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ATP 합성효소의 회전자는 얼마나 빨리 회전합니까?

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나는 정확한 주파수가 다양하다고 확신하지만 회전하는 중심 부분이 분당/초당 회전 수를 대략적으로 아는 사람이 있습니까?


"F1-ATPase의 밀리초 이하 운동 분석에 의한 별개의 회전 하위 단계의 분해"(Yasuda ., 자연, 2001), ATPase는 ATP로 포화될 때 초당 130회전으로 회전합니다.


다양한 ATP 농도에서의 회전 속도는 ≈30μM의 Km 및 a로 정의된 곡선을 따랐습니다. 초당 ≈350 회전의 V max (분당 21,000회전) 37°C.

매우 높은 ATPase 활성의 보고된 값 중 일부는 소 미토콘드리아 F1(≈310 rps)(37), 효모 미토콘드리아 F1(≈280 rps)(38) 및 E. coli FoF1(≈300 rps)(39)과 같은 빠른 회전을 예측할 수 있습니다. . 10 ≈ 100 rps에 해당하는 훨씬 낮은 ATPase 활성도 많은 논문에서 보고되었습니다. 그러나, 호열성 FoF1의 경우와 같이 벌크 용액에 있는 분자의 상당 부분이 ADP-Mg 억제 상태 또는 기타 비활성 상태에 있는 경우 작동 효소에 대한 실제 ATPase 활성이 더 높아야 하고 회전 속도가 훨씬 빠를 수 있습니다. 이러한 빠른 회전이 실제로 살아있는 세포에서 발생하는지 알아보는 것은 흥미롭습니다.

다음에서 발췌한 내용입니다.

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광합성에서 ATP 합성 효소

ATP 합성효소는 막횡단 효소복합체, ADP와 Pi의 응축을 통해 ATP 생성을 촉매합니다. 그것의 주요 역할은 높은 에너지를 생산하는 것입니다 ATP 분자. ATP 합성효소는 ATP의 형성을 가져온다. 광반응 광합성.

그 작동은 에서 생성된 양성자 기울기에 따라 다릅니다. 틸라코이드 루멘, 이는 양성자 분자가 식물 세포의 틸라코이드 막을 엽록체 기질로 내려가도록 도와줍니다. 세포 호흡 중 ATP 합성 과정은 양성자(H+) 농도의 차이에 의해 형성된 전기화학적 기울기와 동시에 쌍을 이룹니다.

원핵생물 ATP 합성효소는 원형질막, 진핵생물 ATP 합성효소는 내부 세포 소기관 (미토콘드리아 및 엽록체와 같은). 이 기사에서는 주로 구조, 구조 구성 요소의 개별 역할 및 ATP 합성 효소의 메커니즘에 중점을 둘 것입니다.

내용: 광합성에서 ATP 합성 효소


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ATP 합성효소: 분자 모터

ATP 합성효소는 미토콘드리아의 내막에 내장된 거대한 분자 복합체(>500,000 달톤)입니다. 그 기능은 농도 구배를 따라 이동하는 양성자(H + )의 에너지를 ATP 합성으로 변환하는 것입니다. 이 기계를 통해 이동하는 3~4개의 양성자는 ADP와 P 분자를 전환하기에 충분합니다.NS (무기 인산염) ATP 분자로. 하나의 ATP 합성효소 복합체는 매초 100개 이상의 ATP 분자를 생성할 수 있습니다.

ATP 합성효소는 두 부분으로 분리될 수 있습니다:

  • NS영형 - 미토콘드리아 내막에 묻혀 있는 부분 및
  • NS1- ATPase &mdash 미토콘드리아 기질로 돌출된 부분.

F 때1-ATPase는 시험관 내에서 분리되며 ATP가 ADP와 P로 가수분해되는 것을 촉매합니다.NS (그래서 F라고 부른다.1-ATPase). 그렇게 하는 동안 F의 중앙 부분은영형 줄기에 부착되어 시계 반대 방향(위에서 보았을 때)으로 빠르게 회전합니다.

온전한 미토콘드리아에서 막간 공간에 축적된 양성자는 F로 들어갑니다.영형 복잡하고 매트릭스로 빠져 나옵니다. 농도 구배 아래로 이동할 때 포기하는 에너지는 F를 회전합니다.영형 그리고 그 줄기(에

6000 rpm) 시계 방향으로. 그렇게 함으로써 ADP와 P를 전환할 수 있도록 하는 헤드 단백질의 구조적 변화를 반복적으로 유도합니다.NS ATP로. (그림에서 머리 단백질을 구성하는 3개의 이합체 중 2개를 옆으로 당겨 중앙에 삽입된 줄기가 드러났습니다.)

  • 시험관 내 경우 ATP의 가수분해 및
  • 온전한 미토콘드리아에서 농도 구배 아래로 양성자의 흐름

그러나 이 놀라운 장치는 역학적 에너지(모터 회전)를 화학 에너지로 변환하여 역으로 만들 수 있습니다.

나노 기계에 관심이 있는 일본 과학자 그룹이 F의 줄기에 자기 구슬을 부착하는 데 성공했습니다.1- 시험관 내에서 단리된 ATPase.

그런 다음 회전하는 자기장을 사용하여 줄기를 회전시킬 수 있었습니다. 시계 방향으로 회전하면 F1-ATPase는 ADP와 P로부터 ATP를 합성NS 초당 약 5 분자의 속도로 주변 매체에서 &mdash! (줄기를 반시계 방향으로 돌리거나 아예 돌리지 않을 때 ATP는 ADP와 P로 가수분해된다.NS.)

그들의 업적은 Itoh, H., ., 자연, 2004년 1월 29일.


ATP 합성효소의 회전자는 얼마나 빨리 회전합니까? - 생물학

ATP 합성 효소에 대한 이 FAQ(자주 묻는 질문) 목록은 독자가 생화학, 효소학 및 물리 화학에 대한 배경 지식을 가지고 있다는 가정 하에 작성되었습니다.
이것은 리뷰 기사가 아니며 참조나 크레딧이 없으며 각 정보의 기초가 되는 실험에 대한 자세한 설명이 없습니다. 세부 사항에 관심이 있으시면 저에게 이메일을 보내주십시오(feniouk [at] atpsynthase.info). 아래 질문에 대해 기꺼이 논의하겠습니다.
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정확한 이름

IUBMB 효소 명명법에 따르면 이 효소는 " ATP phosphohydrolase (H + -transporting) "라고 합니다. 그러나 "ATP synthase"라는 이름은 효소의 일차적 기능을 보다 명확하게 반영하여 오늘날 가장 널리 보급되어 있습니다.
과거에 일반적으로 사용되었던 다른 이름은 "H + -ATPase", 때로는 더 정확한 "F영형NS1 시간 + -ATPase". ATP 구동 양성자 펌프의 다른 많은 유형이 발견된 후 이 오래된 이름은 덜 사용됩니다.
ATP 합성효소에 사용된 다른 이름은 다음과 같습니다.

ATP 합성효소의 생리학적 역할

간단히 말해서 대부분의 유기체에서 ATP 합성효소의 주요 기능은 ATP 합성입니다. 따라서 이름. 그러나 어떤 경우에는 역반응, 즉 ATP 가수분해에 의해 구동되는 막횡단 양성자 펌핑이 더 중요합니다. 대표적인 예: 혐기성 박테리아는 발효에 의해 ATP를 생성하고 ATP 합성효소는 ATP를 사용하여 이온 수송 및 편모 운동에 필요한 양성자력을 생성합니다.
많은 박테리아는 발효와 호흡 또는 광합성을 통해 살 수 있습니다. 이러한 경우 ATP 합성효소는 두 가지 방식으로 기능합니다.
중요한 문제는 양성자력이 생성될 수 없는 조건(예: 누출 손상 막, 분리기 존재 등)에서 낭비적인 ATP 가수분해를 피하기 위해 ATP 합성 효소의 ATP 구동 양성자 펌핑 활성을 제어하는 ​​것입니다. 이러한 경우 ATP 가수분해는 세포 내 ATP 풀을 빠르게 배출할 수 있기 때문에 문제가 됩니다. 이러한 상황을 피하기 위해 모든 ATP 합성효소에는 양성자력이 없는 경우 ATPase 활성을 억제하는 조절 메커니즘이 장착되어 있습니다. ATP 가수분해 억제 정도는 유기체에 따라 다릅니다. 밤새 ATP 풀을 보존해야 하는 식물(엽록체)에서는 억제가 매우 강력합니다. 효소는 ATPase 활성이 거의 없습니다. 대조적으로, ATP 합성효소가 양성자력의 주요 생성자인 혐기성 세균에서는 그러한 억제가 매우 약하다. 미토콘드리아 ATP 합성효소는 그 중간 어딘가에 있습니다.

F-, A-, V-, P- 및 E-ATPase의 차이점

  • "F형 ATPase"는 ATP 합성효소 문자 "F"의 다른 이름일 뿐이며 "인산화 F 액터"에서 유래합니다. F-ATPase는 박테리아, 미토콘드리아 및 엽록체에 존재합니다. 대부분의 경우 이들의 주요 기능은 막횡단 전기화학적 양성자 전위차를 희생시키면서 ATP 합성입니다. 그러나 일부 박테리아에서는 효소의 주요 기능이 역전되어 ATP를 가수분해하여 이 전위차를 생성합니다. 시험관 내 F형 ATPase는 실험 조건에 따라 양방향으로 작동할 수 있습니다.
    소수의 Na + -박테리아 F형 ATPase도 발견됩니다.
  • A형 ATPase는 A rchaea에서 발견되었으며 기능은 F형 ATP 합성효소와 유사하지만 구조적으로는 V형 ATPase와 매우 유사합니다(아래 참조).

