19、生物钟蛋白的结构基础与单分子研究

生物钟蛋白的结构基础与单分子研究

生物钟是生物体内部的计时系统，能让生物预测每日环境变化，并使细胞过程与外部周期相协调。在真核生物中，生物钟振荡器由转录 - 翻译反馈环（TTFL）组成；而在细菌，尤其是蓝藻中，由核心时钟蛋白 KaiA、KaiB 和 KaiC 组成的翻译后振荡器（PTO）是核心计时者，TTFL 则是 PTO 的从属振荡器。

1. KaiC 缓慢特性的结构基础

在蓝藻生物钟系统中，KaiC 的 ATP 水解过程较为缓慢，这一特性有着独特的结构基础。
- ATP 水解反应机制 ：C1 ATP 酶活性位点中，一个 ATP 分子位于两个亚基的界面。ATP 水解是一个让裂解水分子攻击末端γ - 磷酸的磷原子，然后将其从 ATP 上裂解下来形成 ADP 和无机磷酸的过程。当裂解水分子沿着 O - Pγ键定义的轴接近时，这种 SN2 型反应能有效进行。以距离磷原子 3 Å 的近线位置作为参考点来衡量晶体结构中水分子的反应活性。
- 水分子的不同构型 ：在 ATP 末端γ - 磷酸附近发现了两种类型的水分子。一种是近构型，潜在的裂解水分子与磷原子的距离为 3.8 Å，夹角为 26°；另一种是远构型，水分子与磷原子的距离为 4.6 Å，夹角为 39°。显然，近构型中的水分子更具反应活性，但与其他高活性的 ATP 酶（如 F1 - ATP 酶、肌球蛋白和驱动蛋白）相比，KaiC 中近和远构型的水分子反应活性都较低。
- α7 螺旋的影响 ：α7 螺旋的构象变化间接调节裂解水分子的位置。在近构型中，α7 螺旋的 N 端完美封闭；在远构型中则呈松散状态。Ser157