科学家解释叶绿体中的能量传递机制及其进化

中国科学家最近的一项研究揭示了驱动叶绿体内能量交换的复杂分子机制，揭示了植物生命进化中的一个关键事件。由中国科学院分子植物科学卓越中心的范敏瑞领导的这项研究阐明了ATP/ADP转运蛋白的结构和功能，ATP/ADP是核苷酸转运蛋白（NTT）家族的关键成员，它促进了能量在叶绿体膜上的传递

他们的发现发表在3月13日《自然》杂志在线发表的一篇题为“质体/寄生虫ATP/ADP转运蛋白的结构和机制”的文章中。

这些发现不仅加深了我们对叶绿体内共生的理解，即古代细菌作为叶绿体整合到植物细胞中的过程，而且为提高作物产量和开发对抗细胞内病原体的新药提供了潜在途径

叶绿体对植物的能量生产至关重要，其作用与动物线粒体（动物细胞的能量库）相似。然而，线粒体使用ATP/ADP转运蛋白AAC将ATP（细胞的“能量货币”）输出到细胞质，并输入ADP进行ATP合成

相比之下，叶绿体利用NTT蛋白从细胞质中导入ATP，为光合作用、淀粉合成和脂肪酸合成提供燃料，同时输出ADP和无机磷酸盐（Pi）。值得注意的是，叶绿体NTT蛋白对ATP/ADP具有高度特异性，这与硅藻中可以运输更广泛核苷酸的一些相关蛋白不同

一个长期存在的问题是叶绿体中NTT蛋白的起源。内共生理论认为叶绿体是由蓝藻进化而来的。然而，自由生活的蓝藻缺乏NTT蛋白

有一种假说认为，祖先的真核细胞吞噬了蓝藻和衣原体样细菌。蓝藻可能通过水平基因转移（生物体之间的基因交换）从衣原体中获得了NTT蛋白，因为衣原体使用类似的蛋白质从宿主细胞中窃取ATP。这种蛋白质在叶绿体进化过程中得以保留。衣原体表现出的“能量寄生”和这种NTT蛋白的独特功能多年来一直吸引着科学家

为了验证这一假设，研究小组以接近原子分辨率（2.72-2.90Å）确定了拟南芥叶绿体和肺炎衣原体NTT蛋白的三维结构。他们发现NTT蛋白由12个跨膜螺旋组成，采用了主要促进因子超家族（MFS）转运蛋白的典型倍数。这些结构表明，尽管存在显著的物种特异性差异，但这两种蛋白质的总体结构相似。这支持了叶绿体NTT蛋白起源于衣原体样祖先的假设

该研究还确定了NTT蛋白内的ATP（或ADP和Pi）结合位点。ATP的结合涉及其三个部分（腺嘌呤、核糖和磷酸）与NTT蛋白之间的广泛相互作用。ATP的腺嘌呤部分夹在芳香族和疏水性氨基酸残基之间，其带负电荷的磷酸基团与周围带正电荷的氨基酸残基相互作用

ADP的结合位点与ATP相似，但存在一些构象差异：ATP的磷酸基团采用延伸构象，而ADP的磷酸基团是折叠的，导致周围相互作用残基的轻微变化

运输过程中质体/寄生虫型ATP/ADP转运体的构象变化。这段视频展示了载脂蛋白CpNTT1和ATP结合CpNTT1结构的变形。形态说明了外向状态之间的构象转变，其中中心腔向周质开放；闭塞状态，其中中心底物结合位点从膜的任一侧都无法接近；腔向细胞质侧开放。来源：《自然》（2025）。DOI:10.1038/41586-025-08743-3

有趣的是，Pi的结合位置与ATP的γ-磷酸基团的位置完全对应。为了验证这些结构发现，研究人员进行了基于化学发光的ATP/ADP交换实验以及使用放射性同位素的ATP-32P摄取实验

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

研究人员还分析了NTT蛋白的热稳定性，发现Pi显著增强了ADP结合，表明两者之间存在协同作用。这一发现与NTT蛋白中ADP和Pi的共转运特性一致

此外，该研究表明，当NTT蛋白中进化上保守的天冬酰胺残基（拟南芥AtNTT1中的N282）突变为丙氨酸时，对其他核苷酸（如GTP、CTP和UTP）的转运活性显著增加。这表明该残基可能在NTT蛋白对ATP的特异性识别中起着至关重要的作用

通过比较不同构象的NTT蛋白的结构，并进行突变和功能实验，该研究表明NTT蛋白质的N端和C端结构域相对刚性。这些结构域彼此相对移动，通过改变它们的相互作用，蛋白质促进ATP或ADP加Pi的结合、跨膜转运和释放

这种传输机制与MFS的“摇臂开关”交替路径模型相一致。在该模型中，N端和C端结构域之间的构象变化使蛋白质能够交替打开和关闭其运输途径，确保底物的有效结合和释放，并促进其跨膜转运。这种机制对于NTT蛋白在ATP/ADP交换和Pi共转运中发挥作用的能力至关重要

这项研究不仅揭示了叶绿体和衣原体ATP/ADP转运蛋白NTT蛋白识别底物和跨膜转运的分子机制，也加深了我们对叶绿体内共生中跨膜能量转移机制的理解。它还为工程化NTT蛋白以提高作物产量和设计NTT蛋白抑制剂以治疗由专性细胞内病原体引起的疾病提供了宝贵的见解 More information: Minrui Fan, Structure and mechanism of the plastid/ parasite ATP/ADP translocator, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08743-3. www.nature.com/articles/s41586-025-08743-3

Journal information: Nature