F-, A- 및 V-형 ATPase는 전체 구조 측면에서 유사한 다중 소단위 복합체이며 대부분 동일한 핵심 촉매 메커니즘을 가지고 있습니다. 이들은 ATP 가수분해(또는 A- 및 F-ATPases의 합성)와 함께 나머지 효소에 대한 특정 소단위 복합체의 회전에 의해 달성되는 막횡단 양성자(또는 일부 F-ATPase의 경우 Na +) 수송을 연결합니다.
이들의 공통적인 특징은 "버섯" 모양, 알파의 6량체 친수성 촉매 도메인입니다. 3 베타 3 - 내부에 감마 소단위가 있는 입력. 이러한 효소에 의해 수행되는 촉매 작용에는 인산화된 효소 중간체가 포함되지 않습니다.
이들 효소의 양성자 전위 부분은 고리 모양의 소단위 올리고머(F형 ATPase의 경우 c-소단위 올리고머)로 구성되어 있습니다. 각 소단위는 대략 두 번째 막횡단 나선의 중간에 매우 중요한 카르복실기를 가지고 있습니다. 이 카르복실기는 양성자 전위에 직접 관여합니다.

P형 ATPase는 상당히 다른 이온 전위 ATP 구동 펌프 제품군입니다. 그들 대부분은 또한 하나의 큰 f가 ATP 가수분해와 이온 펌핑을 모두 수행하는 다중 소단위 막 단백질입니다. P형 ATPase에는 여러 가지 다른 하위군이 있으며 일반적으로 이들이 운반하는 이온에 따라 분류됩니다. H + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Ag + 및 Ag 2+ , Zn 2+ , Co 2+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Cu + 및 Cu 2+ 펌핑 P-ATPase가 설명되어 있습니다.
촉매 주기의 특정 단계에서 P-ATPase에 의한 ATP 가수분해 동안 인산염은 효소의 Asp 잔기 중 하나로 옮겨집니다. P형 ATPase의 회전 촉매 작용에 대한 증거(구조적 또는 기능적)가 없습니다. 이러한 효소의 전형적인 예는 효모 원형질막 H + ATPase, K + /Na + 막 ATPase, Ca 2+ 막 ATPase이다.

1) Pedersen, P. L. 및 Carafoli, E. (1987) Ion Motive ATPases. I. 편재성, 속성 및 세포 기능에 대한 중요성. 트렌드 바이오켐. 과학. 4: 146-150.
2) P형 ATPase 데이터베이스 (Kristian B. Alexsen, Swiss Institute of Bioinformatics)
3) Kawasaki-Nishi S, Nishi T, Forgac M. (2003) V-ATPase에서 ATP 가수분해에 의해 구동되는 양성자 전위.
FEBS 렛. 545(1): 76-85.
4) Perzov N, Padler-Karavani V, Nelson H, Nelson N. (2001) F-ATPase와 구별되는 V-ATPase의 특징. FEBS 렛. 504(3): 223-8.

ATP 합성효소의 구조와 소단위 구성

ATP 합성효소는 버섯 모양의 큰 비대칭 단백질 복합체입니다. 가장 단순한 박테리아 효소(아래 만화 참조)는 8개의 서브유닛 유형으로 구성되며, 그 중 5개는 촉매 친수성 F를 형성합니다.1-부분(버섯의 "뚜껑"). 이 소단위체는 분자량에 따라 그리스 문자(알파, 베타, 감마, 델타 및 엡실론)로 명명됩니다. 양성자 전위 F영형 부분은 a , b 및 c 라는 3가지 유형의 하위 단위로 구성됩니다.


ATP 합성효소(F1) 알파에 의해 형성 3 베타 3 내부에 감마 소단위가 있고 감마에 부착된 엡실론이 있는 6량체. 서브유닛 델타는 6량체의 "상단" 및 서브유닛 b에 결합됩니다. 소단위 b의 소수성 막횡단 부분은 소단위 a와 접촉하고 있습니다. 촉매 도메인의 Subunits Gamma 및 Epsilon은 c-subunits의 고리 모양 올리고머에 결합됩니다. 양성자 전위는 소단위 a와 c의 경계면에서 일어난다.

소단위의 화학량론은 다음과 같습니다.

NS1
NS영형
알파
3
NS
1
베타
3 NS
2
감마
1

10-15(?)
델타
1


엡실론
1


엽록체 ATP 합성효소와 일부 광합성 박테리아의 효소는 유사하지만 양성자 전위 F에서 2개의 다른 b형 소단위를 가지고 있습니다.영형 p ortion, 즉 b 와 b' , 각각 하나씩.
다른 박테리아와 엽록체의 ATP 합성효소 소단위체 대부분에서 높은 상동성이 발견됩니다.

미토콘드리아 효소는 훨씬 더 복잡한 17가지 다른 유형의 소단위체가 현재 설명되어 있습니다. 이들 소단위 중 일부는 박테리아 및 엽록체 대응물, 특히 F에서 소단위 알파, 베타 및 감마와 높은 상동성을 갖는다.1 F의 부분 및 소단위 a 및 c영형 부분. 많은 소단위는 미토콘드리아 효소에 대해 고유합니다(자세한 내용은 소단위 명명 표 참조). 그러나 효소의 촉매 및 양성자 전위 "핵심"은 여전히 ​​박테리아 및 엽록체 ATP 합성효소의 것과 매우 상동적입니다. 효소의 전체 토폴로지도 상당히 유사합니다.

촉매 반응

ATP 합성효소는 막관통 양성자 전달과 연결된 ATP 합성/가수분해를 촉매합니다. 합성의 경우 에너지 입력은 F를 통한 양성자 플럭스에서 나옵니다.영형 내리막길 막횡단 전기화학적 양성자 전위차(). 가수분해의 경우 효소는 ATP 구동 양성자 펌프로 기능하고 .
촉매 반응의 방정식은 다음과 같습니다.

ADP 3- + 파이 2- + NH + P <=> ATP 4- + H 2 O + (n-1)H + N ( pH > 7.2 )

"P" 및 "N" 지수는 커플링 멤브레인의 양으로 하전된 면과 음으로 하전된 n 면을 나타냅니다.
pH 값이 중요합니다. Pi 2- + H + <=> P에 대한 pK 값 NS -는 7.2인 반면 ADP 및 ATP의 인산염에 대한 상응하는 pK 값은 6.9에 가깝습니다.
이것은 6.9-7.2의 pH 간격에서 우세한 반응이 양성자의 포획을 포함하지 않는다는 것을 의미합니다.

ADP 3- + 파이 - + NH + P <=> ATP 4- + H 2 O + NH + N ( pH 6.9-7.2 )

그러나 pH = 6.9 미만에서는 일반적인 반응에 다시 양성자 트래핑이 수반됩니다.

ADP 2- + 파이 - + NH + P <=> ATP 3- + H 2 O + (n-1)H + N ( pH < 6.9 )

ATP 합성/가수분해의 열역학

전통적으로 ATP 합성/가수분해의 열역학은 가수분해 반응에 대해 설명됩니다.

ATP 4- + H 2 O <=> ADP 3- + 파이 2- + H + ( pH > 7.2 )

"Physical Chemistry"(P.W.Atkins, 2nd edition)는 "생물학적" 표준 Gibbs 자유 에너지 변화( 영형 &심각한) 이 반응에 대해. 이것은 -28에서 -36 kJ mol -1의 수치가 문헌에서 찾을 수 있기 때문에 합리적인 추정치이며 가장 인기 있는 것은 -30.6 kJ mol -1(-7.3 kcal/mol)입니다.
표준 깁스 자유 에너지 변화, o는 모든 반응물의 화학 활성이 1일 때 표준 조건에서 화학 반응 중에 소모되거나 방출되는 에너지의 총량입니다. 수용액에서의 반응의 경우 활성은 일반적으로 농도( 즉 1 M) 물 자체의 활동은 1로 간주됩니다. "생물학적" 표준 Gibbs 자유 에너지 변화, 영형 &심각한, 유사한 매개변수이지만 pH 7에서 정의됩니다. 즉, H +의 농도는 1M이 아니라 10-7M입니다. 대부분의 생물학적 반응이 생리학적 pH에서 일어나기 때문에 더 실용적이고 편리합니다.

매우 중요하지만 때때로 무시되는 점은 o &심각한 셀의 조건이 표준이 아니기 때문에 셀에서 다른 흡열 반응을 유도하는 데 사용할 수 있는 에너지의 양이 아닙니다(위의 정의 참조). 실제 깁스 에너지 변화는

/>= />오 ' + 2.3 RT 로그 [ADPNS NS (씨 시간 + / 10 -7 ) / C ATP ],

여기서 C ADP, 씨피NS, CH + , 및 C ATP 는 해당 반응물의 실제 농도이며, NS 는 몰 기체 상수(8.314 J mol -1 K -1 )이고, NS 켈빈 온도입니다. 이 점을 명확히 하기 위해 실제 세포 내 농도에 가까운 임의의 값으로 다음 예를 살펴보겠습니다.

