「生命のエネルギー工場」を動かす仕組みをクライオ電子顕微鏡で解明!

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2025-10-18 京都産業大学

京都産業大学生命科学部の研究チームは、細胞の「エネルギー工場」であるミトコンドリアの主要酵素複合体「複合体I」の働きを、クライオ電子顕微鏡によって高精度に可視化した。複合体Iは栄養から得た電子を利用してATP合成を支える重要な装置だが、その構造変化の詳細は不明だった。研究では、電子伝達に伴う構造の“ねじれ運動”を原子レベルで解析し、電子移動とプロトン輸送がどのように連動するかを解明。さらに、ATP合成効率の調節機構に関わる新たな構造要素を特定した。成果は生体エネルギー変換の基本原理の理解を進め、ミトコンドリア疾患や老化関連研究にも応用が期待される。論文は『Nature Structural & Molecular Biology』誌に掲載。

「生命のエネルギー工場」を動かす仕組みをクライオ電子顕微鏡で解明!

図 1. (左)ATP 合成酵素の模式図。膜の片側のプロトン濃度が高いと、プロトン駆動力が発生し、固定子(ピンク)と回転子(緑)の間をプロトンが通過することで、回転子が固定子に対して回転する。(中)本研究で用いた実験系。リポソームに ATP 合成酵素とバクテリオロドプシンを同時に再構成する。光を当てることで、バクテリオロドプシンがリポソーム内部にプロトンを輸送する。内部のプロトン濃度が高まることで外側へのプロトン駆動力が発生する。(右)ATP 合成中の ATP 合成酵素の構造。プロトン駆動力が存在すると触媒部位に合成された ATP が確認できた。

<関連情報>

プロトン駆動力で ATP 合成している好熱菌由来 ATP 合成酵素の構造 Structures of rotary ATP synthase from Thermus thermophilus during proton powered ATP synthesis

Atsuki Nakano, Jun-ichi Kishikawa, Nishida Yui, Kyosuke Sugawara, […] , and Ken Yokoyama
Science Advances  Published:17 Oct 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adx8771

Abstract

ATP synthases are rotary molecular machines that use the proton motive force to rotate the central rotor complex relative to the surrounding stator apparatus, thereby coupling the ATP synthesis. We reconstituted the V/A-ATPase into liposomes and performed structural analysis using cryo-EM under conditions where the proton motive force was applied in the presence of ADP and Pi. ATP molecules were bound at two of the three catalytic sites of V/A-ATPase, confirming that the structure represents a state adopted during ATP synthesis. In this structure, the catalytic site closes upon binding of ADP and Pi through an induced fit mechanism. Multiple structures were obtained where the membrane-embedded rotor ring was in a different position relative to the stator. By comparing these structures, we found that torsion occurs in both the central rotor and the peripheral stator during 31° rotation of rotor ring. These structural snapshots of V/A-ATPase provide crucial insights into the mechanism of rotary catalysis of ATP synthesis.

生物化学工学
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