Visualizing mitochondrial FoF1-ATP synthase as the target of the immunomodulatory drug Bz-423
靶向线粒体酶FoF 1-ATP合成酶并用小分子调节其催化活性是治疗自身免疫性疾病的一种有前途的新方法。免疫调节化合物Bz-423是这样一种药物，其与线粒体FoF 1-ATP合酶的亚基OSCP结合，并通过增加偶联的、积极呼吸的线粒体中的活性氧产生来诱导细胞凋亡。本文综述了Bz-423与线粒体靶点结合的实验研究进展，并讨论了Bz-423对FoF 1-ATP合酶亚基旋转的影响。简而言之，我们报告如何福斯特共振能量转移（FRET）可以采用共定位的酶和荧光标记的Bz-423内的线粒体的活细胞与纳米分辨率。
2018-04-30 q-bio.BM q-bio.SC
36 degree step size of proton-driven c-ring rotation in FoF1-ATP synthase
生物“能量货币分子”三磷酸腺苷ATP的合成是由FoF 1-ATP合成酶完成的。在大肠杆菌的质膜中，Fo马达中的10个c亚基的环的质子驱动旋转为F1马达中的催化提供动力。虽然F1使用120度步进，但Fo模型预测c亚基每次步进旋转36度，这在这里通过单分子荧光共振能量转移证明。
2009-03-01 q-bio.BM q-bio.QM
ATP Synthase: A Moonlighting Enzyme with Unprecedented Functions
ATP合酶的内在分子静电势（MESP）建设性地增加，因此加强，化学渗透电压。这个ATP合酶电压代表了一个新的自由能术语，似乎被忽视了。这一项至少在数量级上大致相等，符号上与麦克斯韦妖（Landauer原理）所需耗散的能量相反。
2022-02-22 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Subunit rotation in a single FoF1-ATP synthase in a living bacterium monitored by FRET
FoF 1-ATP合酶是线粒体、叶绿体和细菌中普遍存在的膜结合酶，其为细胞过程提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）。在大肠杆菌中，ATP合成由质子动力（PMF）驱动，该质子动力包括质子浓度差ΔpH加上跨脂质膜的电势Δ pH。单分子体外实验已经证实，质子驱动的FoF 1-ATP合酶内的亚基旋转与ATP的合成。基于单分子荧光共振能量转移（FRET）的分子内距离测量的亚基旋转的动力学和不同的转子部分的步长已经解开。然而，这些实验是在由最大ΔpH ~ 4和未知Δ pH组成的PMF存在下完成的。相比之下，在活细菌中，跨质膜的最大ΔpH可能为0.75，并且Δ pH在-80 mV和-140 mV之间测量。因此，必须分别解决单个FoF 1-ATP酶的体内催化转换速率或体内旋转速度的问题。此外，必须确定维持高ATP水平所需的单个细菌中功能酶的绝对数量。我们报告了我们的进展，在体外和体内，这是一个新的标记方法，单分子FRET测量单FoF 1-ATP酶的亚基旋转测量。
2011-02-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Binding of the immunomodulatory drug Bz-423 to mitochondrial FoF1-ATP synthase in living cells by FRET acceptor photobleaching
Bz-423是一种很有前途的治疗自身免疫性疾病的新药。这种小分子与线粒体酶FoF 1-ATP合酶的亚基OSCP结合并调节其催化活性。我们研究了Bz-423与活细胞中线粒体的结合，以及FoF 1-ATP合酶中的亚基旋转（即该酶的机械化学机制）如何受到Bz-423的影响。因此，通过与荧光蛋白EGFP基因融合到γ亚基的C末端来选择性地标记该酶。利用结构照明显微镜（SIM），可以在超分辨率下对活酵母细胞中线粒体的三维排列进行成像。我们测量了摄取和结合的Cy 5标记的Bz-423衍生物的线粒体FoF 1-ATP合酶在活酵母细胞中使用FRET受体光漂白显微镜。我们的数据证实了Cy 5标记的Bz-423与活酿酒酵母细胞线粒体中酶的F1结构域的顶部结合。
2016-02-14 q-bio.BM q-bio.QM