ATP 2 x 10 -3 M -1
ADP 2 x 10 -4 M -1
NS NS 10 -2 남 -1
시간 + 5 x 10 -8 M -1(pH 약 7.3)

이러한 조건(온도 310 o K 또는 37 o C)에서 Gibbs 에너지 변화는 다음과 같습니다.

/>= />오 ' + 2.3 RT 로그 ( C ADPNS NS시간 + / 씨 ATP ) = -30 - 19.6 = - 49.6kJ mol -1

반응 성분의 실제 농도에서 계산된 이 수치는 주어진 조건에서 ATP 가수분해와 결합된 다른 프로세스의 원동력으로 사용할 수 있는 에너지를 반영합니다.
동일한 49.6 kJ mol -1이 높은 ATP/ADP 비율을 유지하기 위해 멤브레인을 가로질러 전기화학적 구배 아래로 양성자 수송에 의해 제공되어야만 합니다. 합성된 각 ATP 분자당 3개의 양성자가 수송된다고 가정하면 49.6/3 = 16.5kJ mol -1(즉, 171mV의 protonmotive force)의 막횡단 H + 전기화학적 구배가 필요합니다.

위 예제의 결론은 다음과 같습니다.
ATP 가수분해에 의해 제공되는 에너지는 고정되어 있지 않습니다(ATP 합성에 필요한 에너지 뿐만 아니라). 첫 번째 근사치에서는 ADP, ATP, P의 농도에 따라 달라집니다.NS 그리고 pH에. 이 에너지는 ADP와 P가 감소하면 대수적으로 증가합니다.NS 농도 및 ATP 또는 H + 농도 증가 시(= pH 증가에 따라 선형으로 감소). 아래 그래프는 이 점을 보여주며, 다른 반응물의 농도가 위의 예에서 사용된 값에서 일정하게 유지된다고 가정할 때 한 반응물의 농도( x축)의 변화에 ​​따른 변화를 보여줍니다(빨간색 점은 / >이 예에서 계산됨).

이 섹션을 마무리하기 위해, 여기에 설명된 ATP 합성의 열역학이 다소 복잡해 보일 수 있지만 실제로는 훨씬 더 복잡하다는 점에 주목하고 싶습니다. 여기서 간과된 한 가지 점은 서로 다른 ADP 및 ATP 양성자화 상태(위 참조)이고, 다른 하나는 ATP 합성효소에 의해 촉매되는 반응의 실제 기질이 순수한 뉴클레오티드가 아니라 마그네슘 복합체라는 것입니다. 그러나 살아있는 세포의 마그네슘 농도는 비교적 높고 pH는 일반적으로 7.2 이상이므로 주어진 설명은 열역학적 추정에 여전히 적용 가능합니다.

ATP 합성효소에 의해 촉매되는 ATP 합성의 원동력.

ATP 합성효소에 의해 촉매되는 ATP 합성은 두 가지 구성요소, 즉 화학적 구성요소와 전기적 구성요소로 구성된 막횡단 전기화학적 양성자 전위차에 의해 구동됩니다. 멤브레인의 한쪽 면에 다른 쪽에 비해 양성자가 많을수록 양성자가 멤브레인을 통과하는 추진력이 높아집니다. 양성자는 하전된 입자이기 때문에 그 움직임도 전기장의 영향을 받습니다. 막횡단 전위차는 양성자를 양전하를 띤 쪽에서 음으로 하전된 쪽으로 이동시킵니다.

물레방아는 좋은 비유입니다. 댐 전과 후의 수위 차이는 잠재적 에너지를 제공합니다. 내리막 물의 흐름은 바퀴를 회전합니다. 회전은 일부 작업을 수행하는 데 사용됩니다(이 경우 ATP 합성).

정량적으로 몰당 줄(J mol -1 )로 측정되며 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 "P" 및 "N" 지수는 결합막의 양으로 하전된 면과 음으로 하전된 n 면을 나타냅니다. NS 는 패러데이 상수(96 485 C mol -1 ) NS 는 몰 기체 상수(8.314 J mol -1 K -1 ), NS 는 켈빈 단위의 온도이고 는 볼트 단위의 막횡단 전위차입니다. 의 값은 막을 가로질러 1몰의 양성자를 이동시키는 데 필요한 에너지(또는 막횡단 양성자 흐름의 방향에 따라 방출되는)의 양을 나타냅니다.
not 을 사용하는 것이 더 편리하지만 protonmotive force( pmf ):

실온(25oC)에서 양성자력(밀리볼트 및 )은 다음과 같습니다.

막횡단 pH 차이가 없는 경우 pmf는 막횡단 전위차와 같으며 여러 실험 기술(즉, 투과 이온 분포, 전위에 민감한 염료, 전기변색 카로티노이드 밴드이동 등)으로 직접 측정할 수 있습니다. 막횡단 pH 구배의 각 pH 단위는 pmf의 59mV에 해당합니다.
ATP 합성에 관여하는 대부분의 생물학적 막의 경우 pmf 값은 120 ~ 200mV(11.6 ~ 19.3kJ mol -1 )입니다.

회전 촉매

  1. protonmotive force에 의해 구동되어 proton은 F를 통해 전달됩니다.영형 효소의 일부. 이 전달은 a 및 b 소단위에 상대적인 c -소단위 올리고머 링의 회전을 유도합니다(자세한 내용은 여기 참조).
  2. 회전은 c-소단위 올리고머 고리에 결합된 감마 및 엡실론 소단위로 전달됩니다. 비대칭 감마 소단위의 회전은 알파의 구조적 변화를 기계적으로 유발합니다. 3 베타 3 - 육량체. 감마 소단위 회전의 각 120도는 알파-베타 인터페이스에 위치한 3개의 촉매 부위 중 하나를 열린 형태로 강제합니다. 새로 합성된 ATP 분자가 방출되고 대신 인산염과 ADP가 결합됩니다. 인산염에 대한 열린 부위의 높은 친화력은 ATP의 재결합을 손상시키고 ADP 결합을 선호합니다.
  3. 회전이 더 진행되면 감마 소단위가 120도 더 회전하여 다음 부위가 열린 형태로 바뀌고 이전에 열린 부위에 결합된 ADP와 인산염이 차단되고 ATP 합성이 일어납니다. 형성된 ATP 분자는 감마 소단위체가 360도 회전하고 다시 한 번 부위를 열 때 방출됩니다.

ATP 합성효소 억제제

ATP 합성효소 활성은 여러 화합물(유기 및 무기 모두)에 의해 특이적으로 억제됩니다. 이러한 억제제의 대부분은 매우 독성이 있으므로 작업할 때 세심한 주의와 적절한 안전 예방 조치가 필수적입니다(우리의 ATP 합성 효소가 차단될 때 불행해지는 것은 그리 놀라운 일이 아닙니다!). 대부분의 억제제는 proton-translocating F에 특이적입니다.영형-일부, 또는 친수성 F1-부분이므로 이에 따라 아래 섹션을 나눕니다.

F의 억제제영형

올리고마이신

올리고마이신은 "F"라는 이름을 부여한 억제제입니다.영형" ATP 합성효소의 막에 포함된 부분. F의 아래 첨자 "O"영형(0이 아닙니다!) 영형이 소수성 인산화의 ligomycin 감도 NS미토콘드리아의 배우.
올리고마이신은 소단위체의 경계면에 결합합니다. NS 그리고 -고리 올리고머 및 F의 회전 양성자 전위 차단영형. 효소가 잘 결합되면 F의 활성1 도 차단됩니다. 후자의 현상 때문에 미토콘드리아 F의 소단위1-F를 연결하는 부분1 F와 함께영형 올리고마이신 감수성 부여 단백질(OSCP)로 명명되었습니다. 이 소단위는 F 사이의 좋은 결합에 필수적입니다.1 그리고 에프영형 그리고 F의 ATPase 활성을 만든다1 F에 민감한영형 억제제 올리고마이신, 따라서 이름.
올리고마이신은 미토콘드리아 ATP 합성효소에 특이적이며 마이크로몰 농도에서 F를 통한 양성자 수송을 효과적으로 차단합니다영형. 이 억제제는 또한 미토콘드리아 ATP 합성효소와 높은 유사성을 나타내는 일부 박테리아 효소에서 작용합니다. 보라색 세균의 효소 로도박터 캡슐라투스. 그러나 엽록체와 대부분의 박테리아(포함 대장균) 올리고마이신에 대한 민감도가 낮습니다.
또한 고농도의 올리고마이신도 미토콘드리아 F의 활성에 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다.1.

