ATP 合酶如何工作：可转动的三维模型

细胞中的 ATP 从哪里来？

ATP 合酶是怎样工作的？跨膜回流的质子像推动水轮一样，带动膜中的环旋转，旋转的柄依次挤压头部的三个催化位点，把 ADP 和磷酸结合成 ATP。反向运行时，同一种酶分解 ATP 并泵送质子，因此它也叫 ATP 酶。

肌肉、神经和复制 DNA 的酶都使用同一种燃料，即三磷酸腺苷。切掉它的第三个磷酸基团，释放的能量就能推动工作；把它重新接上，这个分子又可以使用了。周转量很大。据诺贝尔委员会介绍，静息成人每天周转的 ATP 约为自身体重的一半，进行繁重劳动时，这个数值可以接近一吨。细胞只保留少量储备，因此 ATP 必须以消耗的速度重新合成。

大部分重新合成工作由一种酶完成，即 ATP 合酶。它位于线粒体内膜、细菌膜和叶绿体的类囊体中。它也是少数靠旋转工作的蛋白质之一。本展项以分子尺度构建它的简化模型，再跟随它进入另外五个场所：带有呼吸链的线粒体膜褶皱、光照下的叶绿体膜、游动的细菌、由一种相关泵消耗 ATP 工作的溶酶体，以及首次显示转子旋转的 1997 年实验所用的载玻片。舞台底部的栏可在六个场景之间切换。

用膜筑成的水坝

能量并非直接来自食物。呼吸作用把食物中的电子沿一系列膜蛋白传递，这条链利用电子的能量，将质子从基质（线粒体内部）泵入两层膜之间的狭窄空间。质子在一侧积聚。结果是膜两侧出现浓度差和电荷差，两者合称质子动力势。

Peter Mitchell 在 1961 年提出了这一化学渗透思想，并因此获得 1978 年诺贝尔化学奖。这意味着细胞像水坝一样储存能量：形成一个想要趋于平衡的落差。ATP 合酶就是水坝中的涡轮。质子只有通过它才能回到基质，在通过时带动它的转子。

模型中的质子是红色小球。「膜电位」和「pH 差」两个滑块设定它们的推动力。移动其中任意一个，膜下方的质子群就会增多或减少，转子随之加速、减速、停止或反向旋转。

质子动力势的加和

基质外的质子受到向内推动的力，有两个原因。与外侧相比，基质带负电，而且质子较少，因此 pH 较高。Mitchell 把总推动力写成一个以毫伏为单位的数值，即质子动力势 Δp：

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

这里，Δψ 是基质电位减去外侧电位，ΔpH 是基质 pH 减去外侧 pH。正常工作的线粒体中，Δψ 为负，ΔpH 为正，因此两项都使 Δp 更负；它越负，质子向内的推动力越强。因子 59 将一个 pH 单位换算成毫伏：它等于 ln 10 × RT/F，在 25 °C 时为 59.16 mV，在体温 37 °C 时为 61.5 mV。模型采用 59。

滑块处于初始值时，Δψ 为 −150 mV，ΔpH 为 0.80，因此 Δp = −150 − 59 × 0.80 = −197 mV。每次移动滑块，读数区都会列出这个加和过程。Brand 和 Nicholls 给出的细胞中线粒体膜电位典型幅度为 150 至 180 mV；在线粒体中，推动力主要来自电势。在叶绿体中则相反，强光下，大部分推动力以类囊体膜两侧 pH 差的形式储存。

对酶而言，重要的是每个质子带来的能量。一摩尔质子跨越 197 mV 时释放 F × Δp = 96,485 × 0.197 ≈ 19 kJ。后面的展项将反复用到这个数值。

Fo：膜中的部分

这种酶有两个部分，名称沿用历史叫法。Fo 来自寡霉素敏感因子，是膜中的部分。F1 即因子 1，是伸入基质的球状部分。Efraim Racker 的团队在 1960 年从线粒体中分离出了完整的酶。

