地球上所有的生命，几乎都是用来自太阳的能量作为动力的。关于太阳能在植物体内，和大多数动物体内，转化、组合成三磷酸腺苷（ATP），用来作为细胞的化学合成、交换和运动动力的燃料，这一事实生物化学家已经知道了将近40多年。捕获太阳能的关键是一种叫做ATP合酶的酶。纽约州立大学健康科学中心的生物化学家哈维 · 佩内福斯基（Haryey Penafsky）说：“所有的生命类型，几乎都能找到这种酶。它在细胞能量守恒机制中，催化最后的步骤。”

ATP酶也许很重要，但却是一个迷雾重重的疑团：数十年来，对于这种酶如何完成获取必需的化学前体，如何用难以置信的速度，为植物快速生长提供燃料，而制造出许多ATP，生物化学家们只是提出推论。而今，这几十年来的疑团，可能被解开了。因为，1994年8月的《自然》杂志上，发表了生物化学家约翰 · 沃克（John Walker）的ATP合酶催化区中的三维结构，为破译这一秘密取得巨大进展。沃克领导着英国剑桥分子生物学的医学研究会的实验室，他的研究组用X-射线结晶学揭示出这种酶的结构，分子量为371，000，这在分析过的全部原子详图中，是最大的不对称分子结构。

生物化学家艾伦 · 西尼尔（Alan Senior），他是罗切斯特大学医学中心，研究埃希氏大肠杆菌中ATP合酶的专家，他说：“这是一项重大的成就，对该领域产生巨大的刺激。……这个（结构）将应用于植物，所有动物和所有细菌的ATP合成——我们可以认为在它们之中的机制是完全相同的。”这个结构对1980年左右，由保罗 · 博耶（Paul Boyer）开展研究的ATP合酶模型，也提供了可靠的证据。当时，博耶正担任洛杉矶加利福尼亚大学分子生物学研究所所长。他的模型曾预示ATP合酶球形的催化区，像陀螺一样旋转。在它旋转一周的过程中，其三个作用部位三次改变形状，协助它们捕捉ATP前体，催化其反应和释放出新的分子——好像是一条旋转的流水作业线。

博耶现在已经退休了。他满心喜悦地看到他的设想得到证实。他说：“这显然是一份划时代的论文，因此带来巨大的冲击。”俄勒冈大学分子生物学研究所的生物化学家罗德里克 · 凯帕尔迪（Roderick Capaldi）根据他对ATP含酶分子影响酶活性的推论，也支持这个新的结果。他说：“沃克模型很有道理，我不相信有错误的可能性。”

但是，只有植物和专门的细菌，才能通过光合作用直接捕捉太阳能，从而贮存ATP。其它的细胞类型却是用一种叫做氧化磷酸化的作用制造ATP的；这一过程要消耗脂肪、碳水化合物（如葡萄糖）和氧气。不过，无论何种能源，都要在某种特殊膜上制造ATP，例如线粒体的内膜。这类细胞器就是产生和贮藏能量的地方。来自阳光或者是来自食物氧化的能量，在膜的一侧连续产生正电荷的氢离子或者质子。积累起来，结果在膜的两侧形成不同的质子浓度，叫做“质子动力”。它能使质子“需要”穿过膜再返回来，用以平均两侧不相等的浓度。

ATP合酶穿透膜提供通道，为在质子动力作用下的质子流，能从膜的另一侧流回来，这就是推动生产ATP的质子流。ATP合酶有三个部分：第一部分叫做F₀，是穿透膜的部分；第二部分是把F₀连接到第三部分上的短柄；第三部分是一种叫做F₁的球形分子，横径小于10毫微来。用电子显微镜就可以看到连着F₁头部的短柄，像棒糖似的排列成行，填塞在线粒体内膜里。

ATP合酶的F₁部分是把ADP（二磷酸腺苷）和磷酸盐结合起来，产生ATP的催化剂，在某些情况下，例如在厌氧细菌中，它却起着相反的催化作用——把ATP分开重新变成ADP和磷酸盐。沃克研究组选择了从其余分子上分出来的F₁和部分短柄，进行结晶学的研究。独立形态的F₁被叫做三磷酸腺苷酶，或者简称ATPase。选择ATPase是因为只有它才具有被水溶解的有利条件，比较容易结晶。而晶体中分子规整的排列，又是用X-射线结晶学确定结构的必需条件。

即使有了这种帮助，要探索酶的结构也不是一件容易的任务。沃克说：“一开始我们就有了结晶。但是，它们太小而且不易形成，X-射线衍射也太弱……又经过7年左右，我们研究了一项范围非常广泛的结晶条件，才逐渐改进了结晶的质量。”