DCCD(DCC로도 알려진 디시클로헥실카르보디이미드의 약어, N,N'-디시클로헥실카르보디이미드, 비스(시클로헥실)카르보디이미드 및 1,3-디시클로헥실카르보디이미드)는 양성자화된 카르복실기를 공유적으로 수정할 수 있는 작은 유기 분자입니다. 8 이상의 pH에서 ATP 합성효소에 첨가되면 DCCD는 거의 독점적으로 소단위체의 보존된 산성 아미노산 잔기의 카르복실기와 반응합니다. (그래서 서브 유닛 때때로 "DCCD 결합 단백질"이라고도 함). 이는 pK가 높아서 높은 pH에서 양성자화될 수 있습니다. 단일에서 카르복실기의 변형 - 서브유닛은 전체를 렌더링하기에 충분합니다. -고리 올리고머 비활성. DCCD가 공유 결합하기 때문에 -소단위체, 이 억제는 되돌릴 수 없습니다.
소단위체에서 보존된 아미노산 잔기의 카르복실기 -소단위체는 지금까지 알려진 모든 ATP 합성효소에 존재한다. 따라서 DCCD는 F를 할 수 있는 보편적인 억제제입니다.영형 박테리아, 미토콘드리아 및 엽록체 효소에서 기능합니다. 또한, V형 및 A형 양성자 수송 ATPase도 같은 이유로 DCCD에 민감합니다. 나트륨 수송 ATP 합성효소도 DCCD에 의해 효과적으로 억제됩니다.
낮은 pH에서(

벤투리시딘

마크로라이드 항생제 벤투리시딘(Aabomycin으로도 알려짐)은 스트렙토마이세스 sp. 원래 항진균제로 설명되었습니다. 나중에 벤투리시딘이 F를 통한 양성자 전위를 특이적으로 차단하는 ATP 합성효소의 강력한 억제제라는 것이 밝혀졌습니다.영형. 올리고마이신과 마찬가지로 소단위체의 경계면에 결합합니다. NS 그리고 -고리 올리고머. 그러나 벤투리시딘의 특이성은 미토콘드리아 ATP 합성효소에 국한되지 않고 세균과 엽록체 효소를 효과적으로 억제한다. Na + -전위 ATP 합성효소도 벤투리시딘으로 강력하게 억제됩니다.
F 사이의 커플링 경우영형 그리고 에프1 좋은 벤투리시딘은 또한 F의 활동을 차단합니다1. 따라서 이 억제제는 커플링 효율의 빠른 테스트를 위한 좋은 선택입니다. DCCD에 비해 중요한 이점은 빠른 효과와 사용 용이성입니다. 벤투리시딘은 DCCD와 달리 억제력의 손실 없이 농축된 원액으로 장기간 보관할 수 있습니다.
F의 친화력영형 벤투리시딘에 대한 수치가 매우 높습니다. 에 로도박터 캡슐라투스 ATP 합성효소 반-최대 억제는 2-5nM 벤투리시딘 농도에서 관찰되었습니다.

F의 억제제1

아지드

Azide는 ATP 합성 효소의 ATPase 활성을 선택적으로 억제하여 ATP 합성 활성에 영향을 미치지 않습니다. 그것은 미토콘드리아 F에서 입증됩니다.1 azide는 촉매 부위에서 MgADP(베타-인산염과 상호작용)와 함께 결합하고 아마도 이 부위에서 ADP가 방출되는 것을 방지합니다. 그러나 충분히 높은 압력에 의해 강제된 서브유닛 감마의 회전 오후 또는 외력에 의해 폐쇄된 ADP를 촉매 부위에서 추방하여 효소를 활성 ATP 합성으로 가져올 수 있습니다.

텐톡신

텐톡신은 진균에 의해 생성되는 식물독소입니다. 알터나리아 종. 그것은 박테리아 및 미토콘드리아 효소에 영향을 미치지 않는 일부 엽록체 ATP 합성 효소의 ATPase 활성을 구체적으로 억제합니다. 더욱이, 일부 엽록체 ATP 합성효소는 또한 10독소 내성을 갖는다.
텐톡신은 F의 N-말단 베타 배럴 크라운에 가까운 알파 및 베타 서브유닛 사이의 틈에 결합합니다.1. 낮은 농도(약 1-10uM)에서 텐톡신은 ATP 가수분해를 억제하는 반면, 더 높은 농도에서는 억제가 완화됩니다. 텐톡신의 결합 부위는 엽록체 F의 X-선 분석에 의해 결정되었습니다.1 억제제의 존재하에 결정화된다.

에프라펩틴

Efrapeptin(A 23871 또는 A23871로도 알려짐)은 F 내부에 결합할 수 있는 작은 펩타이드 항생제 그룹의 일반적인 이름입니다.1 높은 친화력으로 ATP 합성과 가수분해를 모두 억제합니다. efrapeptin의 결합 부위는 소 미토콘드리아 F의 X-선 분석에 의해 결정되었습니다.1 억제제의 존재하에 결정화된다. efrapeptin은 F 내부의 subunit Gamma를 고정시킬 가능성이 있습니다.1 이 서브유닛의 회전을 차단합니다.
에프라펩틴은 미토콘드리아 ATP 합성효소와 일부 세균 효소에 대한 강력한 억제제입니다. 억제 효과는 보라색 세균의 크로마토포어에서 처음 발견되었습니다. 로도스피릴룸 루브룸. 엽록체 ATP 합성효소는 에프라펩틴에 약간만 민감합니다.

플루오로알루미네이트(AlF4)

Fluoro-aluminate 기반 억제제는 ATP 감마-인산염의 전이 상태를 모방합니다. 그들은 촉매 부위에서 ADP와 함께 결합하고 아마도 ATP 가수분해/합성의 중간 단계를 반영하는 형태로 효소를 동결시킵니다.

양성자/ATP 비율

미토콘드리아에 대한 초기 실험에서 ATP 합성에 대한 H + /ATP 비율은 3으로 추정되었습니다. 그러나 엽록체 효소의 경우 4라는 숫자가 더 가능성이 있는 것으로 나타났습니다. 열역학적 고려에서 3개 미만의 pro ATP는 거의 실현 가능하지 않습니다. 생리학적 조건에서 ATP 합성에 필요한 에너지가 약 50kJ mol -1이기 때문입니다(

520 meV), 따라서 120-200 mV 범위의 생리적 protonmotive force 값에서 필요한 에너지를 얻으려면 최소한 3개의 proton이 전달되어야 합니다.

이 비율이 정수여야 한다는 설득력 있는 증거나 주장은 없습니다.

이 비율은 F의 c-subunits 수에 따라 달라질 것으로 예상됩니다.영형: 효소에는 3개의 촉매 부위가 있고,
ATP 합성이 회전 메커니즘에 의해 구동될 가능성이 가장 높으며,

H + /ATP = (c -서브유닛의 수) / 3

그러나 여기서 문제는 실험적으로 결정된 서로 다른 유기체의 ATP 합성효소에서 c-소단위체의 수가 10, 11, 14, 15라는 점으로, 이는 각각 3.33, 3.67, 4.67, 5의 비율을 나타냅니다. c-서브유닛 화학량론이 세포의 상황에 따라 달라질 수도 있습니다.

ATP 합성효소 위치

ATP 합성효소는 박테리아, 미토콘드리아 및 엽록체에서 발견됩니다. 박테리아에서는 부피가 큰 친수성 촉매 F가 있는 세포막에 위치합니다.1 세포질에 달라붙는 부분. 박테리아는 ATP가 외부가 아니라 세포 내부에서 합성되어야 하기 때문에 방향을 기억하기가 매우 쉽습니다. 양성자의 흐름으로 인해 양성자는 항상 ATP와 함께 이동한다고 생각하는 것이 도움이 됩니다. ATP 합성 중에 그들은 박테리아 세포에 들어가고(내부에 더 많은 ATP, 더 많은 양성자가 내부에 있음) ATP 가수분해 동안 그들은 떠나게 됩니다. 세포와 외부 매체로 이동합니다(내부 ATP, 내부 양성자 감소).
미토콘드리아에서 ATP 합성효소는 내막에 위치하며 친수성 촉매 F1 부분이 매트릭스에 달라붙고 있습니다. 어떤 면에서 미토콘드리아는 진핵 세포에 의해 삼켜지는 박테리아입니다. 그러면 미토콘드리아 내부 막은 박테리아 세포막에 해당합니다.
엽록체에서 효소는 틸라코이드 막 F에 있습니다.1 부분이 기질에 붙어 있습니다.


효소의 촉매자리는 몇 개입니까?

ATP 합성효소는 얼마나 빠릅니까?

단순함을 위해 더 "생화학적"이지만 "단백질 mg당 분당 ATP 마이크로몰"의 이해하기 어려운 값은 제쳐두고 1초에 하나의 ATP 합성효소에 의해 합성(또는 가수분해)되는 ATP 분자의 수에 대해 논의하겠습니다.
ATP 합성을 위한 박테리아, 미토콘드리아 및 엽록체 효소에 대해 100초 -1 이상의 최대 속도가 보고되었습니다. ATP 가수분해 속도는 작은 막 소포(가장 일반적으로 사용되는 실험 시스템)에서 결합된 효소가 배압으로 작용하고 가수분해를 멈추게 하는 비교적 높은 양성자력을 빠르게 생성하기 때문에 덜 명확한 문제입니다. 100초-1 이상의 비결합 또는 가용화 효소 속도도 보고되었습니다.
살아있는 세포에서 효소는 아마도 가능한 최대 속도 이하로 작동하여 초당 수십 개의 ATP 분자를 생성할 것입니다.

1) C. Etzold, G. Deckers-Hebestreit 및 K. Altendorf. (1997) 대장균 F의 회전율 영형 NS 1 - 막 소포에서 ATP 합성을 위한 ATP 합성효소. Eur.J.Biochem. 243(1-2):336-343.
2) R. L. Cross, C. Grubmeyer 및 H. S. Penefsky. (1982) 쇠고기 심장 미토콘드리아 ATPase에 의한 ATP 가수분해 메커니즘. 여러 촉매 사이트 간의 협력 상호 작용으로 인한 속도 향상. J.Biol.Chem. 257:12101-12105.
3) U. Junesch 및 P. Gräber. (1985) 정상 및 디티오트레이톨로 변형된 엽록체에서 델타 pH의 함수로서의 ATP 합성 속도. Biochim.Biophys.Acta 809:429-434.