Fo 中运动的部分是 c 环，由相同的小蛋白质组成。每个 c 亚基由两条螺旋构成发卡形结构，外侧螺旋的中部有一条酸性侧链（在线粒体中为谷氨酸，图中显示为深色小球）。环旁边是不旋转的 a 亚基。它为质子提供两条半通道：一条通向外侧空间，另一条通向基质。

关键在于，带电的侧链无法面向膜内的油性区域。只有质子落在谷氨酸上并将其中和后，c 亚基才能转离 a 亚基。因此，质子从第一条半通道进入，附着在 c 亚基上绕环一周，再通过第二条半通道进入基质。由于外侧的质子比内侧多，它们到达一侧的频率高于另一侧，环就沿一个方向旋转。Pogoryelov 及其同事通过 c15 环的晶体结构展示了该位点如何在面向脂质时保持锁闭，仅在 a 亚基处打开。模型中环上的小球，就是正在绕行的质子。

F1：制造 ATP 的部分

F1 是由六个亚基组成的环，三个 α 亚基与三个 β 亚基像橘瓣一样交替排列。Noji 及其同事将它描述为半径约 5 nm 的桶状结构，因此模型中的头部直径画成 10 nm。头部上方的比例尺标出了这 10 nm。

只有 β 亚基制造 ATP。中央柄从中间穿过，主要由 γ 亚基构成，其转子部分的半径仅约 1 nm。它的底端固定在 c 环上，因此柄随环旋转。另一侧，一条长长的外周柄从 a 亚基延伸到 F1 顶部的顶盖，使 α3β3 头部保持不动。没有这条臂，头部就会随轴一起转动，内部不会发生任何变化。

γ 亚基并不对称。一侧向外鼓起，旋转时依次挤压每个 β 亚基，改变其形状。开启「剖开头部」，面向你的半个头部就会消失，你便能看到鼓起部分扫过的过程。

三个位点轮流工作

经过数十年的同位素实验，Paul Boyer 发现了这种酶的一个特殊之处。在酶内部把 ADP 和磷酸结合起来只需很少能量。能量用在足够紧密地结合 ADP 和磷酸，尤其是释放已经制成的 ATP 上。他提出，三个 β 位点轮流工作，并经历三种状态：

1. 开放（O）：位点空着，或正在释放一个 ATP。
2. 松弛（L）：ADP 和磷酸松散地结合。
3. 紧密（T）：位点闭合，ADP 和磷酸变成 ATP。

柄每旋转 120°，每个位点就进入下一个状态。紧密位点打开并释放 ATP，松弛位点闭合，开放位点接纳新的 ADP 和磷酸。Boyer 将其称为结合变构机制，并提出柄会旋转。开启「按状态为 β 着色」，三个 β 亚基会分别以浅色表示开放、黄色表示松弛、红色表示紧密；读数区用字母表示相同状态。在从上方观察的「导览」步骤中，你可以看到 ADP（白色和橙色小球）与一个单独的磷酸结合成一个 ATP，随后飞离。

John Walker 从结构入手研究同一种酶。他与 Jan Pieter Abrahams 和 Andrew Leslie 在 1994 年解析了牛心 F1 的 2.8 Å 晶体结构。三个 β 亚基确实具有三种不同形状，并结合着不同的核苷酸，不对称的 γ 位于中央。结构与 Boyer 的机制相符。Boyer 和 Walker 共同获得 1997 年诺贝尔化学奖的一半；另一半授予 Jens Skou，以表彰他对钠钾泵的研究，这也是一种依靠 ATP 工作的膜酶。诺贝尔委员会指出，在静息状态下，仅这种泵就会消耗所制造 ATP 的约三分之一。

转子在哪里停转？

转子究竟为什么会正向旋转？算一算能量。完整旋转一周会使 n 个质子跨膜，其中 n 为 c 亚基的数量，同时制成三个 ATP。因此，每个 ATP 获得相当于 n/3 个质子的能量：

