度変化によって反応サイクルの速度が100倍も変化するにも関わらず、サイクルあたり(1個のATP消費)の出力はほとんど変化しない熱機関であることがわかった。

F1-atpase (F1) and ATP駆 move the 転 molecule モ タ である である である. そ れ ぞ れ 3 つ ず つ の alpha, beta, サ ブ ユ ニ ッ ト が mutual い い spare に and ん で tubular の stator (alpha 3 beta 3 リ ン グ) を し, そ の center に son back to planning の gamma サ ブ ユ ニ ッ ト が deep stab く by き さ っ て い る. Beta の ATP active site で は, ATP の combination, hydrolytic decomposition and breakdown products (ADP と 燐 acid) の dissociation と い う chemical anti 応 が に go わ れ, そ の chemical anti 応 サ イ ク ル の Duan Jie に 応 じ た ダ イ ナ ミ ッ ク な beta の structure - が, gamma を へ back to a direction planning さ せ る と exam え ら れ て い る. Chemical エ ネ ル ギ ー を hydrolytic decomposition (ATP), sports エ ネ ル ギ ー へ と variations in す る engine masato と see do し の back planning speed, a molecular の F1 (エ ネ ル ギ ー variations in の speed) や back planning ト ル ク (movement エ ネ ル ギ ー の output) の temperature dependence を べ る こ と に よ っ て, thermodynamics of insight か ら, そ の エ ネ ル ギ ー variations in の blackstone group み へ Youdaoplaceholder0 understand を try みた. Hot bacteria (to the optimal temperature to 65 ℃) origin の F1 を い, appropriate な big き さ の mesh printing を gamma に pay け る こ と に よ っ て, そ の back planning movement を micro optical 顕 microscopically で 観 examine し た. New rules の の temperature system of royal device design, consummate と, 従 の レ ー ザ ー dark field illumination の improved に よ っ て suppression, try の temperature (4 ~ 65 ℃) と high speed of shadow (32000 colt in their second) の struck made が be presently さ れ た. Small さ な gold particles (40 nm in diameter) を mesh printing に す る と, planning the event の に water か ら by け る viscous resistance が ほ ぼ ignore で き, room temperature で は ~ 160 planning/SEC, 65 ℃ で は ~ 2000 back to the planning/SEC, 4 ℃ で は ~ 20 と planning/SEC, temperature に よ り ダ イ ナ ミ ッ ク に variations change す る matter が わ か っ た. When the temperature drops below に to 10℃, the <s:1> return 転 velocity <s:1> changes 顕 顕 significantly で, and the decrease in temperature に is accompanied by a <s:1> sudden change に and a decrease in た た. Back to planning ト ル ク は, gamma に 0.49 mu m の ビ ー ズ を pay け, そ の ビ ー ズ に 働 く viscous resistance か ら o め た. The <s:1> temperature range of 4 to 50℃ 囲で returns to 転ト 転ト <s:1> <s:1> <s:1> value にほとん <s:1> variation <e:1> can be found in られな られな った った. こ れ ら の results か ら, F1 は, hot bath temperature variations の に よ っ て anti 応 サ イ ク ル が の speed 100 times も variations change す る に も masato わ ら ず, サ イ ク ル あ た り (consumption) 1 の ATP の output は ほ と ん ど variations change し な い engine masato で あ る こ と が わ か っ た.

项目成果

Studies of γ Subunit-Truncated F1-ATPase

γ亚基截短的F1-ATP酶的研究

• 发表时间: 2007
• 作者: 小堀綾子;他;M.D. Hossain et al.
• 通讯作者: M.D. Hossain et al.

F1-ATPase with fused γ and β subunits

具有融合 γ 和 β 亚基的 F1-ATP 酶

• 发表时间: 2008
• 作者: 小柴琢己;川畑俊一郎;S. Furuike et al.;S. Furuike et al.;K. Adachi et al.;S. Furuike et al.;A. Kohori et al.
• 通讯作者: A. Kohori et al.

γ-β fusion mutantを用いたF1-ATPaseの回転におけるγサブユニットN末端の役割の解明

使用 γ-β 融合突变体阐明 γ 亚基 N 末端在 F1-ATPase 旋转中的作用

• 发表时间: 2007
• 作者: 小堀綾子;他
• 通讯作者: 他

Temperature Dependence of the Rotation and Hydrolysis Activites of F1-ATPase

F1-ATPase 旋转和水解活性的温度依赖性

• 发表时间: 2008
• 期刊: Biophysical Journal
• 影响因子: 3.4
• 作者: 小柴琢己;川畑俊一郎;S. Furuike et al.
• 通讯作者: S. Furuike et al.

Axle-less F1-ATPase rotates in the correct direction

• DOI: 10.1126/science.1151343
• 发表时间: 2008-02-15
• 期刊: SCIENCE
• 影响因子: 56.9
• 作者: Furuike, Shou;Hossain, Mohammad Delawar;Kinosita, Kazuhiko, Jr.
• 通讯作者: Kinosita, Kazuhiko, Jr.