F를 통한 양성자 전위영형

ATP 합성효소의 Fo 부분은 종종 "양성자(ic) 채널"이라고 하지만 채널이 아닙니다. 이는 "실제" 양성자 채널(예: 그라미시딘, 인플루엔자 바이러스의 M2 등)과 크게 다릅니다. 가장 중요한 차이점은 전도 상태에 있을 때 막 채널은 양성자 전위를 위한 구조적 변화를 필요로 하지 않는 반면 F영형 ATP 합성효소의 일부가 수행합니다. 전송 속도도 채널에 대해 너무 느립니다. 100mV의 전압에서 교과서는 이온 채널에 대해 초당 약 10 6 이온의 속도를 제공하며, 이는 F에 대해 보고된 최대 해당 값보다 100배 이상 높습니다.영형 부분. 따라서 후자는 양성자 수송기의 전형적인 예입니다(펌프로 작동할 수 있는 능력은 그것을 더욱 확인시켜 줍니다. 어떤 채널도 그렇게 할 수 없습니다).
그러나 "양성자 채널"이라는 용어는 양성자 전위에 관여하는 막 단백질의 특정 영역(예: 사이토크롬 산화효소의 양성자 채널 또는 박테리오로돕신의 양성자 진입 채널)에 자주 사용됩니다. 그들은 전체 막을 통과하지 않기 때문에 때때로 "양성자 반쪽 채널"이라고 불립니다.
ATP 합성효소의 proton-translocating region은 subunit a와 c-subunit oligomer에 의해 형성된다. 양성자 전위에 결정적으로 중요한 두 개의 특정 아미노산 잔기가 있습니다. 첫 번째는 소단위 c의 두 번째 막횡단 알파나선의 중간에 있는 산성 잔기(일부 유기체에서는 주로 Glu, 일부 유기체에서는 Asp)입니다. 두 번째는 마지막에 있는 Arg이지만 서브유닛 a의 막횡단 나선은 하나입니다. 이 두 잔기의 거의 모든 돌연변이는 활성의 완전한 손실을 초래합니다. 몇몇 다른 중요한 친수성 아미노산 잔기는 서브유닛 a에 위치하지만, 이들의 치환은 활성의 부분적 손실만을 초래한다.
ATP 합성효소를 통한 양성자 수송의 현재 선호되는 가설은 확률적 회전 메커니즘을 기반으로 합니다. c-소단위체의 보존된 산성 잔기는 소수성 지질 이중층에 전하를 노출시키는 것이 에너지적으로 바람직하지 않기 때문에 c 소단위체와 c 소단위체 사이의 단백질-단백질 계면에 직면할 때만 탈양성자화(즉, 음전하)될 수 있다고 추정됩니다.
양성자는 하나의 반채널을 통해 들어가고, c-서브유닛 보존 Glu(또는 Asp)의 양성자화되지 않은 음으로 하전된 카르복실기에 결합합니다. 후자는 전기적으로 중성이 되어 이제 소수성 지질 단계에 들어갈 수 있습니다. 그렇게 되자 마자, 양성자화된 Glu(Asp)가 있는 또 다른 c-서브유닛이 지질 단계에서 반대쪽에서 단백질-단백질 인터페이스 영역으로 들어오고 다른 반쪽 채널을 통해 양성자를 방출합니다. 이제 음전하를 띠면 뒤로 돌아갈 수 없지만 한 위치 앞으로 이동하여 첫 번째 절반 채널에서 다른 양성자를 받아들일 수 있습니다. 주기가 완료됩니다. 위의 메커니즘을 설명하는 애니메이션 만화를 보려면 여기를 클릭하거나 Junge 교수의 웹 페이지에서 훨씬 더 멋진(따라서 훨씬 더 큰) 영화를 다운로드하십시오!

베타 DELSEED 시퀀스는 무엇입니까?

베타 DELSEED 영역은 -Asp-Glu-Leu-Ser-Glu-Glu-Asp-의 아미노산 서열을 갖는 베타 서브유닛의 일부입니다(따라서 이름: 단일 문자 아미노산 코드에서 DELSEED임). 이 단편은 모든 ATP 합성효소에서 고도로 보존되어 있습니다. 그러나 그 역할은 완전히 명확하지 않습니다. 호열성 세균의 ATP 합성효소에서 새균 PS3 이 영역은 Alpha3-Beta3 복합체에서 ATP 가수분해나 ATP에 의한 감마 소단위 회전에 필수적이지 않지만 소단위 엡실론의 억제 작용에 역할을 한다는 것이 입증되었습니다. 에 있을 가능성이 높습니다. 새균 PS3는 음으로 하전된 Asp 및 Glu 잔기가 Epsilon의 C-말단 도메인에서 양으로 하전된 Lys 및 Arg와 상호작용하여 가수분해를 차단합니다.
동일한 메커니즘이 다른 박테리아의 ATP 합성효소와 엽록체 효소에서 작동할 가능성이 있습니다. 미토콘드리아 ATP 합성효소에서 그러한 메커니즘은 가능성이 낮습니다. 왜냐하면 서브유닛 델타(세균 엡실론의 미토콘드리아 동족체)는 C-말단 도메인에 중요한 양전하가 없기 때문입니다.


내용물

더 에프1 분수는 "분수 1"이라는 용어와 F에서 그 이름을 파생합니다.영형 (아래 첨자 "o"로 작성, "0"이 아님)은 F를 억제할 수 있는 천연 유래 항생제의 일종인 올리고마이신의 결합 분획에서 그 이름을 따왔습니다.영형 ATP 합성효소의 단위. [3] [4] 이러한 기능 영역은 서로 다른 단백질 소단위로 구성되어 있습니다. 표를 참조하십시오. 이 효소는 호기성 호흡을 통한 ATP 합성에 사용됩니다.

틸라코이드 막과 미토콘드리아 내부 막 내에 위치한 ATP 합성효소는 두 영역 F로 구성됩니다.영형 그리고 에프1. NS영형 F의 회전을 유발합니다.1 그리고 c-고리와 소단위 a, 2 b, F6으로 구성됩니다. NS1 α, β, γ 및 δ 소단위체로 구성됩니다. NS1 ATP를 가수분해할 수 있는 수용성 부분이 있습니다. NS영형 반면에 주로 소수성 영역이 있습니다. NS영형 NS1 막을 가로질러 양성자 이동 경로를 생성합니다. [7]

NS1 지역 편집

더 에프1 ATP 합성효소의 일부는 친수성이며 ATP를 가수분해하는 역할을 합니다. 더 에프1 단위는 미토콘드리아 기질 공간으로 돌출합니다. 소단위 α와 β는 6개의 결합 부위를 가진 6량체를 만듭니다. 그 중 3개는 촉매적으로 비활성이며 ADP에 결합합니다.

세 개의 다른 소단위는 ATP 합성을 촉매합니다. 다른 F1 소단위 γ, δ 및 ε은 회전 모터 메커니즘(로터/축)의 일부입니다. γ 소단위는 β가 일단 합성되면 ATP가 결합되고 방출되도록 하는 구조적 변화(즉, 폐쇄, 반 개방 및 개방 상태)를 거치게 합니다. 더 에프1 입자가 커서 투과전자현미경에서 음성염색으로 볼 수 있다. [8] 이들은 미토콘드리아 내부 막을 관통하는 직경 9nm의 입자입니다.

NS1 – 소단위 [9]
소단위 인간 유전자 메모
알파 ATP5A1, ATPAF2
베타 ATP5B, ATPAF1, C16orf7
감마 ATP5C1
델타 ATP5D 미토콘드리아 "델타"는 박테리아/클로로플라스틱 입실론입니다.
입실론 ATP5E 미토콘드리아 고유.
OSCP ATP5O 박테리아 및 엽록소 버전에서는 "델타"라고 합니다.

NS영형 지역 편집

NS영형 8개의 소단위와 막횡단 고리를 가진 수불용성 단백질입니다. 고리는 양성자화 및 탈양성자화될 때 구조적 변화를 겪는 나선 루프 나선 단백질이 있는 사량체 모양을 하고 있어 인접한 소단위체를 회전시켜 F의 회전을 유발합니다.영형 이는 또한 F의 형태에 영향을 미칩니다.1, 결과적으로 알파 및 베타 소단위의 상태가 전환됩니다. 더 에프영형 ATP 합성효소의 영역은 미토콘드리아 막에 내장된 양성자 기공입니다. 그것은 세 가지 주요 하위 단위, b, c로 구성됩니다. 6개의 c 소단위체는 회 전자 고리를 구성하고 소단위 b는 F에 연결되는 줄기를 구성합니다.1 αβ 헥사머가 회전하는 것을 방지하는 OSCP. 소단위는 b를 c 고리에 연결합니다. [11] 인간은 6개의 추가 소단위인 d, e, f, g, F6, 8(또는 A6L)을 가지고 있습니다. 효소의 이 부분은 미토콘드리아 내막에 위치하며 양성자 전위와 회전을 결합하여 F에서 ATP 합성을 유발합니다.1 지역.