每个 ATP 的输入能量 = (n/3) × F × Δp

在细胞内制造一个 ATP 也需要一定的能量，称为磷酸化势，写作 ΔGp。它取决于周围 ATP、ADP 和磷酸的多少；模型初始值为 45 kJ/mol，「单个 ATP 的能量代价」滑块可以改变它。若输入能量大于代价，转子就正向旋转，制造 ATP。若小于代价，ATP 就占上风，推动转子反转。两者相等时，转子静止：

停转时的 Δp = 3 × ΔGp / (n × F)

对于牛的环，n = 8，在 50 kJ/mol 时为 3 × 50,000 / (8 × 96,485) = 0.194 V，即 194 mV。在 45 kJ/mol 时则为 175 mV。读数区中的图表根据你选定的环和代价，绘出模型转子速度随 Δp 的变化，并以虚线标出停转点，以圆点标出滑块当前的位置。控件下方的表格对 c8 至 c15 的每种环尺寸进行相同计算。

由此得到两点。较大的环会在较低梯度下停转：c15 只需 93 mV，就能与同样的 45 kJ/mol 达到平衡，因为它每转一周带来 15 个质子，而非 8 个。而且这种酶是可逆的。它内部没有决定转向的装置，决定方向的是两种能量的平衡。模型中的速度规则（一条平滑穿过停转点的曲线）是为画面设定的，但停转点的位置经过计算。

反向运行

把梯度降到停转点以下，或提高一个 ATP 的能量代价，读数就会切换为「消耗 ATP，泵送质子」。此时 ATP 在头部结合并被分解，柄以 120° 步进沿相反方向旋转。c 环将质子从基质泵到膜外。ATP 消耗计数随之上升。

在健康线粒体中，这种情况很少发生，因为呼吸链保持着较高梯度。当梯度崩溃时，例如氧气耗尽时，ATP 合酶可能通过反向运行，在几分钟内耗光细胞的 ATP。线粒体为此配备了制动装置：一种名为 IF1 的小蛋白质。Cabezón 及其同事在 2003 年发现，它楔入 F1 的一个 α-β 界面，并接触 γ。在模型中，将「抑制剂」设为 IF1 并降低梯度：转子会停止而不是反转，螺旋在制动时发亮。

细菌会利用反向模式。在无氧条件下，E. coli 通过发酵制造 ATP，再让 ATP 合酶反向运行，以维持鞭毛和跨膜运输营养物所需的质子梯度。关闭「氧气」时，「细菌」场景会显示这一过程。有些近缘酶从一开始就专门承担反向工作；它们出现在「V-ATP 酶」场景中。

使它停止的药物与毒物

由于大量活动依赖这种酶，多种天然和人造分子会以它为靶点。「抑制剂」控件展示其中五种。

• 寡霉素赋予了 Fo 这个名字。Symersky 及其同事在 2012 年解析了它与酵母 c10 环结合的结构：它位于环外侧的两个 c 亚基之间，遮住运载质子的谷氨酸，因此质子无法附着，转子停止。构成其结合口袋的残基在酵母和人类中相同。实验室用它测量呼吸作用有多少用于生成 ATP，又有多少通过泄漏损失。
• DCCD（二环己基碳二亚胺）与同一个羧酸根反应，将其永久封闭。Pogoryelov 及其同事利用 DCCD 修饰的 c15 环展示质子位点如何打开和关闭。模型中的谷氨酸小球会变绿。
• 贝达喹啉是一种结核病药物。Andries 及其同事在 2005 年发现它是一种能杀死 Mycobacterium tuberculosis 的化合物；耐药突变体的 ATP 合酶质子运载部分发生了改变。2015 年，Preiss 及其同事解析了它结合在分枝杆菌 c9 环上的结构：它覆盖离子位点，使环无法运载质子。他们称其为 40 年来首个获批治疗耐多药结核病的药物。2024 年的一项研究显示，它也能在 c 环的类似位置结合人类酶。
• DNP（2,4-二硝基苯酚）不接触这种酶。它通过脂质本身运送质子，使梯度崩溃，食物燃烧后以热量释放，却不制造 ATP。1933 年，它曾作为减肥药出售；它会造成危险的体温过高，2011 年的一篇综述统计了 62 例已发表的死亡病例。模型中的质子直接穿过膜，转子停转。棕色脂肪通过自身的 UCP1 蛋白质，以可控方式完成同样的过程，为动物保暖。
• IF1 是细胞自身的制动装置，如上所述，只阻止反向运行。