沃克研究组第一个要解决的问题，就是得到足够纯度的蛋白质来生长晶体。而窍门在于寻找一种富于蛋白质的组织来源。他们使用了牛心脏，因为心肌收缩是以氧化ATP作为动力的。所以*心脏细胞中填满了线粒体：线粒体膜含有将近10%的ATPase。沃克在两天之内从三个心脏中提取了100毫克的酶——根据蛋白质化学的标准，这已经是引人注目的数量了。沃克还说：“即使要用几年的时间，也必需制备出总量为30克的酶。”他希望进一步试验用细菌来生产蛋白质。

第二个难题就是要生成宽度达1毫米的完整的酶结晶——结晶学研究需要这样的规格。这一步的窍门在于，掌握各种蛋白质结晶时，所特需的稍有差别的条件——例如溶剂或者pH——所以，制约晶体生长的最合适的条件，更多的是技术而不是科学。还有在催化ATPase改变形状的时候，最为重要的是：使晶体中全部分子具有相同的形状。在这里，一个关键的发现是用氢的同位素氘做成的“重水”作为溶剂，这是最好的溶剂。可能是由于它在酶的不同部分之间具有稳定的力量，有助于制成完美的晶体。把ADP和ATP非水解类似物的混合物加入溶剂，保持所有的酶分子处于同样形状。

从早期的生物化学研究中，研究者们就知道了ATPase的球形头状物，包括有6个亚基蛋白质，分为两类，各有3个：叫做α-亚基和β-亚基 · 电子显微镜和低分辨率X-射线的研究表明，这6个亚基在一个环里，排列成相互间隔的形式，很像一个具有6个丰满瓤瓣的桔子。其中p亚基是催化产生ATP的。博耶的模型提出这3个亚基改变形状去结合前体分子，让它们进行化学反应，然后释放新形成的ATP，他的模型组提出，3个β亚基在中的每一个亚基，在此过程中，一直处于不同的阶段。

某些研究者对此模型有过质疑。如巴尔第摩的约翰霍普金斯大学的马里奥。阿姆泽尔（Mario Amzel）和彼得 · 佩德森（Peter Petersen）。他们说在低分辨率X-射线的分析试验中，所有β亚基的形状都是相同的——分子是对称的。而其它的研究者们确信，沃克的结构已经扫清了这种怀疑。牛津大学的生物能量学家斯图尔特 · 弗格森（Stuart Ferguson）说：“（这种新的结构）的3个β链之间，确实表现出不对称。”他还说，这个结果曾经被“十分广泛地期待过。直到现在才真正让人详细地看到了。”博耶说，由于沃克的证据“对称排列的意见已被排除掉。”但是，阿姆泽尔仍然坚持他和佩德森在白鼠酶中发现的另一种冻结框架。他说：“对称的分子状态更多于［沃克提供的］那一种。”

当沃克的结构证实：每一个β亚基都经历了一个变形的顺序。才会产生ATP的这种设想时，通过ATP合酶的F₀部分的质子流，如何推动这种反应仍然是个问题，这个问题的关键在于连接着的短柄（关于这一点新的X-射线结构提供了说明），这是短柄最重要的部分，因为它包含有一半的γ亚基。

新的结构表明γ亚基是一个轻微弯曲的、拉长的蛋白质，穿过α/β环的中心，从基部伸出。弯曲关系重大，因为它支持了生物化学家们逐渐一致起来的见解，即质子流是从膜的末端开始改变短柄中的形状，并在那儿转换成短柄和F₁头部之间的一种相关的转动，还弄不清楚它究竟是短柄还是头部，或者是两者都在转动。研究者们却都坚信，只要其中的一个转动就必然和另一个有关。弗格森说：“该结构表明，由于和α、β单位有关的γ链的物理运动；推动了ATP的合成。”

在这个模型中，γ亚基像一把有微微弯曲而锋利刀刃的刀，插入桔子的中心。如果桔子围绕着刀转动，不同的瓤瓣会依次和锋利的刀刃接触，刀刃就改变了瓤瓣的形状。也就是说，对着γ短柄的F₁头部的相关转动，依次带动每一个β亚基对着γ单位的一个特别部分，这时进入一种形状的β亚基的两个变形部分之间的接触，使其获得一个ADP和一个磷酸盐。进一步的围绕转动，β亚基转入另一种形状，使两者（ADP和磷酸盐）起作用；第三次转动和形状变化，就喷射出新形成的ATP。关于短柄和头部相关转动所承担的重要任务。凯帕尔迪已经有了试验证据，他发现把α/β环交联到短柄上——停止转动——就扼制酶的活性。打破这种联结又会再行恢复。

凯帕尔迪和其它的研究者，盼望能用新的ATP酶图进行研究。他说：“对每个人来说，下个阶段就是研究［形状的变化］——我们现在多么需要看到不同的形状。”沃克目前正好是这样做的，研究短柄和F₁的晶体。西尼尔设想，最后我们会“知道更多有关能量转换的情况，以便用来改善收成和发酵作用Z曾经使人迷惑多年的看不见的一种分子结构，沃克的研究给人们呈现出新的景象。凯帕尔迪说：“沃克发表的文章，使我的心脏再次受到冲击——简直太令人激动了。”

(Science，1994年8月）