진핵생물에서 미토콘드리아 F영형 막 굽힘 이량체를 형성합니다. 이 이량체는 크리스타의 끝에서 긴 줄로 자체 배열되며, 크리스타 형성의 첫 번째 단계일 수 있습니다. [12] 이량체 효모 F의 원자 모델영형 영역은 3.6 Å의 전체 분해능에서 cryo-EM에 의해 결정되었습니다. [13]

NS영형-주요 소단위
소단위 인간 유전자
NS MT-ATP6, MT-ATP8
NS ATP5F1
ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3

1960년대에서 1970년대에 UCLA 교수인 Paul Boyer는 ATP 합성이 감마 소단위의 회전에 의해 생성된 ATP 합성효소의 구조적 변화에 의존한다고 가정한 결합 변화 또는 플립플롭 메커니즘 이론을 개발했습니다. 당시 케임브리지에 있는 MRC 분자생물학 연구소의 John E. Walker의 연구 그룹은 F를 결정화했습니다.1 ATP 합성효소의 촉매 영역. 그 당시 알려진 가장 큰 비대칭 단백질 구조는 Boyer의 회전 촉매 모델이 본질적으로 정확했음을 나타냅니다. 이것을 설명하기 위해 Boyer와 Walker는 1997년 노벨 화학상의 절반을 공유했습니다.

F의 결정 구조1 회전하는 비대칭 감마 소단위 주위에 오렌지 조각처럼 배열된 교대 알파 및 베타 소단위(각각 3개)를 보여주었습니다. ATP 합성의 현재 모델(교대 촉매 모델로 알려짐)에 따르면, 전자 수송 사슬에 의해 공급되는 (H+) 양성자 양이온에 의해 생성된 막관통 전위는 막을 통해 막간 공간에서 (H+) 양성자 양이온을 유도합니다. NS영형 ATP 합성효소 영역. F의 일부영형 (c-소단위체의 고리)는 양성자가 막을 통과할 때 회전합니다. c-고리가 비대칭 중심 줄기(주로 감마 소단위로 구성됨)에 단단히 부착되어 알파 내에서 회전하도록 합니다.3베타3 끄다1 3개의 촉매적 뉴클레오티드 결합 부위가 ATP 합성으로 이어지는 일련의 구조적 변화를 거치게 합니다. 메이저 F1 소단위체는 알파 줄기와 결합하는 주변 줄기에 의해 중앙 줄기 회전자와 교감하여 회전하는 것을 방지합니다.3베타3 F의 회전하지 않는 부분으로영형. 손상되지 않은 ATP 합성효소의 구조는 현재 복합체의 전자 냉동 현미경(cryo-EM) 연구에서 저해상도로 알려져 있습니다. ATP 합성효소의 cryo-EM 모델은 말초 줄기가 F와 결합할 때 복합체를 감싸는 유연한 구조임을 시사합니다.1 F로영형. 적절한 조건에서 효소 반응은 ATP 가수분해가 막을 가로질러 양성자를 펌핑하는 역으로 수행될 수도 있습니다.

결합 변화 메커니즘은 세 가지 상태 사이에서 β 소단위 순환의 활성 부위를 포함합니다. [14] "느슨한" 상태에서 ADP와 인산염은 인접한 다이어그램의 활성 사이트로 들어가며, 이는 분홍색으로 표시됩니다. 그런 다음 효소는 모양의 변화를 겪고 이 분자들을 함께 힘을 가하여 "단단한" 상태(빨간색으로 표시)의 활성 부위가 새로 생성된 ATP 분자를 매우 높은 친화도로 결합합니다.마지막으로 활성 부위는 열린 상태(주황색)로 돌아가 ATP를 방출하고 더 많은 ADP와 인산염을 결합하여 ATP 생산의 다음 주기를 준비합니다. [15]

다른 효소와 마찬가지로 F의 활성1NS영형 ATP 합성 효소는 가역적입니다. 충분한 양의 ATP는 막관통 양성자 구배를 생성합니다. 이것은 전자 수송 사슬이 없는 박테리아를 발효시키는 데 사용되지만 오히려 ATP를 가수분해하여 양성자 구배를 만들고 편모와 세포의 수송을 구동하는 데 사용합니다. 세포에 영양분을 공급합니다.

생리학적 조건에서 박테리아를 호흡할 때 ATP 합성효소는 일반적으로 반대 방향으로 작동하여 전자 수송 사슬에 의해 생성된 양성자 원동력을 에너지원으로 사용하면서 ATP를 생성합니다. 이러한 방식으로 에너지를 생성하는 전체 과정을 산화적 인산화라고 합니다. ATP 합성효소가 미토콘드리아 내막에 있고 F가 있는 미토콘드리아에서도 같은 과정이 일어난다.1- 일부는 미토콘드리아 기질로 투영됩니다. ATP 합성 효소에 의한 ATP 소비는 양성자 양이온을 기질로 펌핑합니다.

ATP 합성효소의 진화는 기능적으로 독립적인 두 개의 소단위가 연관되어 새로운 기능을 얻는 모듈식으로 생각됩니다. [16] [17] 이 연관성은 진화 역사 초기에 발생한 것으로 보입니다. 왜냐하면 ATP 합성 효소의 본질적으로 동일한 구조와 활성이 모든 생명체에 존재하기 때문입니다. F-ATP 합성효소는 V-ATPase와 높은 기능적, 기계적 유사성을 보인다. 그러나 F-ATP 합성효소는 양성자 구배를 이용하여 ATP를 생성하는 반면, V-ATPase는 ATP를 희생하여 양성자 구배를 생성하여 1의 낮은 pH 값을 생성합니다.[19]

더 에프1 영역은 또한 hexameric DNA helicase(특히 Rho factor)와 상당한 유사성을 보이며, 전체 효소 영역은 H +
- 동력 T3SS 또는 편모 운동 복합체. [18] [20] [21] α3β3 F의 헥사머1 영역은 6량체 DNA 헬리카제와 상당한 구조적 유사성을 보여주고 둘 다 중앙 기공과 함께 3중 회전 대칭을 갖는 고리를 형성합니다. 둘 다 기공 내 거대분자의 상대적인 회전에 의존하는 역할을 가지고 있습니다.3β3 헥사머는 γ 서브유닛의 회전을 통한 구조적 변화를 사용하여 효소 반응을 유도합니다. [22]

더 H +
F의 모터영형 입자는 H +와 큰 기능적 유사성을 나타냅니다.
편모를 구동하는 모터. [18] 둘 다 H +
에너지원으로서의 잠재적 기울기. 그러나 편모 모터의 전체 구조가 F 모터의 구조보다 훨씬 더 복잡하기 때문에 이 연결은 미약합니다.영형 입자와 약 30개의 회전하는 단백질이 있는 고리는 F의 10, 11 또는 14개의 나선 단백질보다 훨씬 큽니다.영형 복잡한. 그러나 보다 최근의 구조적 데이터는 고리와 줄기가 구조적으로 F와 유사하다는 것을 보여줍니다.1 입자. [21]

ATP 합성효소의 기원에 대한 모듈식 진화 이론은 독립적인 기능을 가진 두 개의 소단위, 즉 ATPase 활성을 가진 DNA 헬리카제와 H +
모터는 결합할 수 있었고 모터의 회전은 헬리카제의 ATPase 활성을 역으로 유도했습니다. [16] [22] 이 복합체는 더 큰 효율로 진화했고 결국 오늘날의 복잡한 ATP 합성효소로 발전했습니다. 또는 DNA 헬리카제/ H +
운동복합체는 H +를 가졌을 수 있습니다.
H +를 구동하는 헬리카아제의 ATPase 활성과 함께 펌프 활성
모터를 역으로. 이것은 역반응을 수행하고 ATP 합성 효소로 작용하도록 진화했을 수 있습니다. [17] [23] [24]

ATP 합성효소의 다양한 천연 및 합성 억제제가 발견되었습니다. 이들은 ATP 합성효소의 구조와 기전을 조사하는데 사용되어 왔다. 일부는 치료 용도로 사용할 수 있습니다. ATP 합성효소 억제제에는 펩티드 억제제, 폴리페놀성 식물화학물질, 폴리케타이드, 유기주석 화합물, 폴리엔계 α-피론 유도체, 양이온성 억제제, 기질 유사체, 아미노산 변형제 및 기타 기타 화학물질을 포함한 여러 부류의 ATP 합성효소 억제제가 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 ATP 합성효소 억제제 중 일부는 올리고마이신과 DCCD입니다.