不同尺寸的环

c 环的大小决定一个 ATP 的代价。有 n 个亚基时，每个 ATP 需要 n/3 个质子。Watt 及其同事在 2010 年发现牛心线粒体中有 8 个 c 亚基，并指出几乎所有脊椎动物的 c 亚基序列都相同，因此很可能所有脊椎动物制造每个 ATP 都要花费 2.7 个质子。真菌、细菌和叶绿体使用含 9 至 15 个亚基的环。控件下方的表格列出了 13 种环及显示这些环的结构：

为什么不都用最小的环？小环制造 ATP 花费少，却需要较高梯度才能达到停转点；大环能在较弱推动力下工作，却消耗更多质子。Bacillus pseudofirmus OF4 生活在碱性水中，细胞外的质子稀少，它的 c13 环将每个质子与一个结合的水分子共享。Ilyobacter tartaricus 更进一步，运载的是钠离子而非质子。Vollmar 及其同事发现，菠菜 c14 环的离子位点间距为 10.6 至 10.8 Å，与 Ilyobacter c11 环的间距相同，因此亚基更多的环只是更宽。

在「酶」场景中设置「c 环大小」，观察停转点和每个 ATP 的代价一起变化。对于已有测量对象的尺寸，环滑块会显示测量所用的生物名称；c12 在表格中没有条目。

线粒体内部

打开「线粒体」场景。线粒体内膜折叠成称为嵴的脊状结构；场景以横截面展示一个褶皱，前方被剖开。褶皱外是基质。褶皱内的狭窄空间与两层膜之间的空间相通，被泵出的质子就聚集在那里。

褶皱侧面的四种复合物将电子从食物传给氧气：

1. 复合物 I 从 NADH 接收两个电子，再传给在膜内移动的小型载体泛醌。它是细胞中最大的酶之一：Zhu、Vinothkumar 和 Hirst 在 2016 年确定了牛酶全部 45 个亚基的位置。每传递两个电子，它泵送 4 个质子。
2. 复合物 II 把琥珀酸的电子输入同一个泛醌库，但不泵送质子。它也是柠檬酸循环的一部分。
3. 复合物 III，即细胞色素 bc1，将电子从泛醌醇传给细胞色素 c，每传递两个电子，就在外侧释放 4 个质子。
4. 复合物 IV，即细胞色素 c 氧化酶，将电子交给氧气，后者变成水，同时再泵送 2 个质子。

因此，来自 NADH 的两个电子转移 10 个质子，而来自琥珀酸的两个电子只转移 6 个。Watt 及其同事用这些数值计算产量。c8 环制造一个 ATP 需要 8/3 = 2.67 个质子，将它运出线粒体还要多花一个：交换 ATP 与 ADP 的载体和输入磷酸的载体，合计消耗相当于一个质子的能量。因此，每交付一个 ATP 需要 3.67 个质子。那么：

• NADH：10 / 3.67 = 每个氧原子 2.7 个 ATP
• 琥珀酸：6 / 3.67 = 每个氧原子 1.6 个 ATP

这就是 P/O 比。Hinkle 对测量结果的综述给出约 2.5 和 1.5，稍低一些，因为部分质子不经过酶就通过膜漏回去了。读数区显示计算所得的比值，以及模型运行中计数所得的比值。把「燃料」切换为琥珀酸，两者都会下降。

