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我们科学家解开分枝杆菌能量代谢之谜

导读 在一项新的研究中,中国科学院生物物理研究所饶院士、研究员、研究员及其同事分离出耻垢分枝杆菌的呼吸超复合体,并用冷冻电镜技术以3 5的

在一项新的研究中,中国科学院生物物理研究所饶院士、研究员、研究员及其同事分离出耻垢分枝杆菌的呼吸超复合体,并用冷冻电镜技术以3.5的分辨率直观观察了其三维结构。这种细菌与结核分枝杆菌关系密切,是研究多种细菌物种的流行模型。这种详细的结构揭示了电子是如何在细胞中传输的,这一过程迄今尚未被观察到。相关研究成果于2018年10月25日在线发表在《科学》杂志上,标题为“一种分枝杆菌呼吸超复合体的电子传递路径连接单位”。

一般在细胞呼吸过程中,能量源(糖、脂肪酸和氨基酸)的氧化与电子受体(氧、硫、硝酸盐和硫酸盐)的还原相耦合,从中可以获得化学能合成三磷酸腺苷(ATP)并驱动细胞反应。在需氧细胞呼吸中,当电子供体通过电子传输链(ETC)转移到末端电子受体时,这种化学能是由一个称为质子原动力(PMF)的跨膜质子梯度产生的,它可以驱动ATP的合成。在这项新的研究中,这些研究人员揭示了酶之间的电子转移有直接的相关性,这代表了呼吸链的一种新的催化模式。

醌和细胞色素是电子转移链中的两类电子载体,用于在包埋在膜中的较大分子结构之间转移电子。四种膜氧化还原酶参与线粒体呼吸链的电子转移。它们包括复合物(NADH :泛醌氧化还原酶,CI)、复合物(琥珀酸:泛醌氧化还原酶,CII)和复合物(bc1泛醇;细胞色素C氧化还原酶,bc1型CIII)和复合物IV(aa3型细胞色素C氧化酶,aa3型CIV)。在功能上,复合物CIII可以将泛醇氧化成泛醌,并将电子转移到可溶性细胞色素C。然后电子被转移到复合物CIV,在那里氧气被还原成水。跨膜PMF是由复合物CI、CIII和CIV中的质子泵产生的

在原核生物的呼吸链中,情况更加复杂。由于这种复杂性,完整的电子转移途径尚未在原核细胞中确定。因此,有必要了解参与细菌电子转移的呼吸链超级复合体的完整结构。在这项新的研究中,这些研究人员从耻垢分枝杆菌中提取并纯化了这种呼吸链的超级复合物,并通过低温电子显微镜以3.5的分辨率直观地观察了其结构。这一结构为揭示呼吸链超复合体中的直接电子转移机制提供了重要的见解。这种呼吸链超级复合体的大小在200 70 120的范围内,并且以对称的线性结构存在,与之前报道的呼吸链超级复合体完全不同。在组成上,线性的CIV1-CIII2-CIV1二聚体被排列成使得单一化合物CIV1位于中心化合物CIII2二聚体的两侧。这一信息揭示了电子转移过程中酶之间存在直接的相关性,代表了一种新的呼吸链催化模式。这一详细的结构发现有可能帮助发现抗分枝杆菌的药物。

在细菌细胞培养实验中,这些研究人员使用类似结核分枝杆菌的过氧化氢来抵抗耻垢分枝杆菌突变株。培养这些细菌细胞,然后根据前面描述的方法分离它们的细胞膜(微生物学,2006,152:823-829,DOI 3360 10.1099/MIC.0.28723-0)。细菌细胞培养、收集和裂解后,收集其细胞膜沉淀物,然后提取细胞膜中的呼吸链超复合物。随后,他们使用光谱学、质谱和3,3’-二氨基联苯胺(DAB)染色来描述这种呼吸链超级复合物的特征。为了鉴定血红素基团,根据以前的方法(生物化学杂志,2015,DOI :10.1074/JBC。M114.624312),他们通过记录连二硫酸盐还原前后的光谱分析了一些选定的样品。他们利用天然质谱分析纯化的呼吸链超复合物样品来研究其结构,并利用之前建立的实验方法来分析这种呼吸链超复合物的单一结构成分。

在低温电子显微镜分析过程中,这些研究人员使用乙酸铀酰(1%,w/v)对浓度为0.05 mg/ml的5l耻垢分枝杆菌呼吸链超复合体样品进行阴性染色,然后使用在120kV下运行的FEI Tecnai Spirit显微镜拍照,用于初始结构模型构建。他们通过处理来自呼吸链超级复合体自染色样本的53张显微照片,重建了呼吸链超级复合体的低分辨率结构。为了完整地重建这个呼吸链超级复合体的结构,他们在低温电镜图像处理过程中,从8200张原始图片中手工选取了7600张图片。本研究中的所有图片都是用PyMOL或UCSF嵌合体构建的。

这些研究人员揭示了耻垢分枝杆菌CIII-CIV呼吸链超级复合体的低温电镜结构。这种呼吸链超配合物中电子转移途径的范围是从配合物CIII中的喹啉氧化到配合物CIV中的氧还原,这些结果表明了一种新的分叉电子转移机制,它保证了醌循环(Q循环,即质子通过脂双层的净运动)和能量转换的完成。氧化物歧化酶(SOD)直接参与这种呼吸链超复合物的组装,可以保护其免受活性氧(ROS)的氧化损伤。醌结合位点的分布也为未来基于结构开发抗微生物药物提供了框架。

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