Fluorescent nanodiamonds for FRET-based monitoring of a single biological nanomotor FoF1-ATP synthase
金刚石纳米晶体中的色心是一类新型荧光标记物，由于无与伦比的亮度、光稳定性和生化惰性而引起人们的极大兴趣。含有缺陷的金刚石纳米晶体可用作标记物，取代传统的有机染料分子、量子点或自体荧光蛋白。它们可以被应用于单个标记的跟踪和超高分辨率定位。此外，金刚石缺陷的自旋特性可以用于具有纳米分辨率的新型磁光成像（MOI）。我们开发这种技术来解开的旋转运动的细节和一个单一的生物纳米FoF 1-ATP合酶的弹性能量存储机制。FoF 1-ATP合成酶是为活细胞提供“化学能量货币”三磷酸腺苷（ATP）的酶。ATP的形成是通过酶内亚基的逐步内部旋转来完成的。以前的亚基旋转已监测单分子荧光共振能量转移（FRET），并受到限制的荧光团的光稳定性。荧光纳米金刚石将这些FRET测量推进到长时间尺度。
2009-02-02 q-bio.BM q-bio.OT
ATP synthase: evolution, energetics, and membrane interactions
生命的“通用能量货币”ATP的合成是生物系统中最普遍的化学反应，并且负责为几乎所有的细胞过程提供燃料，从神经冲动传播到DNA合成。ATP酶是一种完成这一无休止任务的酶家族，它几乎和它们负责制造的能量分子一样无处不在。F型ATP合酶（F-ATP酶）存在于生命的各个领域，据信早在15亿年前这些谱系的分歧之前。因此，这些酶促进了生物体在从深海热喷口到人类肠道等各种生境中的生存。在这篇综述中，我们提出了一个概述的F-型ATP酶的结构和功能的现有知识，突出了几个适应的特点，跨类群。我们强调在酶的特定脂质环境的背景下研究这些特征的重要性：正如生物体与其物理环境之间的相互作用塑造其进化轨迹一样，ATP酶受到它们所在的膜的影响。我们认为，全面了解膜蛋白的结构，功能和进化-包括ATP合酶-需要这样一个综合的方法。
2020-06-16 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Diffusion properties of single FoF1-ATP synthases in a living bacterium unraveled by localization microscopy
FoF 1-ATP酶在大肠杆菌（Escherichia coli，E.大肠杆菌）细菌是膜结合酶，其使用内部质子驱动的旋转双马达来催化三磷酸腺苷（ATP）的合成。根据“化学渗透假说”，一系列质子泵产生必要的pH差加上跨细菌质膜的电势。这些质子泵是氧化还原偶联的膜酶，它们可能以超复合物的形式组织，如线粒体内膜中的相关酶所示。我们报道了活体大肠杆菌中单荧光FoF 1-ATP酶的扩散测量。通过定位显微镜和单酶跟踪来区分细菌膜中的单体酶和超复合物相关形式。对于定量均方位移（MSD）分析，必须考虑具有显著膜曲率的膜中观察区域的有限大小。急诊大肠杆菌细胞具有约500 nm的直径和约2至3个\mum的长度。由于不同表面坐标系的定位精度不同，我们采用滑动观察窗方法，得到FoF 1-ATP合酶在活大肠杆菌中的扩散系数D = 0.0 72 \mum 2/s。coli细胞。
2012-01-30 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Rotational Dynamics of ATP Synthase: Mechanical Constraints and Energy Dissipative Channels
本研究详细核算了ATP合酶分子马达的能量利用与耗散通道，并探讨了Fo单元旋转的量子力学约束，发现其整体运行在经典区域内，体现了进化上的优化。
2025-06-30 q-bio.BM
Observing conformations of single FoF1-ATP synthases in a fast anti-Brownian electrokinetic trap
为了实时监测脂质体中单个膜转运蛋白的构象变化，我们将两个荧光团连接到蛋白质的选定结构域。染料之间的顺序距离变化记录和分析福斯特共振能量转移（FRET）。使用在脂质体中重构的自由扩散膜蛋白，观察时间受到通过共聚焦检测体积的布朗运动的限制。A. E. Cohen和W. E. Moerner发明并构建了微流体装置，以主动抵消电动陷阱（ABELtrap）中单个纳米颗粒的布朗运动。在这里，我们提出了一个版本的ABELtrap的激光聚焦模式产生的电光光束偏转器和可编程FPGA控制。这种ABEL陷阱可以容纳单个荧光纳米珠超过100秒，将单个颗粒的观察时间增加了1000倍以上。在ABELtrap中可以检测到单个FRET标记的膜酶FoF 1-ATP合酶的构象变化。