这个场景中的 ATP 合酶成对位于褶皱的脊部。Davies 及其同事通过酵母线粒体的冷冻电子断层成像发现，这些酶对呈夹角 86° 的 V 形，并沿脊部排列成行。无法形成酶对的酵母菌株没有正常的嵴，只有气球状结构，或完全没有嵴。Guo、Bueler 和 Rubinstein 对成对 Fo 区域建立的原子模型显示了酶对如何使膜弯曲。模型中的酶对沿脊部形成四个 V 形，每个酶各自转动自己的转子。

这个场景运行着一个小型质子回路。梯度较低时，呼吸链泵送更快，梯度升高时则减慢（呼吸控制）；ATP 合酶和少量泄漏使质子返回。也可以在这里试用抑制剂。寡霉素使 ATP 合酶停止，梯度上升，呼吸几乎停止。DNP 打开泄漏通道，梯度下降，呼吸加速，燃料转化为热量；此时读数区显示酶消耗 ATP 反向旋转，解偶联的线粒体正是如此，除非 IF1 阻止它。关闭「氧气」，整条链就会停止。

叶绿体内部

「叶绿体」场景展示一片类囊体膜。上方是基质，下方是类囊体腔（类囊体内部）。这里的能量来自光，而非食物，但酶属于同一类型，头部朝向基质。

1. 光系统 II 吸收光，从水中夺取电子。Umena 及其同事的 1.9 Å 结构显示了进行这一过程的 Mn₄CaO₅ 簇：两个水分子产生一个 O₂、四个电子和四个质子，质子释放到类囊体腔内。
2. 质体醌通过膜将电子带给细胞色素 b6f，后者把更多质子转移到类囊体腔内。
3. 质体蓝素是类囊体腔内的小型含铜蛋白，将电子带给光系统 I，后者利用第二个光子将电子提升至铁氧还蛋白和 NADP⁺。NADPH 在基质中形成。

Kramer 和 Evans 计算出，在这种线性流动中，每产生一个 O₂，就有 12 个质子进入类囊体腔，同时产生 2 个 NADPH。叶绿体酶有一个 c14 环，因此每个 ATP 需要 14/3 = 4.67 个质子，12 个质子可制造 12 × 3 / 14 = 2.57 个 ATP。也就是每个 NADPH 对应 1.29 个 ATP，但卡尔文循环每消耗 2 个 NADPH 需要 3 个 ATP，即每个 NADPH 需要 1.5 个 ATP。缺口由其他途径补足，例如围绕光系统 I 的循环电子流，这些途径泵送质子而不产生 NADPH。读数区显示两种比值，并在你更改环时重新计算。

类囊体腔会变酸。Takizawa 及其同事在活体 Arabidopsis 叶片中估计，弱光下约为 pH 7.5，在强光且 CO₂ 较少时约为 pH 5.7。读数区的图表跟踪类囊体腔 pH 随光照的变化。模型中基质固定为 pH 8，梯度的 70 % 储存为 ΔpH；这两项都是模型设定。

将光照降至零。短时间后，读数区会显示 γ 开关已锁住酶。Hahn 及其同事在 2018 年解析的完整叶绿体酶结构包含 26 个亚基，显示 γ 中有一个 β 发卡结构，充当氧化还原开关，在黑暗中阻止旋转。

叶绿体酶还参与了一项经典实验。1966 年，André Jagendorf 和 Ernest Uribe 将菠菜类囊体浸入酸液，再移入含有 ADP 和磷酸的碱性缓冲液，在黑暗中获得了 ATP。仅有 pH 差就足够了，正如 Mitchell 的思想所要求的那样。

细菌及其鞭毛

细菌没有线粒体。它们的呼吸链位于细胞膜本身，将质子泵入周质，即内外膜之间的薄层空间。「细菌」场景的右后方展示一个长约 2 µm 的 E. coli 细胞，前方是一片内膜，比细胞放大约 50 倍绘制。

