细胞依赖于称为ATP合成酶或ATP酶的蛋白质复合物来满足其能量需求。三磷酸腺苷(ATP)分子为维持生命的大部分过程提供动力。结构生物学家Leonid Sazanov教授和他位于奥地利Klosterneuburg的奥地利科学技术研究所(IST奥地利)的研究小组现已确定了V / A-ATPase家族代表的第一个原子结构，填补了这些必不可少的分子机器的进化树。使用最新的低温电子显微镜方法获得的这些结果揭示了涡轮机或水磨机类似的酶结构，并且现已发表在Science杂志上。

ATP合酶/ ATP酶是大膜蛋白复合物，其具有总体建筑计划和旋转催化机制。该蛋白质家族包括在线粒体(细胞的动力工厂)中发现的F型酶，叶绿体(在植物中进行光合作用的细胞器)和细菌; V(空泡)型存在于真核生物(具有细胞核的高等生物)和A(古细菌)类型的细胞内区室中，在原核生物 - 古细菌(古老的微生物)和一些细菌中发现。

F-和A-型酶通常起到产生ATP的作用，由质子流穿过膜驱动。V型酶通常反向工作，使用ATP泵送质子。V-和A-ATP酶在结构上相似，但它们与F-型不同，具有两个或三个外周茎和V1和Vo之间的另外的连接蛋白亚基。V型酶可能是从A型进化而来的，由于这些相似性，A型也被称为V / A-ATP酶。一些细菌，包括Thermus thermophilus，获得了A型酶。IST奥地利Sazanov研究小组的博士后龙周已经通过cryo-EM纯化和研究了这种酶(ThV1Vo)。与F型相反，对于V型ATP酶，仅预先确定了分离的V1和Vo结构域的结构。因此不知道V1如何与Vo耦合，并且缺乏关于完整催化循环的知识。

每个蛋白质亚基具有不同的颜色。V1域是顶部，Vo底部，左边和右边的外围杆。背景显示原始冷冻EM显微照片，可见单个ATP酶分子。图片来源：IST奥地利，2019年

可塑性和竞争力

科学家们使用最近在该技术所谓的“分辨率革命”中开发的冷冻电子显微镜方法，确定了整个ThV1Vo酶的五种结构，但总共有五种结构。该结构代表酶的几种构象状态，不同之处在于定子内转子的位置。ThV1Vo的全局构象可塑性显示为在从一种状态到另一种状态的过渡中空间中大量的V1摆动。这是弯曲的中心转子的旋转和定子的刚度之间的机械竞争的结果。V1-Vo耦合是通过轴与V型特定子单元之间的紧密结构和静电匹配实现的，将其连接到C形环。

为何更复杂?

而不是F型酶的单个外周茎，诸如ThV1Vo的A型具有两个外周茎，而真核V型具有三个。但是，已经非常大的蛋白质组装的额外复杂性以及连接V1和Vo的额外亚基的优势是什么?F1 / V1结构域具有三重对称性，因此在F1 / V1内定子的每120°旋转产生(或消耗)一个ATP分子。Leonid Sazanov教授说：“在V / A-ATP酶中，这一步是一次性120°旋转，与F-ATP合酶相反，它分为几个子步骤。因此，ThV1Vo可能需要更大的可塑性。为了将V1中的这120°步骤与Vo c12环中每c子单元的较小步骤相连接，这种额外的灵活性可以通过附加的外围杆和连接子单元在V型中提供。