基于机械连杆设计的最小化、全素体且类似 ATPase 的机器

ATP酶循环将以 ATP 梯度形式的化学能转化为细胞内的定向运动。为了实现功能，ATP酶依赖于至少两个结合位点之间的全素体通信，这一内部信令机制尚不为人所熟知。本文通过使用机械连杆系统来模拟 ATP酶样机器，以重现两个结合位点之间的负全素体耦合，生成其中一个结合位点的占用交替周期。在 ATP酶模型中，拥有两个机械自由度和两个离散结合位点：一个用于 ATP、Pi 和 ADP 类比物，另一个用于全素体效应子类比物。ATP酶模型的几何结构允许在每个结合位点上进行分步骤的结合反应，从而将这两个自由度以互斥方式捕获。因此，酶在多个刚性和部分刚性形态之间相互转化，以致当两个结合位点同时被占用时， neither 位点都不能完全被占满。两种机制共同作用以产生酶循环：其一，较强结合的 ATP 类比物可结合并置换效应子从酶中脱落；其二，引入的柔性（将 ATP 类比物分为两个部分以实现催化）允许效应子重新结合并置换产物（ADP 类比物）。我们表明，裂解（正向催化）和连接（逆向催化）等效地改变酶复合物的刚性，就像结合和解离一样，但必须以更慢的速度进行，以实现有效的循环。从本工作中可以推导出简单设计，用于模仿 ATP酶单体的合成系统。