ATP 合酶：质子驱动的旋转马达

实验目的

理解化学渗透学说和 ATP 合酶的旋转催化机制，认识质子动力势与 ATP 合成的定量关系。

实验原理

人线粒体 ATP 合酶的 c 环有 8 个 c 亚基，每转一圈需要 8 个质子；F1 有 3 个 β 亚基，每转一圈合成 3 个 ATP（约 2.7 个 H⁺/ATP）。γ 亚基偏心转动，使三个 β 亚基依次处于松弛（结合 ADP+Pi）、紧密（合成 ATP）、开放（释放 ATP）构象，即 Boyer 的结合变构机制。质子动力势约 200 mV 时，转子扭矩约 40 pN·nm。

实验器材

• ATP 合酶原子级三维模型（Fo：c 环、a 亚基；F1：α₃β₃、γ、δ、ε）
• 线粒体内膜脂质双层剖面
• 膜间隙中的质子
• ADP、无机磷酸与 ATP 分子
• 质子动力势与基质 ATP/ADP 比调节滑杆

实验步骤

1. 观察 ATP 合酶在内膜上的位置，区分 Fo 与 F1 两部分
2. 跟踪质子从膜间隙经 a 亚基进入 c 环、再进入基质的路径
3. 观察 c 环与 γ 转轴一起旋转，外周柄和 α₃β₃ 保持不动
4. 观察三个 β 亚基的开合与 ATP 释放，数一圈产生几个 ATP
5. 调节质子动力势，记录转速、ATP 合成速率和扭矩的变化

实验现象与结论

质子流过时 c 环以 45° 一步旋转，每转一圈通过 8 个质子、释放 3 个 ATP。质子动力势 200 mV 时转速约每秒 80 圈、每秒合成约 250 个 ATP，能量利用率接近 90%。质子动力势越低转得越慢，低于约 176 mV 时马达反向转动、水解 ATP。

注意事项

• 本内容仅供教学演示，不能替代医生诊疗
• 模型按亚基的简化外形排布，并非蛋白质晶体结构坐标

常见问题

ATP 合酶每转一圈合成几个 ATP？

F1 有 3 个 β 亚基，每转一圈合成 3 个 ATP。人线粒体 c 环有 8 个亚基，所以每圈需要 8 个质子。

什么是结合变构机制？

γ 亚基转动使三个 β 亚基依次处于松弛、紧密、开放三种构象，分别结合底物、合成 ATP 和释放 ATP。