这片膜中的两种机器使用同一梯度。一种是 ATP 合酶。Fillingame 的团队在 2001 年显示，E. coli 偏好 c10 环，Sobti 及其同事的冷冻电镜结构显示了十个亚基，以及一个可伸展开来阻塞酶的 ε 亚基。另一种是鞭毛马达。Howard Berg 将其描述为直径约 45 nm，由约 20 类零件构成；这里它与 ATP 合酶以相同比例绘制，宽度为后者的四倍多。质子流经其边缘的一圈定子单元，带动转子，Meister、Lowe 和 Berg 发现，质子通量与马达速度成正比。

与 ATP 合酶不同，这种马达可按指令反转。一种叫 CheY 的蛋白质携带磷酸时，会结合马达底部的 C 环，使其从逆时针切换为顺时针。对于 E. coli，逆时针旋转使丝状结构缠成束，细胞向前游动；顺时针旋转使束散开，细胞翻滚并沿新方向出发。开启「鞭毛顺时针」：粉色 CheY 小球结合，丝状结构散开，细胞翻滚。

关闭「氧气」。呼吸停止，梯度降至 c10 环的停转点以下，ATP 合酶开始消耗发酵产生的 ATP 反向运行，将质子泵出，以维持马达转动。梯度稳定在稍低的位置，细胞继续游动，但更慢。

专为反向运行而造的泵

有些 ATP 合酶的近缘酶，正常工作就是消耗 ATP。液泡型或 V 型 ATP 酶将质子泵入细胞区室，使其酸化。溶酶体是细胞的消化囊，其内部保持在 pH 4.5 至 5，使其中的酶能够工作。Mindell 的综述解释了为什么泵不能独自完成任务：质子进入会使电荷积聚，因此还需要另一种离子移动。氯离子/质子交换体 ClC-7 是解决方式的一部分，场景在泵旁展示了它。

「V-ATP 酶」场景展示溶酶体膜上的两个泵，后方以小比例展示整个溶酶体；其颜色随内部 pH 变化。各部分看起来很熟悉：由三个 A 亚基和三个 B 亚基（对应 β 和 α）构成的头部、中央转子和膜中的环。差异也很明显。Zhao、Benlekbir 和 Rubinstein 对酵母酶的冷冻电镜研究显示，它有三条而非一条外周柄，环则由不止一种蛋白脂质构成；Mazhab-Jafari 及其同事后来将其确定为 c8、c′ 和 c″。Murata 及其同事解析了 Enterococcus hirae 中一种相关钠泵的十亚基转子。

V-ATP 酶还有 F 型酶没有的开关：它的两半可以分开。酵母缺乏葡萄糖时，V1 头部脱离 Vo 环，泵送停止。Mazhab-Jafari 及其同事正是利用这一点获得游离的 Vo 环，并建立其原子模型。开启「饥饿」：V1 脱离，头部升起，腔内环境缓慢回到接近中性。

看见它转动

直到 1997 年，旋转仍只是一种推断。Hiroyuki Noji、Ryohei Yasuda、Masasuke Yoshida 和 Kazuhiko Kinosita 利用 β 亚基把 F1 倒置固定在玻璃表面，将一条荧光肌动蛋白丝连接到 γ 亚基，再加入 ATP。显微镜下，蛋白丝转动超过 100 圈，从膜侧观察始终为逆时针。F1 单独存在时不会制造 ATP；给它 ATP，它会将其分解，让柄沿合成时的反方向旋转。

「旋转实验」场景重现了这一过程。主视图显示显微镜看到的景象：玻璃，以及绕一端旋转的绿色蛋白丝。旁边的小图显示 F1 本身，放大约 50 倍，γ 在固定的头部内旋转。

蛋白丝并非按设定速度驱动。马达以约 40 pN·nm 的扭矩推动，水则对蛋白丝产生阻力。对于绕一端旋转的杆，阻力随长度的三次方增长：

阻力 = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0.447)

其中 η 为水的黏度，r 为蛋白丝半径。1 µm 的蛋白丝约每秒转 6.3 圈，2 µm 的则每秒不足一圈。改变「肌动蛋白长度」，读数区就会重新计算；「探针阻力」标签表示决定速度的是蛋白丝，而非酶。

