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研究人员解决了巨大的分子质子泵如何工作的谜

线粒体是细胞的动力源,产生支持生命的能量。巨大的分子质子泵(称为复合物I)至关重要:它使一系列反应运动,产生质子梯度,从而为细胞燃料ATP的产生提供动力。尽管我扮演着复杂的中心角色,但迄今为止,质子跨膜传输质子的机制尚不清楚。

现在,奥地利科学技术学院的Leonid Sazanov和他的小组解决了我如何工作的谜团:蛋白质的构象变化与静电波结合将质子移动到线粒体基质中。这是今天发表在《科学》杂志上的一项研究的结果。

复合物I是呼吸链中的第一种酶,是线粒体内膜上的一系列蛋白质复合物。呼吸链负责细胞的大部分能量产生。在这条链中,三种膜蛋白建立了一个质子梯度,将它们从细胞的细胞质移至称为基质的线粒体内部空间。此过程的能量主要来自NADH分子之间的电子传递,NADH分子源自我们吃的食物和呼吸的氧气。ATP合酶是链中的最后一个蛋白质,然后使用该质子梯度生成ATP。复合物I的卓越之处不仅在于其在生命中的核心作用,还在于其巨大的尺寸:真核复合物I的分子量为1 Megadalton,是最大的膜蛋白之一。

Sazanov和他的小组在2013年采用简单细菌酶的结构后,首先解决了哺乳动物复合物I的结构。但是,复合物I使质子跨膜移动的机制仍存在争议。“一个想法是,复合体的一部分就像活塞一样,用来打开和关闭质子通过的通道”,萨扎诺夫解释说。“另一个想法是,在复合体中心的残基我起驱动作用。事实证明,一个更不寻常的机制正在起作用。”

水线帮助质子跨膜跳动

之前,Sazanov及其小组已证明L型复合物I由亲水和膜臂组成。在亲水臂中,电子从NADH隧穿到疏水电子载体醌。发生质子易位的膜臂具有三个相似的亚基,其结构与反向转运蛋白有关,一个亚基包含醌结合腔。在该空腔中,配合物I在每个催化循环中将两个电子转移至醌,后者将电子进一步传递至配合物III和IV。但是,围绕着电子和醌之间的相互作用如何使每个周期的四个质子在整个膜上移动,这是一个谜,因为类似反向转运蛋白的亚基离醌腔很远。为了解决这个难题,Sazanov和他的团队对绵羊复合体I进行了冷冻电磁分析。

经过努力,博士生Domen Kampjut解决了23种不同结构的I复合物,它们是在不同条件下获得的。通过添加NADH和醌,研究人员可以捕获工作中的复杂I图像,从而改变两个主要状态之间的构象。由于获得了高分辨率,它们可以解析蛋白质内部的水分子,这对于允许质子转移至关重要。他们发现,膜臂中心轴上的许多水分子为质子提供了一种在极性残留物和水之间跳跃的方式,从而形成了沿膜和跨膜的路径。

但是质子仅在离醌最远的一个亚基中跳过膜。其他两个亚基宁可在最远的亚基和醌之间提供偶联。当装订腔“等待”醌时,螺旋线会在中心轴上挡住水线。当醌结合在结合腔中时,该区域周围的蛋白质构象发生剧烈变化,并且该螺旋旋转。现在,水线连接了复合物I的所有膜亚基,两个质子被传递到醌,以完成还原。

该机制的关键部分在第一个反转运蛋白附近产生电荷,并引发带电残基之间相互作用的静电波,该静电波沿反转运蛋白传播,导致总共四个质子易位。Sazanov解释说:“我们证明了复合物I中一种新的出乎意料的机制正在起作用。构象变化和静电波的混合将质子泵过膜。” “这种机制是非常不寻常的,因为它牵涉到蛋白质内部整个螺旋的旋转。这似乎有点过分,但可能有助于该机制的鲁棒性。”

这项新的研究补充了最近两个月Sazanov研究小组发表的关于细菌复合体I中质子泵入机理的研究(《自然通讯》)和MRP反转运蛋白结构的研究(eLife)。

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