2015-02-13 q-bio.BM q-bio.QM
Monitoring subunit rotation in single FRET-labeled FoF1-ATP synthase in an anti-Brownian electrokinetic trap
FoF 1-ATP合成酶是催化“生物能量货币”三磷酸腺苷（ATP）合成的膜蛋白。该酶利用内部亚基旋转将质子动力转化为化学键。我们应用单分子Förster共振能量转移（FRET）来监测两个耦合马达F1和Fo中的亚基旋转。因此，必须从大肠杆菌的质膜中分离酶，荧光标记并重组成120 nm大小的脂质囊泡以产生脂蛋白体。这些自由扩散的脂蛋白体偶尔穿过共聚焦检测体积，导致光子爆发。构象动力学的酶的FRET效率在一个单一的光子爆发的顺序变化进行了鉴定。通过在反布朗电动势阱（ABELtrap，由A. E. Cohen和W. E. Moerner）。在这里，我们描述了FoF 1-ATP合酶的制备程序和模拟FRET效率轨迹为“困”的蛋白脂质体。隐马尔可夫模型应用于信号与背景比的限制，用于识别旋转酶在低ATP浓度下运行时的停留和子步骤，由低激光功率激发，并由ABELtrap限制。
2013-02-11 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Step size of the rotary proton motor in single FoF1-ATP synthase from a thermoalkaliphilic bacterium by DCO-ALEX FRET
嗜热酶可以在较高温度下工作，但在室温下显示出降低的活性。它们通常在制备过程中更稳定，因此被认为结构更刚性。与在环境温度下生长的细菌的蛋白质相比，结晶通常更容易，特别是对于膜蛋白。产ATP酶FoF 1-ATP合酶由嗜热碱Caldalkalibacillus thermarum菌株TA2.A1的Fo马达驱动，该马达由13个C-亚基组成的环组成。我们应用了单分子福斯特共振能量转移（FRET）方法，使用占空比优化的交替激光激发（DCO-ALEX）来监测预期的13步旋转Fo电机工作。开发了新的FRET转换直方图，以识别与大肠杆菌酶的10步Fo马达相比更小的步长。停留时间分析揭示了温度和LDAO依赖性的Fo电机活动的单分子水平上。Fo马达的来回步进发生得很快，表明这种嗜热酶的膜部分具有高柔性。
2012-02-05 q-bio.BM q-bio.QM
Optimized green fluorescent protein fused to FoF1-ATP synthase for single-molecule FRET using a fast anti-Brownian electrokinetic trap
自由扩散的单分子在溶液中的观察时间受到所附荧光标记物的光物理学和足够的信号背景比所需的飞升范围内的小观察体积的限制。为了通过共焦检测体积延长扩散限制的观察时间，A。E. Cohen和W. E. Moerner发明并建造了ABELtrap -一种微流体装置，可以用电动陷阱主动抵消单个纳米颗粒的布朗运动。在这里，我们提出了一个版本的ABELtrap的激光聚焦模式产生的电光光束偏转器和可编程FPGA芯片控制。这种ABELtrap可将单个荧光纳米颗粒保持100秒以上，与自由扩散相比，荧光纳米颗粒的观察时间增加了10000倍。为了实时监测单个膜蛋白的构象变化，我们使用Förster共振能量转移（smFRET）记录了两种特异性连接的染料之间的连续距离变化。FoF 1-ATP合酶的α-亚基与mNeonGreen融合导致在较低激光激发功率下改善的信号背景比。这增加了我们测量的蛋白脂质体的陷阱持续时间超过2秒。此外，我们观察到不同的smFRET水平归因于FRET供体（mNeonGreen）和受体（Alexa 568）荧光团之间的不同距离分别连接在FoF 1-ATP合酶的a-和c-亚基。
2016-01-26 q-bio.BM q-bio.QM
GTP before ATP: The energy currency at the origin of genes