后来的研究使用更小的标记物。Yasuda 及其同事在 1998 年发现，ATP 较少时，蛋白丝以离散的 120° 步进移动，每个 ATP 对应一步，而且在很宽的负载范围内，每步所做的功大致不变，接近水解一个 ATP 的自由能。他们在 2001 年使用一个足够轻、不致减慢马达的 40 nm 金珠，把每一步分解为约 90° 和 30° 的子步，并在 ATP 充足时测得每秒约 130 圈。Sakaki 及其同事发现在 ATP 为 2 mM、60 nM 和 2 nM 时，扭矩同样约为 40 pN·nm，结合速率为每 M 每秒 2 × 10⁷。

模型使用这些数值。每个 ATP 会在一次随机等待后结合，平均等待时间为 1 / (kon × [ATP])；随后，探针以扭矩能够克服阻力达到的最快速度摆过 120°。将「ATP 浓度」降至约 0.2 µM，等待时间就比摆动时间长：蛋白丝开始跳动，图表画出阶梯。选择金珠，步进就变得清晰，因为金珠几乎不会减慢马达；此时读数区显示速度由 ATP 结合决定，并放慢播放以便观察。

最后一步将实验反了过来。Itoh 及其同事在 2004 年将磁珠连接到 γ，用电磁铁使其反向旋转。溶液中出现了 ATP。Rondelez 及其同事把单个 F1 分子封入容积只有几飞升的腔室，发现只要存在小 ε 亚基，强制旋转中就有高达 77 % 产生 ATP。选择「磁珠」并开启「磁铁使其反转」：线圈依次亮起，磁珠顺时针旋转，每转 120°，计数器就增加一个 ATP。

核对数值

每个 c 亚基每转一周运载一个质子，每转一周制造三个 ATP。因此，每个 ATP 所需质子数就是 c 亚基数量除以 3：牛的环为 8 ÷ 3 = 2.67，酵母和 E. coli 为 10 ÷ 3 = 3.33，菠菜为 14 ÷ 3 = 4.67，Spirulina platensis 为 15 ÷ 3 = 5.00。

Watt 及其同事给出的线粒体转子速度约为每秒 100 圈。每圈产生 3 个 ATP，意味着一种酶每秒约产生 300 个 ATP，若有 8 个 c 亚基，每秒就有约 800 个质子通过。模型的转速慢约 100 倍，最高每秒 1.2 圈，以便你跟踪小球。

Noji 的团队测得扭矩约为 40 pN·nm。一个 120° 步进等于 2π/3 弧度，因此每步做功约为 40 × 2.09 ≈ 84 pN·nm，即 8.4 × 10⁻²⁰ J。一个能量为 50 kJ/mol 的 ATP 携带 50,000 / (6.022 × 10²³) ≈ 8.3 × 10⁻²⁰ J，即 83 pN·nm。两个数值几乎相同：正如 Yasuda 及其同事所报告的，马达将几乎全部化学能转化为功。「旋转实验」读数区显示两者，ATP 能量随「单个 ATP 的能量代价」滑块变化。

停转点是将同一个计算反过来。在 50 kJ/mol 时，c8 环需要 (8/3) × 96,485 × Δp = 50,000 J，得出 Δp = 0.194 V。c14 环在 0.111 V 达到平衡，c10 环则在 0.155 V。

一天的 ATP

一个人一天制造多少 ATP？控件下方的「实验室」中有一个小计算器。它从氧气入手。运动测试中使用的静息代谢率一 MET，为每千克体重每分钟 3.5 mL 氧气，因此一个 70 kg 的静息成人每分钟吸入约 245 mL。一天为 245 × 1440 = 352,800 mL，即 352.8 L；按每摩尔 22.414 L（0 °C、1 个大气压下的气体体积，也是报告摄氧量时使用的方式），约为 15.7 mol O₂，或 31.5 mol 氧原子。

