在一項新的研究中，中國科學院生物物理研究所饒院士、研究員、研究員及其同事分離出恥垢分枝桿菌的呼吸超復合體，并用冷凍電鏡技術(shù)以3.5的分辨率直觀觀察了其三維結(jié)構(gòu)。這種細菌與結(jié)核分枝桿菌關(guān)系密切，是研究多種細菌物種的流行模型。這種詳細的結(jié)構(gòu)揭示了電子是如何在細胞中傳輸?shù)?，這一過程迄今尚未被觀察到。相關(guān)研究成果于2018年10月25日在線發(fā)表在《科學》雜志上，標題為“一種分枝桿菌呼吸超復合體的電子傳遞路徑連接單位”。
一般在細胞呼吸過程中，能量源(糖、脂肪酸和氨基酸)的氧化與電子受體(氧、硫、硝酸鹽和硫酸鹽)的還原相耦合，從中可以獲得化學能合成三磷酸腺苷(ATP)并驅(qū)動細胞反應。在需氧細胞呼吸中，當電子供體通過電子傳輸鏈(ETC)轉(zhuǎn)移到末端電子受體時，這種化學能是由一個稱為質(zhì)子原動力(PMF)的跨膜質(zhì)子梯度產(chǎn)生的，它可以驅(qū)動ATP的合成。在這項新的研究中，這些研究人員揭示了酶之間的電子轉(zhuǎn)移有直接的相關(guān)性，這代表了呼吸鏈的一種新的催化模式。
醌和細胞色素是電子轉(zhuǎn)移鏈中的兩類電子載體，用于在包埋在膜中的較大分子結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移電子。四種膜氧化還原酶參與線粒體呼吸鏈的電子轉(zhuǎn)移。它們包括復合物(NADH :泛醌氧化還原酶，CI)、復合物(琥珀酸：泛醌氧化還原酶，CII)和復合物(bc1泛醇；細胞色素C氧化還原酶，bc1型CIII)和復合物IV(aa3型細胞色素C氧化酶，aa3型CIV)。在功能上，復合物CIII可以將泛醇氧化成泛醌，并將電子轉(zhuǎn)移到可溶性細胞色素C。然后電子被轉(zhuǎn)移到復合物CIV，在那里氧氣被還原成水?？缒MF是由復合物CI、CIII和CIV中的質(zhì)子泵產(chǎn)生的
在原核生物的呼吸鏈中，情況更加復雜。由于這種復雜性，完整的電子轉(zhuǎn)移途徑尚未在原核細胞中確定。因此，有必要了解參與細菌電子轉(zhuǎn)移的呼吸鏈超級復合體的完整結(jié)構(gòu)。在這項新的研究中，這些研究人員從恥垢分枝桿菌中提取并純化了這種呼吸鏈的超級復合物，并通過低溫電子顯微鏡以3.5的分辨率直觀地觀察了其結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)為揭示呼吸鏈超復合體中的直接電子轉(zhuǎn)移機制提供了重要的見解。這種呼吸鏈超級復合體的大小在200 70 120的范圍內(nèi)，并且以對稱的線性結(jié)構(gòu)存在，與之前報道的呼吸鏈超級復合體完全不同。在組成上，線性的CIV1-CIII2-CIV1二聚體被排列成使得單一化合物CIV1位于中心化合物CIII2二聚體的兩側(cè)。這一信息揭示了電子轉(zhuǎn)移過程中酶之間存在直接的相關(guān)性，代表了一種新的呼吸鏈催化模式。這一詳細的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有助于發(fā)現(xiàn)抗分枝桿菌的藥物。
在細菌細胞培養(yǎng)實驗中，這些研究人員使用類似結(jié)核分枝桿菌的過氧化氫來抵抗恥垢分枝桿菌突變株。培養(yǎng)這些細菌細胞，然后根據(jù)前面描述的方法分離它們的細胞膜(微生物學，2006，152:823-829，DOI 3360 10.1099/MIC.0.28723-0)。細菌細胞培養(yǎng)、收集和裂解后，收集其細胞膜沉淀物，然后提取細胞膜中的呼吸鏈超復合物。隨后，他們使用光譜學、質(zhì)譜和3，3’-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)染色來描述這種呼吸鏈超級復合物的特征。為了鑒定血紅素基團，根據(jù)以前的方法(生物化學雜志，2015，DOI :10.1074/JBC。M114.624312)，他們通過記錄連二硫酸鹽還原前后的光譜分析了一些選定的樣品。他們利用天然質(zhì)譜分析純化的呼吸鏈超復合物樣品來研究其結(jié)構(gòu)，并利用之前建立的實驗方法來分析這種呼吸鏈超復合物的單一結(jié)構(gòu)成分。
在低溫電子顯微鏡分析過程中，這些研究人員使用乙酸鈾酰(1%，w/v)對濃度為0.05 mg/ml的5l恥垢分枝桿菌呼吸鏈超復合體樣品進行陰性染色，然后使用在120kV下運行的FEI Tecnai Spirit顯微鏡拍照，用于初始結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建。他們通過處理來自呼吸鏈超級復合體自染色樣本的53張顯微照片，重建了呼吸鏈超級復合體的低分辨率結(jié)構(gòu)。為了完整地重建這個呼吸鏈超級復合體的結(jié)構(gòu)，他們在低溫電鏡圖像處理過程中，從8200張原始圖片中手工選取了7600張圖片。本研究中的所有圖片都是用PyMOL或UCSF嵌合體構(gòu)建的。
這些研究人員揭示了恥垢分枝桿菌CIII-CIV呼吸鏈超級復合體的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。這種呼吸鏈超配合物中電子轉(zhuǎn)移途徑的范圍是從配合物CIII中的喹啉氧化到配合物CIV中的氧還原，這些結(jié)果表明了一種新的分叉電子轉(zhuǎn)移機制，它保證了醌循環(huán)(Q循環(huán)，即質(zhì)子通過脂雙層的凈運動)和能量轉(zhuǎn)換的完成。氧化物歧化酶(SOD)直接參與這種呼吸鏈超復合物的組裝，可以保護其免受活性氧(ROS)的氧化損傷。醌結(jié)合位點的分布也為未來基于結(jié)構(gòu)開發(fā)抗微生物藥物提供了框架。
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