发布日期：2022-05-31
水木视界iss.5丨借助冷冻电镜，蛋白质的呼吸机制首次被可视化
水木视界iss.5丨借助冷冻电镜，蛋白质的呼吸机制首次被可视化
发布日期：2022-05-31 12:27
氧气和糖是动物、植物、真菌和许多细菌的生命之本。"呼吸"这一新陈代谢过程使得细胞能够将食物转化为能量。生物化学家Carola Hunte教授和她来自弗莱堡大学卓越中心CIBSS的团队借助冷冻电镜，以极高的精度首次可视化了那些为人类提供能量的蛋白质系统的结构和功能。该小组研究了由两个呼吸链复合物结合成的一组超复合物放线菌。
除了提供呼吸过程的基本阐释外，冷冻电镜的解析可以助力结核病或白喉治疗的新药研发。亨特解释说："这些结构图像让我们体验了一次分子内部之旅，观察到他们的工作方式及一些奇特的现象。阐明结构的同时，也解释了超复合物是如何工作的。" 这项研究的结果发表在Nature Communications上，该研究是与法国国家科学研究中心的综合生物学中心（CBI）、遗传学和分子与细胞生物学研究所（IGBMC）的研究主任Bruno Klaholz博士、法国国家健康与医学研究院(Inserm)和法国斯特拉斯堡大学合作完成的。
细胞的能量货币
三磷酸腺苷(ATP)是细胞的能量货币——ATP由呼吸产生，并将能量从食物转移到细胞内以进行所有的细胞工作。受益于呼吸链的转化，二磷酸腺苷(ADP)被转化为富含能量的ATP。为了完成这一转化，呼吸链的蛋白质复合物在一个复杂的生化过程中用电子和质子形成跨越膜的电化学驱动力，该生化过程的动力由糖的燃烧提供。
该研究的第一作者Hunte团队的Wei-Chun Kao博士解释说："我们分析了呼吸系统细胞色素bcc-aa3超复合物，二十六个蛋白质组成了这个蛋白质系统。在这之前，我们并不清楚他们的分子力和动力的具体互动。" 研究人员发现，该复合物的质子泵与人类非常相似，但电子被电子载体醌接管的部分在细菌中显示出明显的差异。"这个差异使我们可以借机开发特定的药剂，通过干扰呼吸链来杀死致病放线菌，如结核分枝杆菌或白喉杆菌，"Hunte补充说。
使用冷冻电镜对细胞色素bcc-aa3超复合物成像，可以详细了解呼吸酶的分子结构和功能
具有原子分辨率的冷冻电镜
冷冻电镜（Cryo-EM）是一种在零下183摄氏度的低温下用高分辨率显微镜检查样品的技术，可以将结构解析到单原子水平。在这个过程中，机器学习算法被用来进一步完善收集到的数据。
"有了这些(冷冻电镜)数据，我们可以更好地了解新陈代谢和信号传导的相互作用，这是CIBSS卓越中心目前的重点课题。"—Carola Hunte教授，弗莱堡大学CIBSS卓越中心
支持性内容
相关Nature Communications文章:
"Structural basis for safe and efficient energy conversion in a respiratory super-complex", DOI: 10.1038/s41467-022-28179-x
学界认为，质子转运呼吸复合物组成超复合物的举动是为了提高能量转换的效率，限制有氧细胞呼吸过程中有害活性氧的产生。细胞色素bc复合体和细胞色素aa3氧化酶是质子动力的主要驱动力，通过呼吸作用为ATP的产生提供动力，但在超复合物的状态下，用何种方法转移消耗掉的电子和质子以提高安全性和效率还不清楚。
A. 呼吸体蛋白超复合物中能量转换的示意图。细胞基数交换复合物在Qo处与甲基萘酚氧化一起运行Q循环，与质子释放到正电膜侧的位点耦合（H+P），并在 Q 时减少甲萘醌我从电负性膜侧吸收质子的位点（H+N），通过分叉电子转移链接。氧化酶作为氧化还原驱动的质子泵运行。
B. 细胞性密闭锁细胞的冷冻电镜结构3超级复杂。同源二聚体的原子模型平行于透明表面显示的膜且叠加。亚基采用颜色编码，并带有匹配的下划线标签。
C. 具有去垢剂的超复合物的3D重建。P和N分别表示膜的正极和负极。实验图的等值线水平设置为3.5均方根偏差（rmsd）。
我们通过解析谷氨酸放线菌的细胞色素bcc-aa3（III2-IV2）超复合物的2.8 Å分辨率冷冻电镜结构，解决了甲萘醌、底物模拟物、番茄红素、意外的Qc位点、分子氧、质子转移路线以及关键质子化残基的构象状态等问题。我们的研究结果阐释了在呼吸体蛋白超复合物中，如何通过控制电子和质子转移实现安全和高效的能量转换。该冷冻电镜结构可以指导引起白喉和肺结核的放线菌的针对性药物的合理设计。
本文转载自Science Daily:
"Researchers visualize protein machinery of respiration for the first time"
水木视界丨iss. 5
分享到：