박테리아 편집

대장균 ATP 합성효소는 ATP 합성효소의 가장 단순한 알려진 형태로 8가지 다른 소단위 유형이 있습니다. [11]

박테리아 F-ATPase는 때때로 반대로 작동하여 ATPase로 전환할 수 있습니다. 일부 박테리아는 A/V형 ATPase를 양방향으로 사용하여 F-ATPase가 없습니다. [9]

효모 편집

효모 ATP 합성효소는 가장 잘 연구된 진핵생물 ATP 합성효소 중 하나이며 5개의 F1, 여덟 F영형 소단위 및 7개의 관련 단백질이 확인되었습니다. [7] 이들 단백질의 대부분은 다른 진핵생물에서 상동체를 갖는다. [27] [28] [29] [30]

식물 편집

식물에서 ATP 합성효소는 엽록체(CF1NS영형-ATP 합성효소). 효소는 틸라코이드 막인 CF에 통합됩니다.1- 일부는 광합성(빛 독립 반응 또는 캘빈 회로라고도 함)과 ATP 합성의 어두운 반응이 일어나는 기질에 달라붙습니다. 엽록체 ATP 합성 효소의 전체 구조와 촉매 메커니즘은 세균 효소의 구조와 거의 동일합니다. 그러나 엽록체에서 양성자 원동력은 호흡 전자 전달 사슬이 아니라 1차 광합성 단백질에 의해 생성됩니다. 합성효소는 어두울 때 낭비적인 활동을 억제하기 위해 감마-소단위체에 40개 aa 삽입물을 가지고 있습니다. [31]

포유류

소에서 분리된 ATP 합성효소(보스 토러스) 심장 미토콘드리아는 생화학 및 구조 측면에서 가장 잘 특성화된 ATP 합성효소입니다. 쇠고기 심장은 심장 근육의 미토콘드리아 농도가 높기 때문에 효소의 공급원으로 사용됩니다. 그들의 유전자는 인간 ATP 합성효소와 밀접한 상동성을 가지고 있습니다. [32] [33] [34]

ATP 합성효소의 구성요소를 암호화하는 인간 유전자:

다른 진핵생물

일부 분기된 혈통에 속하는 진핵생물은 ATP 합성효소의 매우 특별한 조직을 가지고 있습니다. 유글레노조아 ATP 합성효소는 부메랑 모양의 F와 이량체를 형성합니다.1 머리는 다른 미토콘드리아 ATP 합성효소와 비슷하지만 F영형 하위복합체에는 많은 고유한 하위 단위가 있습니다. 카디오리핀을 사용합니다. 억제성 IF1 또한 trypanosomatida와 공유되는 방식으로 다르게 결합합니다. [35]

고세균 편집

Archaea에는 일반적으로 F-ATPase가 없습니다. 대신, 그들은 구조적으로 V-ATPase와 유사하지만 주로 ATP 합성 효소로 기능하는 회전 기계인 A-ATPase/synthase를 사용하여 ATP를 합성합니다. 박테리아 F-ATPase와 마찬가지로 ATPase로도 기능하는 것으로 여겨진다. [9]


감사의 말/재무 공개

이 작업은 국립 일반 의학 연구소(TAK)의 연구 보조금 GM28454, 괴테 대학 프랑크푸르트(DFG 프로젝트 EXC 115)의 우수 클러스터 “거대 분자 복합체”(BB 및 TM ) 및 DFG 공동 연구 센터(SFB) 807(TM로). I.W는 Deutsche Forschungsgemeinschaft, Sonderforschungsbereich 815, Project Z1(Redox-Proteomics)의 지원을 받았습니다.


5. 2개의 연결된 모터의 스텝 크기가 다르기 때문에 내부 탄성이 필요합니다.

F에서영형NS1-ATP 합성 효소, 두 개의 나노 모터가 서로 작용합니다. 양성자 원동력에 따라, 대장균 proteoliposomes의 효소는 ATP 합성에서 ATP 가수분해로 전환할 수 있습니다[3]. ATP 합성 또는 F에서 가수분해의 화학적 잠재력1 F에서 모터를 구동하는 멤브레인의 전기화학적 전위차에 대해 작동합니다.영형. 두 개의 모터는 서로 다른 기어로 작동합니다. NS1 는 3단계 모터이고 F는영형 10단계 모터입니다 대장균에서 (또는 유기체에 따라 8� 스테퍼). 문제는 이 두 모터 사이에서 에너지가 어떻게 전달되는지, 그리고 다른 기어를 가진 두 모터가 단단히 결합된 시스템에서 효소가 에너지 장벽을 어떻게 극복할 수 있는지에 대한 것입니다. 모터는 탄성적으로 결합되어 있다고 제안되었습니다[4,79�]. 단단한 시스템 대신에 이 효소의 특정 부분은 탄력적으로 부드럽고 화학 반응에 필요할 때까지 일시적으로 에너지를 저장할 수 있습니다. 따라서 효소는 높은 회전 속도와 운동 효율로 작동할 수 있습니다.

일련의 단일 분자 실험에서 Sielaff와 동료들은 이러한 탄성 요소를 결정했습니다[49,50]. 그들은 돌연변이를 사용했습니다. 대장균 NS1 또는 F영형NS1 로터에 하나(서브유닛 γ 또는 ) 및 고정자의 다른 하나(서브 유닛 β, α 또는 NS) 이전 시스테인에 반대( 그림 3 NS). 시스테인 쌍, 즉 aI223C/cL72C(그림 3의 파란색 NS), �/�(녹색) 및 �/�(빨간색)를 로터 스토크의 길이에 걸쳐 배치하여 다양한 탄성을 스캔했습니다. 회전 분석에서 효소는 유리 표면에 부착되었습니다. ~을 통해 각각의 β 서브유닛에 히스티딘 태그가 있고, 다른 쪽의 효소에 연결된 짧은 형광 표지된 액틴 필라멘트(약 0.5 µm) 또는 양자점(Q-dot) 도핑된 자기 비드(1 µm) 측면은 videomicroscopy에 대한 리포터를 역임했습니다. 기자들은 둘 중 하나에 묶여 있었다. - 링 F영형NS1, 또는 F의 γ1, 각각 ( 그림 3 NS,NS).

(NS) 회전 분석 대장균 NS영형NS1 커버 유리에 부착 ~을 통해 ATP 가수분해에 의해 구동되는 소단위 β의 히스티딘(His)-태그. TMR로 표지된 형광 액틴 필라멘트는 각각의 연쇄상구균 태그에 결합되어 있습니다. 소단위 ~을 통해 스트렙탁틴–비오틴 링크. 회전자의 내부 탄성을 모니터링하기 위해 회전자와 고정자에 각각 2개의 반대 시스테인이 있는 3개의 돌연변이체가 표시된 대로 조작되었습니다. 산화 후, 그들은 이황화 다리를 형성하고 특정 위치에서 효소를 정지시키는 역할을 했습니다. (NS) 액틴 필라멘트 대신 Q-도트 도핑된 자성 입자를 사용하여 고정자, 즉 서브유닛의 내부 탄성을 모니터링했습니다. NS2. 자성 입자를 스트렙타비딘이나 스트렙탁틴으로 덮어 NS2, 소단위체의 막 통합 부분에 있는 두 개의 시스테인/비오틴을 통해 직접 NS, 또는 간접적으로 -고리, 소단위체에 가교 결합 NS 표시된 대로 2개의 시스테인을 통해 각각. () (NS), 가교 단백질의 열 변동에 의해 결정됩니다. 히스토그램은 가우시안으로 맞춰졌고 비틀림 강성은 역폭에서 파생되어 파란색, 녹색 및 빨간색 곡선에 대해 각각 450, 59 및 47 pN·nm가 되었습니다([50]에서 조정). (NS) F의 모델영형NS1 탄성이 가장 높은 부위, 즉 접촉 부위를 빨간색으로 표시 -링 γε. pN·nm 단위의 순응도는 효소의 다른 도메인에 대해 제공됩니다(그림은 S. Engelbrecht 및 W. Junge 제공).

ATP를 첨가한 후 환원 조건에서 소단위체는 예상대로 회전하기 시작했습니다. 산화되면 두 개의 시스테인이 이황화 다리를 형성하고 효소가 회전을 멈췄습니다. 이 상태에서는 효소-리포터-시스템의 열변동만 볼 수 있었습니다. 이러한 변동의 히스토그램은 가우스 분포와 유사한 분포를 보여줍니다( 그림 3 ). 가우스 폭 σ은 σ = k에 의해 비틀림 강성 κ(pN·nm)에 반비례했습니다.NSNS/κ, 여기서 kNS 는 볼츠만 상수이고 T는 절대 온도입니다. γ의 코일 코일 샤프트는 중간 강성을 가졌습니다. κ = 320pN·nm. 비틀림 강성이 가장 작은 부분은 F에서 각 토크 발생 사이트 사이에 위치했습니다.1 그리고 에프영형—즉, γ의 구형 부분과 -반지. 70pN·nm 미만의 비틀림 강성으로 최대 14kJ mol 𢄡 탄성 에너지를 저장할 수 있어 서로에 대해 작동할 때 두 모터의 협력을 원활하게 합니다. 제한되지 않은 효소에서는 β 서브유닛에서 레버의 유연한 힌지 움직임으로 인해 순응도가 훨씬 더 낮았습니다(효소의 체류 위치에서 추론할 때 약 35pN·nm). 더욱이, 자유 및 가교 시스템의 분자 역학 시뮬레이션은 실험 데이터와 현저한 일치를 보여주었습니다[83].

반면, 고정자는 회전자의 가장 유연한 부분보다 최소 10배 강성이 있는 것으로 나타났습니다. 야생형의 탄력 NS2 이합체는 돌연변이 NS 11개의 아미노산 잔기에 의해 연장되거나(‘long’) 3개의 연속적인 잔기를 글리신으로 대체하여 불안정화된 서브유닛(‘Gly3-mutant’) [49]. 회전 분석에서 고정자에 결합된 Q-도트 도핑된 자기 비드가 F의 움직임을 모니터링하는 리포터 역할을 했습니다.영형NS1 ( 그림 3 NS). 고정자가 스스로 회전하지 않기 때문에 외부 회전 자기장을 인가하여 인위적으로 운동을 유도하여 비드를 앞뒤로 움직였습니다. 두 가지 작동 모드가 테스트되었습니다. (i) 마그네틱 비드가 멤브레인 일체형 말단에 결합되었을 때 NS2 이합체는 시스테인–비오틴–스트렙타비딘 커플링에 의해 축을 중심으로 꼬였습니다. (ii) 생리적 굽힘 운동 NS2 자기 비드를 결합하여 연구되었습니다. - 소단위체에 가교결합된 고리 NS. Gly3-mutant의 굽힘을 제외하고 모든 경우에 순응도는 약 500pN·nm였습니다. 여기서, 순응도는 야생형 효소에 비해 3배 더 낮았다. 돌연변이체의 ATP 의존성 H + -펌핑 활성은 야생형 F에 비해 절반으로 감소했습니다.영형NS1-ATP 합성효소. 그럼에도 불구하고, 고정자가 불안정한 이러한 돌연변이체는 활성 상태였습니다. 그 이유는 순응도를 3배 낮추는 것(즉, 회전자 순응도보다 여전히 1배 더 높음)이 고정자 안정성에 크게 영향을 미치지 않았기 때문입니다. 탄성 특성은 그림 3에 요약되어 있습니다. NS. 이 데이터는 F의 에너지 변환에 대한 이론적 모델을 지원했습니다.영형NS1- 로터의 일시적인 가역적 변형에 의한 ATP 합성효소.