本文探讨基因起源前的能量货币演变，提出GTP先于ATP作为翻译的祖先能量货币，并推测其更早来源为H2驱动的CO2还原，与乙酰辅酶A途径相关。
2025-10-09 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Subunit rotation in single FRET-labeled F1-ATPase hold in solution by an anti-Brownian electrokinetic trap
FoF 1-ATP合酶催化三磷酸腺苷（ATP）的合成。F1部分可以从酶的膜包埋的Fo部分剥离。F1充当ATP水解酶，并且ATP水解与F1的γ亚基和γ亚基的逐步旋转相关。在过去的15年里，使用附着在表面上的单个F1部件对这种旋转运动进行了详细的研究。通过结合的荧光肌动蛋白丝、纳米珠或纳米棒或单个荧光团的视频显微镜监测γ的亚基旋转。或者，我们应用单分子Förster共振能量转移（FRET）监测亚基旋转的全酶FoF 1-ATP合酶在脂质体中重建。现在，我们的目标是延长观察时间的单一FRET标记的F1在溶液中使用的反布朗电动势陷阱（ABELtrap）的修改版本发明的A。E. Cohen和W. E.莫尔纳我们使用Monte Carlo模拟来揭示逐步FRET效率变化可以通过隐马尔可夫模型来分析，即使在预期由于ABELtrap的微流体引起的高背景计数率而导致的低信号背景比的限制下。
2013-02-23 physics.bio-ph q-bio.BM
The regulatory switch of F1-ATPase studied by single-molecule FRET in the ABEL Trap
F1-ATP酶是膜包埋酶FoF 1-ATP合酶的可溶性部分，其催化真核细胞和真细菌细胞中三磷酸腺苷的产生。相反，F1部分也可以在三个催化结合位点快速水解ATP。因此，必须在细胞中最小化F1（或FoF 1）对“非生产性”ATP水解的催化作用。在细菌中，ATP亚基被认为通过机械地将其C末端插入F1的旋转马达区域来控制和阻断ATP水解。我们研究了这一拟议的机制，通过标记F1特异性与两个荧光团监测的C-末端的Förster共振能量转移的α亚基。单个F1分子被反布朗电动势阱捕获在溶液中，该反布朗电动势阱将FRET标记的F1保持在原位数百毫秒的延长观察时间，受光漂白的限制。比较不同生化条件下单个F1和FRET直方图的FRET变化，以评估拟议的调控机制。
2014-02-08 q-bio.BM
H-loop Histidine Catalyzes ATP Hydrolysis in the E. coli ABC-Transporter HlyB
三磷酸腺苷（ATP）结合盒（ABC）转运蛋白是一类将ATP水解与底物跨膜转运相结合的分子马达蛋白。ABC转运蛋白的每个核苷酸结合域都含有高度保守的H环组氨酸残基，其对运动功能的精确机制作用仍然难以捉摸。结合量子力学和分子力学计算，我们证明了大肠杆菌中保守的H环残基H662。大肠杆菌HlyB是一种细菌ABC转运蛋白，在ATP水解过程中，HlyB首先作为一种通用酸，然后作为一种通用碱，促进质子转移。在没有H662的帮助下，从溶解水到ATP的直接质子转移导致势垒高度大大提高。我们的研究结果表明，H环残基H662的基本功能是提供一个“化学关键”，通过中继机制在反应物之间穿梭质子，从而催化HlyB中的ATP水解。
2013-03-30 q-bio.BM
Targeting cytochrome C oxidase in mitochondria with Pt(II)-porphyrins for Photodynamic Therapy
线粒体是活细胞的动力室，在那里合成化学“能量货币”三磷酸腺苷（ATP）。一系列膜蛋白质复合物I至IV（即电子传递链）的氧化磷酸化是质子穿过线粒体内膜的电化学电势差或质子动力（PMF）的来源。PMF是通过电子传递链的复合物V，即通过FoF 1-ATP合酶产生ATP所必需的。在光动力疗法（PDT）中破坏细胞色素C氧化酶（COX;复合物IV）是通过阳离子光敏剂Pt（II）-TMPyP实现的。电子显微镜显示线粒体christae的破坏作为PDT的主要步骤。时间分辨磷光测量鉴定COX为活HeLa细胞中Pt（II）-TMPyP的结合位点。由于这种光敏剂与细胞色素C竞争结合COX，COX的破坏不仅可能干扰ATP的合成，但可以加速细胞色素C释放到胞质溶胶诱导凋亡。
2010-02-04 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.CB
