“生命在于运动”！ 而“运动”将意味着“做功”和“位移”，“细胞”是生命的基本单位，那么“细胞”是如何表现出“生命运动”能力的？ 为此，“生命”设计了“分子引擎”或“分子马达”以做分子驱动器。此外，生物化学研究发现，生命的中间物质代谢最直接的收益之一是“获取能量”，为此生命选择了四种核糖三磷酸中的“ATP”作为能量的载体，而又补选了“GTP”和”ATP" 分子一起用于“驱动”分子马达的“燃料”。

   在生命界，能结合和水解ATP 和GTP（三磷酸核苷）的分子马达被“安装”在特定的蛋白质机器上，它们参与生命运动的几乎所有方面。那么这些“分子马达”是如何设计的？

   研究发现，上述利用ATP和GTP以及其他三磷酸核苷的分子马达有着一脉相承的分子设计思路。通常由几个beta-p片层（beta-sheet)作为“建构元件”折叠出相对保守的beta-Sheet Fold。

当前研究的最多的有以下5大类：

1、二核苷（辅酶）结合的“Rossmann fold”

   Rossmann 折叠 以首报者Michael G. Rossmann的姓氏命名，常见拓扑折叠为“ beta-alpha-beta”折叠(fold)，有些则为“beta-alpha-beta-alpha-beta” 折叠, 这些折叠俗称“dinucleotide-binding fold”（图1） 。这里的二核苷主要为作为辅酶的FAD、 NAD和 NADP等（作为辅酶，coenzyme，参与中间代谢的催化反应）。 其中与FAD结合的基序为 “Gly-x-Gly-x-x-Gly”，而与NADP结合的基序为“Gly-x-Gly-x-x-Ala”，前者羧基端（C端）为Gly，后者相应部位对应的氨基酸为Ala，两者只差一个氨基酸残基。属于这类折叠类型的还有微管蛋白/FtsZ折叠（这类蛋白基本与细胞骨架，细胞运动，细胞分裂有关)；

图1 典型的Rossmann 折叠

2、单核苷酸结合折叠（mononucleotide - binding fold P-loop NTPases fold）

 2.1 概论

   这类折叠是利用ATP和GTP的ATPase和GTPase的折叠 （图2、图3）。P-loop NTPase 为大多数细胞生物中数量最多的蛋白质折叠，估计占所有基因产物的10%～18%。从结构上看，P-loop NTPases属于一种alpha/beta蛋白（与Rossmann fold 中的"beta-alpha-beta "和"beta-alpha-beta-alpha-beta"折叠有差别），它含定期重复出现的alpha-beta蛋白质二级结构单位，其中beta 链(beta-sheet)平行排布成一个中心结构的大部分，两侧则被alpha-helices包围。在序列水平上，P-loop NTPase 折叠以N末端Walker A基序为特征，该基序由位于一个beta-片层和一个alpha-螺旋之间的“活动环”组成，通常由GxxxxGK[ST]序列模式（基序），负责正确定位与之结合的核苷酸的三磷酸部分。位于远端的Walker B基序中有一个保守的酸性氨基酸，天冬氨酸，或不太常见的是谷氨酸残基，此氨基酸残基位于一个beta-片层的末端，与水分子“桥联”的Mg离子结合（见前文）。

图2 RecA样 折叠 P-loop

    根据不同的序列和结构特征，可以把P-loop NTPase 折叠至少分做7个主要进化系谱，包括：（1）RecA和F1/F0相关的ATP酶（图2、4）；（2）核酸依赖性的ATP酶，包括DNA和RNA解旋酶、染色质重塑有关的Swi2，以及PhoH 样ATP酶；（3）AAA+ ATP酶；（4）MJ/PH/AP/NACHT NTPases；（5） ABC菌毛ATP酶；（6）核苷酸激酶；和（7）GTPase。在空间结构上，P-loop NTPases又可分为两组，一组包括核苷酸激酶和GTPases，其中通向P-loop的片层与Walker B所在的片层直接相邻；另一组则包括AAA+、ABC、SF1/2解旋酶和RecA/F1 ATP酶，其P-loop片层Walker B所在片层之间有一条额外的片层。

图3 出现在GTPase 折叠

图4 大肠杆菌依赖ATP的RecA蛋白

   RecA样折叠与RecA(原核）、Rad51(真核）等的ATP结合和水解中心在拓扑结构上类似，均含有Walker A和Walker B 等基序及相关的二级结构。

2.2 单核苷酸结合折叠（mononucleotide - binding fold P-loop NTPases fold）基序特征

    迄今已经了解到与ATP和GTP结合的氨基酸基序几乎可以确定只有Walker A基序（Walker A，也称为P环)和Walker B基序（图5），及通常紧随Walker B基序的C基序（Signature motif)和依据ATP结合与否联系Walker A和Walker B基序的"开关"(switch)基序，其中：

（1）Walker A 基序

      WalkerA基序由“GxxxGxGKS”或“GxxGxGKT”氨基酸序列。字母“x”可以代表任何氨基酸。在结构上， Walker A基序含有一个α-螺旋，其后是一个富含甘氨酸的环，P环（P-loop)；Walker A基序中的赖氨酸（“GKS”或“GKT”中的“K”)侧链“残基”，对ATP的结合至关重要。当与ATP结合时，赖氨酸（K)残基与ATP分子内的两个磷酸基团中的氧原子（O)形成氢键(Hydrogen bond)，因此，赖氨酸残基在ATP结合部位决定ATP的“距离”和方向。

