所有有核的细胞，从酵母菌到人类，都像城市一样被组织起来，由各种各样的小隔间(器官)组成，这些小隔间就像工厂，在那里完成各种各样的工作。其中一些工厂，比如那些分解和循环分子的工厂，需要不断地泵入质子——剥离电子的氢原子——以维持维持其工作所需的酸性环境。为此，它们依赖于分子摩天轮。
嵌在细胞器的脂肪外膜中，这些微型机器有每秒旋转100次的转子，从细胞器外部收集质子，然后将它们丢到内部。
现在，科学家们已经发现了Ferris轮在酵母质子泵中工作的关键步骤，这个质子泵被称为空泡atp酶(V-ATPase)。他们的研究结果，结合了在能源部SLAC国家加速器实验室拍摄的高分辨率图像和超级计算机模拟，发表在今天的《科学进展》杂志上，让科学家了解到一个可能被利用来阻止疾病的基本过程。
“v - atp酶质子泵执行广泛的功能，从帮助传递神经信号到帮助特殊细胞分泌维持骨骼的酸，”斯蒂芬·威尔肯斯说，他是纽约州立大学北部医科大学的生物化学家，也是这项研究的合著者。“这些分子机器的故障会导致骨质疏松、神经退化、糖尿病、癌症和艾滋病等疾病，因此了解它们对人类健康很重要。”
斯坦福大学和斯坦福大学的教授Wah Chiu说，科学家们已经在研究人类细胞中的这些泵可能如何影响covid -19病毒在患者体内的复制。他补充说:“事实证明，市场上大多数治疗药物的目标分子机器都位于细胞膜上，就像这个一样。”
看着轮子转动
没有质子泵人类细胞就不能正常工作，质子泵的作用之一是帮助细胞器拦截病毒和其他病原体，并将它们转移到细胞的垃圾桶里。
之前的研究已经确定了V-ATPases在一些生物中的分子结构和基本功能，Wilkens说:“最大的问题是它们是如何工作的?为了解释这一机制，观察它的作用是有帮助的，就像一匹疾驰的马的第一个系列快照最终解决了它是否总是至少有一只蹄子踩在地上的问题一样。答案是否定的。”
在早期低温电子显微镜研究,赵,主教练威尔肯斯,线性/斯坦福大学博士后研究员Soung-Hun卢武铉和其他人产生了高分辨率图像,允许他们确定10个氨基酸“席位”酵母摩天轮结合质子和带他们穿过膜的细胞器,以及其他氨基酸,抓住他们到达时。基于这张照片，他们认为质子的掉落可能是由水分子辅助的，但他们的图像不够清晰，无法确认水分子的存在。
在目前的研究中，多亏了SLAC的另一轮更高分辨率的低温电子成像技术，他们能够定位可疑质子路径周围的水分子。为了让质子泵马达活起来，亚利桑那州立大学生物设计研究所的Abhishek Singharoy领导的一个研究小组开发了这个过程的计算机模拟，并在橡树岭国家实验室的美国能源部超级计算机上运行。
模拟中加入了冷冻电子显微镜的结构，这些结构来自于酵母摩天轮在旋转过程中的两个不同点的图像，证实了实验中观察到的水分子在质子脱落点排成一列形成“线”。这些电线将质子从它们在摩天轮上的座位传送到细胞内的着陆点，就像消防队手拉手递着水桶，弥合了它们无法自己导航的空隙。
Chiu说，最近在低温电子显微技术上的进展允许以原子分辨率对单个粒子进行成像，即使它们的形状略有不同，这将为利用它来发现与质子泵有关的疾病的有效药物提供新的机会。