ATP 합성효소의 무세포 발현 및 조립

무세포(CF) 발현 기술은 다양한 유형과 기원의 개별 막 단백질 생산을 위한 유망한 방법으로 등장했습니다. 그러나 많은 막 단백질은 안정적이고 기능적으로 접힌 구조를 채택하기 위해 가용성 및 막 통합 서브유닛과의 상호작용에 의해 복잡한 어셈블리에 통합되어야 합니다. 개별 소단위 생산의 발전으로 CF 표현에 의한 완전한 분자 기계의 생산은 조립 메커니즘, 기능 또는 구성을 연구할 수 있는 다양한 새로운 가능성을 열어줄 것입니다. 우리는 atp 에서 오페론 칼달칼리바실러스 써마룸 사용하는 균주 TA2.A1 대장균 추출물. 오페론은 9개의 개방 판독 프레임으로 구성되며 542kDa F1NS영형-ATP synthase complex는 stoichiometry α에서 9개의 용해성 단백질과 16개의 막 내장 단백질로 구성됩니다.3β3γδɛab213. 기능적 복합체로의 완전한 조립은 (i) 초기 침전물을 가용화, (ii) 세제 미셀로의 동시 번역 삽입 또는 (iii) 미리 형성된 리포솜으로의 동시 번역 삽입을 통해 일반적으로 사용되는 세 가지 CF 발현 모드 모두에서 달성되었습니다. 8개의 모든 소단위체의 존재뿐만 아니라 특정 효소 활성 및 복합체의 억제는 생화학적 분석, 동결 골절 전자 현미경 및 면역 금 표지에 의해 확인되었습니다. 또한, 단일 입자 분석은 CF 및 참조의 구조 및 소단위 조직이 생체 내 발현된 ATP 합성효소 복합체는 동일합니다. 이 작업은 CF 발현 시스템의 새로운 응용으로서 proteomicelles 또는 proteoliposomes로 정의된 환경에서 고도로 복잡한 분자 기계의 생산을 확립합니다.


ATP 합성 효소는 ‘Slippage’에 대한 이유를 보여줍니다

생명의 엔진은 새로운 발견을 할 때마다 더 많은 엔지니어링 기교를 보여줍니다.

ATP 합성 효소는 확실히 우리가 보고한 가장 놀라운 분자 기계 중 하나입니다. 우리가 먹는 음식에서 방출되는 양성자로 작동하는 작지만 강력한 이 회전식 엔진은 믿을 수 없을 정도로 효율적이고 빠르며 복잡합니다. 모든 생명체에 필수적이기 때문에 모든 종류의 단계적 진화 기원에 도전합니다. 그러나 수년 동안 과학자들은 두 반쪽 사이의 불일치에 대해 궁금해했습니다.

모터는 F라는 두 부분으로 구성됩니다.0 (양성자 원동력에 의해 구동되는 회전) 및 F1 (여기서 ATP가 합성되어 회전당 3개의 ATP가 생성됨). 수수께끼 같은 불일치는 이 두 반쪽의 단위 수에서 비롯됩니다. ATP 합성효소의 다른 종은 F에 8~17개의 “c 소단위”을 가지고 있습니다.0 (보통 10에서 12) 두 부분을 연결하는 캠축처럼 작동하는 “gamma” 중앙 줄기를 회전하고 돌리는 회전 목마를 구성합니다. 더 에프1 그러나 부품에는 두 개의 단위로 구성된 세 쌍이 있습니다. F가 완전히 회전할 때마다0, 캠축의 해당 회전과 함께 3개의 ATP가 F에서 생성됩니다.1. 둘 사이에 좋은 정수 나누기가 없는 이유는 무엇입니까? 어떻게 F에서 11 c 소단위가 될 수 있습니까?0 F의 3개 ATP 분자에 해당1? 메커니즘에 약간의 미끄러짐이 있습니까?

ATP 합성효소는 회전당 3개의 ATP를 생성하는 회전 모터입니다.

새로운 종이 과학 Magazine은 이 퍼즐에 대해 더 많은 정보를 제공합니다. 미토콘드리아 ATP 합성효소의 회전 기질에서 유연한 F1-NS영형 커플링,” 머피 et al. 문제 해결: “영원한 질문은 F에서 화학양론적으로 일치하지 않는 C 링영형 (8 ~ 17 c 서브유닛으로 구성) 및 3중 대칭 F1 머리는 효율적으로 결합되어 있습니다.” 논문 요약에서는 ATP 합성 효소가 점점 더 “잘 기름칠된 기계”—처럼 보이게 만드는 이러한 불일치에 대한 이유를 발표합니다.

그들은 ATP 합성효소 복합체의 고해상도 극저온 전자 현미경 구조를 해결하여 13개의 회전 하위 상태를 추출했습니다.이 구조물 모음 F의 회전이 밝혀졌다.영형 링과 중앙 줄기는 F의 부분적인 회전과 결합됩니다.1 머리. 이러한 유연성으로 인해 헤드는 이산 ATP 합성 이벤트와 연속 회전을 더 잘 결합할 수 있습니다.

즉, F의 약간의 회전이 있습니다.1 두 개의 반쪽을 동기화할 뿐만 아니라 실제로 모터의 생산성에 기여할 수 있는 헤드입니다. 전문용어 좋아하시는 분들은

우리는 그것을 발견 더 에프1 머리는 중앙 줄기와 함께 회전 각 120° 단계의 시작 부분에서 약 30° 또는 하나의 c 서브유닛을 통해 c 링. F의 유연한 커플링1 F로 향하다영형 운동은 주로 도메인간 연결의 경첩에 의해 매개됩니다. 올리고마이신 감수성 부여 단백질 (OSCP) F에 합류하는 소단위1 주변 줄기로 향합니다. 중앙 줄기 γ 소단위의 확장된 2-나선 다발 상호 작용 F의 하나의 β 소단위의 캐치 루프 영역으로1 머리. 유연한 결합의 결과 메커니즘은 보존될 가능성이 높습니다. [i.e., unvolved] 다른 F1-NS영형 ATP 합성효소. 우리의 결과는 OSCP가 세포에서 대사 조절의 허브임을 나타내는 많은 출판된 데이터에 대해 매우 필요한 맥락을 제공합니다.

우아한 디자인입니다. 기본적으로 다른 모델과 함께 작동할 수 있는 유연한 커넥터가 있는 인간 공학 및 범용 마운트와 같은 개별 부품 간의 인터페이스를 제공합니다. 저자들은 이를 다음과 같이 요약한다.

ATP 합성효소에서 F1 촉매 헤드 회전을 통해 회전자를 동반할 수 있습니다 NS

각 시작 부분에서 30°

120° 단계. 이 움직임은 F의 유연한 커플링을 허용합니다.1 그리고 에프영형. NS 도메인 간 힌지 OSCP의 유연한 결합을 용이하게 합니다. 그리고 이 소단위를 적절하게 [데프. ATP 합성의 조절을 위한 적절하고 적절한 관련 apt 포인트.

또한 저자는 양성자 흐름을 토크로 변환하는 데 관여할 수 있는 금속 이온(아마도 Zn+2)을 발견했습니다. ATP 합성효소의 또 다른 신비한 측면: 양성자의 흐름이 실제로 어떻게 F를0 모터? 엔진의 해당 부분이 멤브레인에 내장되어 있기 때문에 말하기가 어렵습니다. 그들은 결론, “A 보존 [미진화] 양성자 접근 채널의 금속 이온 회전과 함께 C-링 양성자화를 동기화할 수 있습니다.이 가설은 추가 연구가 필요할 수 있습니다. 또한 환경에 따라 8, 10, 12 또는 17개의 소단위가 있는 이유가 있는지 또는 보존된 “유연한 결합“유연한 결합& #8221은 수용하도록 설계되었습니다.

말할 필요도 없이 저자는 논문에서 “진화”를 언급하지 않았습니다.

ATP 합성효소는 친구에게 “와우” 사용할 수 있는 분자 기계입니다. “당신이 회전식 엔진으로 작동하고 있다는 것을 알고 계셨습니까?” ATP를 함께 스냅하여 1회전당 3ATP를 만드는 메커니즘을 실행하는 이 물레방아 같은 동작을 설명하십시오. 지금까지 발견된 엔진 중 가장 효율적인 엔진 중 하나라고 말하지만 크기는 수십억 분의 1미터에 달합니다. 방금 먹은 음식에서 양성자가 나오고 수천억 개의 이 작은 엔진이 지금 당신 내부에서 6,000RPM 이상으로 회전하고 있다고 말하십시오. 기원에 대한 활발한 토론으로 이어질 수 있습니다.