（2）Walker B 基序

    Walker B 基序的一级氨基酸序列是“hhhhD”，其中“h”（Hydrophobic)代表任何疏水性氨基酸；“hhhhD”序列在蛋白质二级结构层面形成一条β链（β-sheet)，一个walker B 中约有100个左右的氨基酸残基，相当于20个左右“hhhhD”，这些基序连接呈肽序列。其中的 “D”（天冬氨酸）作为ATP水解反应过程中“攻击”ATP的一个亲核基团。在结构上，这种walker B 基序多形成α-螺旋结构域。

图5 SMCwalker A和B 此为压缩

      无论其功能，几乎所有需要与ATP结合、水解以“产生” 位移或机械力的蛋白质，包括含有RecA样折叠（RecA-like fold，见本系列有关专题讨论）DNA解旋酶、负责物质过膜的ABC(ATP binding transporter)，以及含有ATP依赖的AAA+(及子家族AAA)结构域的SMC蛋白均含有walker A和walker B, 如前面介绍的Cohesin、Condensin、MRE( Rad50)、SbcCD等等（上图是原核和真核生物与染色质压缩有关的Condensin)均依赖Walker A和Walker B基序。

（3）C基序

    C基序，也称为签名（Signature motif)基序、LSGGQ基序或连接肽，具有LSGGQQQ/R/KQR的一级氨基酸序列。紧随Walker B基序之后，是一种“标志性”基序；当Walker B结合ATP后，通过C基序“通知” Walker A基序。

（4）开关基序

   已有的发现表明，开关基序常位于ATP结合蛋白中β4链的末端。其中的组氨酸残基对于稳定Walker A和Walker B二聚体，及稳定ATP的结合必不可缺。

  由于Walker A和Walker B的一级序列中可以使用多种不同的氨基酸，序列中的非变异氨基酸高度保守。任何这些氨基酸的突变都会影响与ATP或影响ATP酶(ATPase)的催化活性。这些基序中的保守氨基酸序列决定了每个ATP结合基序的三维结构，因此不能随意改变。

   有意思的是，无论原核还是真细胞内均存在着GTPase, 它们类似于此文述及的ATPase, 只是GTPase 与GTP结合发挥功能，水解GTP成GDP和一个无机磷酸，GTPase依然与GDP结合，不能发挥GTPase活性，直到其GDP被GTP替换。大多数GTPases中，鸟嘌呤碱基相对于其他核苷酸的特异性由碱基识别基序"[N/T]KXD"赋予。一些GTPase中的碱基识别基序发生突变，则改变了其识别GTP/GDP底物的特异性，通常由识别GTP改为识别ATP。这表明，历史上有可能通过识别序列部位的基因突变的难易决定了ATP被最终选为"生命的货币", 而除了关键反应过程中的是GTPase外，最终越来越多的过程需要ATP的一种可能原因（图 6、7）。

图6 一种不被水解或很难水解的ATP-S

图7 经典的ATP分子

3、蛋白激酶折叠 (protein kinase fold)

   人类基因组包含约500个蛋白激酶基因，占人类基因总数的2%。蛋白激酶通常作用于“启动特定蛋白活性”和通过改变蛋白的其他性质参与“信号传导”。因此，蛋白激酶有别于那些针对脂分子、碳水化合物或其他分子进行磷酸化修饰的激酶。蛋白激酶负责对底物蛋白质分子的特定残基共添加磷酸基团（磷酸化）来改变特定蛋白质的酶活性，或改变其在细胞内的位置或影响其与其他蛋白质的结合。简言之，蛋白激酶催化磷酸化的底物分子基本分为两类，一类是“激活”其活性，一类是“信号传导”。

    依据磷酸化的残基的特异性，可以把蛋白激酶分为以下5类：（1）丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，任务多样，既参与“特定事件”信号，如DNA损伤过程中H2AX磷酸化（见前文），以及参与许多化学信号调节，如第二信使cAMP/cGMP的信号传导，以及二酰甘油和Ca2+/钙调蛋白的运动等等；（2）酪氨酸蛋白激酶，常用于各类生长因子信号的传导；（3）天冬氨酸／谷氨酸蛋白激酶这类激酶的具体参与情况尚无更多报道；（4）组氨酸蛋白激酶，常见于原核生物细胞的双信号传导；（5）丝氨酸／苏氨酸／酪氨酸蛋白激酶，常见于真核细胞内的信号传导／磷酸化链式激活。下图是钙／钙调蛋白依赖针对底物中丝氨酸／苏氨酸磷酸化的激酶折叠

图 8 钙／钙调蛋白依赖蛋白激酶

4、组氨酸激酶/HSP90/TopoII折叠

   共存于组氨酸激酶，（上文第（4））和热休克蛋白90以及II型DNA拓扑异构酶中的折叠

5、HSP70/RNAseH折叠

  存在于热休克蛋白70和与清理RNA:DNA杂交体有关的RNAaseH中的折叠。

以上4和5类折叠与多肽折叠三维空间结构和RNA:DNA非B型结构的处理，属于相对特定功能化的折叠。但这些家族的“折叠”虽然在拓扑结构上存在明显不同于前三个家族的结构特征，但它们依然可以结合和水解嘌呤三磷酸，因此依然属于一类“分子马达”。但鉴于本系列的主旨，故不做详述。