ATP 是植物、藻类和蓝藻等光合生物发挥功能所必需的化合物，由一种称为“叶绿体 ATP 合酶”(CF o CF 1 )的酶产生。为了在不同的光照条件下控制 ATP 的产生，该酶使用一种氧化还原调节机制来改变 ATP 合成活性，以响应半胱氨酸 (Cys) 残基氧化还原状态的变化，这些残基在还原(光照)条件下以二硫醇的形式存在，但形成氧化(黑暗)条件下的二硫键。然而，到目前为止，这种机制还没有被完全理解。

研究人员揭示了光合生物如何调节和合成ATP

现在，在《国家科学院院刊》上发表的一项研究中，由东京工业大学(Tokyo Tech)的 Toru Hisabori 教授领导的日本研究小组揭示了氨基酸序列在CF o CF 1，揭示了该酶如何调节光合生物中 ATP 的产生。

为了解 CF o CF 1中氨基酸的构象如何影响氧化还原调节机制，研究人员使用单细胞绿藻莱茵衣藻来生产这种酶。“通过利用莱茵衣藻的强大遗传学作为光合作用的模式生物，我们对 CF o CF 1分子进行了全面的生化分析，”Hisabori 教授解释说。

以藻类为宿主生物，该团队引入了质粒(可以独立复制的染色体外 DNA 分子)编码CF o CF 1蛋白的 F 1成分，即含有 ATP 合成催化位点的酶部分。他们还引入了该基因的突变版本以改变蛋白质的氨基酸序列，特别针对 DDE 基序(一簇带负电荷的氨基酸)、氧化还原环和 β-发夹结构域。

然后他们纯化了 CF o CF 1，产生了它的五种不同变体，包括一种氨基酸序列没有变化的野生型菌株和四种突变菌株：一种 DDE 基序被中性氨基酸取代，Asn-Asn-Gln ，一种没有 β-发夹结构域，一种没有氧化还原环，一种同时缺乏氧化还原环和 β-发夹结构域。

在还原(模拟光照条件)和氧化(模拟黑暗条件)条件下测试这些突变体的 ATP 合成活性后，研究人员发现野生型酶和 DDE 基序发生变化的突变酶功能正常(显示还原时活性高，氧化时活性低)。然而，没有氧化还原环或 β-发夹结构域的酶复合物没有表现出氧化还原反应，表明这两个区域都参与了氧化还原调节机制。

研究人员提出，在黑暗条件下，Cys残基之间的二硫键使氧化还原环变得僵硬，削弱了氧化还原环与β-发夹之间的相互作用。这导致 β-发夹卡在蛋白质的空腔内。然而，当二硫键在光存在下被还原时，氧化还原环恢复其灵活性并将 β-发夹拉出空腔，使其能够参与 ATP 合成活动。

“ATP 合成的氧化还原调节是通过光合生物特有的CF o CF 1的两个 γ 亚基域之间的协同相互作用完成的，”Hisabori 教授说。“我们认为它是 β-发夹和氧化还原环与催化位点相互作用的结果。”

结果是更好地理解光合作用过程的重要一步，可能对农业和生物能源领域产生重大影响。