按 P/O 比为 2.5 计算，可制造 31.5 × 2.5 ≈ 79 mol ATP。ATP 每摩尔重 507.18 g，因此 79 mol 约为 40 kg：略超体重的一半，与诺贝尔委员会所说的约一半相符。繁重劳动时，摄氧量可增加数倍，一天的 ATP 周转量也随之增加。计算器还能反向计算：当 P/O 为 2.5 时，一个 70 kg 的人每分钟需要约 430 mL 氧气，才能使一天的 ATP 重量等于体重。

这需要多少个酶？79 mol 等于 4.7 × 10²⁵ 个分子。一个每秒制造 300 个 ATP 的酶，每天制造 2.6 × 10⁷ 个，因此身体需要约 1.8 × 10¹⁸ 个酶始终旋转。所有这些都是周转量：身体在任何时刻都只持有少量 ATP，并反复重新制造。

酶失效时

a 亚基是质子通过的定子部分，由线粒体自身 DNA 中的基因 MT-ATP6 编码。由美国国家医学图书馆运营的 MedlinePlus Genetics 列出了该基因改变引起的疾病。Leigh 综合征是一种通常始于婴儿期或幼儿期的进行性脑部疾病，约 10 % 的患者存在 MT-ATP6 改变；最常见的是写作 T8993G 的单字母改变。同样的改变也可导致一种较轻的疾病，叫 NARP（神经病变、共济失调和视网膜色素变性）。每个细胞中有许多线粒体，严重程度往往随携带改变的线粒体比例而变化：NARP 通常为 70 至 90 %，Leigh 综合征则超过 90 %。

Lai 及其同事在 2023 年解析人类酶的结构，将致病突变映射到复合物上，发现大部分位于亚基接触处，可能削弱整部机器。本展项并非医学参考资料；健康问题请咨询医生。

模型省略了什么？

• 各形状是放置在亚基所在位置的平滑团块。它们不是表中所列 PDB 条目里测得的蛋白质表面。
• 速度规则是为模型设定的：一条平滑穿过计算停转点的曲线。真实酶的力与速度关系更复杂，真实转子的旋转约快 100 倍。
• 合成时，模型以小步旋转，每个质子一步。反向运行时，它展示 F1 上测得的 120° 步进，但不展示 90° 和 30° 子步；这些只在使用金珠的「旋转实验」中出现。
• Murphy 及其同事发现，每个 120° 步进的前约 30°，F1 头部会通过柔性铰链随转子一起旋转。模型让头部保持不动。
• 柄底端的小亚基画成一个整体，其他场景中的 ATP 合酶副本共用一种简化形状。
• 「线粒体」「叶绿体」和「细菌」场景的质子回路，以及「V-ATP 酶」场景的 pH 曲线，使用了人为设定的速率。它们的化学计量关系（10 和 6 个质子、每个 O₂ 对应 12 个质子、每个 ATP 对应 n/3 个质子）来自参考资料。

简史

• 1929：Karl Lohmann 发现 ATP。Alexander Todd 于 1948 年合成 ATP。
• 1939 至 1941：Fritz Lipmann 证明 ATP 在细胞中传递能量。
• 1957：Jens Skou 描述钠钾泵。
• 1960：Efraim Racker 的团队从线粒体中分离该酶。
• 1961：Peter Mitchell 提出化学渗透思想；1978 年获诺贝尔奖。
• 1966：Jagendorf 和 Uribe 通过酸浴在黑暗中制造 ATP。
• 1974：Racker 和 Stoeckenius 利用光照，在人工囊泡中制造 ATP。
• 1994：Abrahams、Leslie、Lutter 和 Walker 解析 F1 的结构。
• 1997：Noji 及其同事看见柄旋转；Boyer、Walker 和 Skou 共同获得诺贝尔化学奖。
• 2001：Yasuda 及其同事分辨出 90° 和 30° 子步。
• 2004：Itoh 及其同事用磁铁转动 F1，制造 ATP。
• 2010：Watt 及其同事发现哺乳动物的 c8 环。
• 2015 至 2023：冷冻电镜显示牛、酵母、细菌、叶绿体和人类完整酶的不同旋转状态。