Science：提醒哺乳植物线粒体复合物I的感化机制

2020年9月27日讯/BIOON/---线粒体是我们细胞的能量工场，它发生的能量支持着性命。一种称为复合物I（complex I）的巨型分子质子泵至关主要：它启动了连续串的反响，构建出质子梯度来驱动ATP发生。虽然复合物I发扬着焦点感化，然则它跨膜运输质子的机制至今仍不为人所知。

现在，在一项新的研讨中，奥天时迷信技巧研讨所的Leonid Sazanov及其研讨团队破解了复合物I的任务道理之谜：它的构型变更与静电波相联合，将质子移入线粒体基质中。相干研讨成果于2020年9月24日在线揭橥在Science期刊上，论文题目为“The coupling mechanism of mammalian respiratory complex I”。

膜上的复合物I，水分子显示为白色球体，醌用黑色表现，NADH用灰色表现。图片来自IST Austria。 复合物I是呼吸链中的第一个酶。呼吸链由线粒体内膜中的一系列卵白复合物构成，担任细胞的年夜部门能量临盆。在呼吸链中，三种膜卵白树立了质子梯度，将质子从细胞质中移入线粒体基质。驱动这个进程的能量次要来自于NADH分子（起源于我们吃的食物）和我们呼吸的氧气之间的电子转移。ATP合酶是呼吸链中的最初一个卵白，应用这种质子梯度发生ATP。

复合物I如斯惹人存眷不只在于它在性命中的焦点感化，还在于它的体积：真核生物复合物I的分子量为1兆道尔顿，是最年夜的膜卵白之一。这种尺寸也使得复合物I难以研讨。2016年，Sazanov团队继2013年解析出一种较为复杂的酶的构造后，又率先肯定了哺乳植物复合物I的构造。然则，复合物I跨膜挪动质子的机制不断存在争议。Sazanov说明说，“一种不雅点是复合物I的一部门像活塞一样任务，以翻开和封闭质子经过的通道。另一种不雅点是复合物I中间的氨基酸残基充任了驱动器的感化。现实证实，一种更不平常的机制在发扬感化。”

水线协助质子在膜上腾跃

此前，Sazanov团队已发明L型的复合物I由亲水臂和膜臂构成。在亲水臂中，电子从NADH转移到疏水性电子：醌。膜臂是产生质子转运的处所，有三个相似的构造与反向转运体（antiporter）相干的亚基，还有一个含有醌联合腔的亚基。在这个醌联合腔中，复合物I在每个催化周期将两个电子转移给醌，醌将电子进一步转移给复合物III和复合物IV。然则，因为这些反向转运体样亚基远离醌联合腔，电子与醌之间的互相感化若何可以让每个催化周期的4个质子跨膜挪动，就成了谜团。

为懂得决这个难题，Sazanov团队对绵羊复合物I停止了高温电镜研讨。在连续串的尽力下，论文第一作者、Sazanov团队的博士生Domen Kampjut解析出在分歧前提下取得的复合物I的23种分歧构造。经过添加NADH和醌，他们可以捕获到复合物I在任务时的图像，个中在任务时，它在两个次要形态之间改动构象。因为完成了高分辩率，他们可以辨认这种卵白外部的水分子，这些水分子是许可质子转移的症结。他们发明，膜臂中间轴上的很多水分子为质子在极性氨基酸残基和水之间的腾跃供给了门路，从而构成了沿着和跨过膜的通道。

但只要在离醌最远的一个亚基中，质子才会跨膜腾跃。其他两个亚基则在这个最远的亚基和醌之间供给耦合。当醌联合腔“等候”醌的到来时，一个螺旋阻拦了膜臂中间轴中的水线（water wire）。当醌在醌联合腔中联合时，这个区域四周的卵白构象产生了宏大的变更，这个螺旋产生扭转。这时，水线衔接了复合物I的一切膜亚基，两个质子被转移到醌，从而完成对醌的复原。这种机制的这个症结部门在于第一个反向转运体邻近发生了电荷，并启动了带电氨基酸残基之间互相感化的静电波，该静电波沿着这些反向转运体传达，招致总共四个质子的转移。

Sazanov说明说，“我们发明一种新的、意想不到的机制在复合物I中起感化。构象变更和静电波相联合驱动质子跨膜转移。这似乎有点过度，但能够有助于这种机制坚持强健。”

这项新的研讨弥补了Sazanov团队在过来两个月中揭橥的两项研讨：个中的一项研讨触及复合物I中质子泵送机制（Nature Communications, 18 August 2020, doi:10.1038/s41467-020-17957-0），别的一项触及MRP反向转运体的构造（eLife, 31 Jul 2020, doi:10.7554/eLife.59407）。复合物I就是由MRP反向转运体演化而来的。（100医药网 100yiyao.com）

参考材料：

1.Domen Kampjut et al. . Science, 2020, doi:10.1126/science.abc4209.

2.Javier Gutiérrez-Fernández et al. . Nature Communications, 2020, doi:10.1038/s41467-020-17957-0.