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【PDB-101】2022年9月 月度分子:呼吸超复合体【搬运·翻译】

2022-11-29 18:30 作者:从前有个ATP  | 我要投稿

——线粒体中的三个电子传递复合体装配成一整个超复合体

由复合体I(红色)、复合体III(蓝色)和复合体IV(黄色)组成的呼吸复合体与较小的电子载体泛醌(取自PDB ID 7v2c)和细胞色素c(PDB ID 3zcf)的合影。三个复合体中由线粒体基因组编码的亚基以深色显示。

    细胞里的蛋白质们会不会“组队”,形成具有特定功能的巨型复合体?数十年来,研究者们一直对这个问题感到好奇。有一些复合体——比如将所有糖酵解酶集合在一起的“糖酵解体”(glycosome)——目前只存在于猜想当中,没有被直接观察到过;同时,的确有那么一些复合体已经进入了研究者们的视线,譬如说将八种氨酰-tRNA合成酶囊括其中的多合成酶复合体,或是由光合中心及天线蛋白(ATP注:也就是“捕光复合体”,简称LHC)组成的庞大超复合体。最近,研究者们注意到了一张新面孔的存在,那就是呼吸超复合体(respiratory supercomplex)。又名“呼吸体”(respirasome)的它(PDB ID 5xth)由电子传递链里的三个跨膜组分组成:复合体I、二聚化的复合体III与复合体IV。它们住在线粒体里,借产自柠檬酸循环的电子(由电子载体NADH提供)之力产生跨内膜的电化学梯度,为ATP合成酶提供动力。正如下文将要提到的那样,除它之外还有其他类型的呼吸超复合体,执行与它的日常工作相关的任务。

为啥要组队呢?

    这些分子机器干吗要组装成那么大一个超复合体呢?有一个好处很明显,那就是组队之后的它们彼此离得更近了,这样在它们之间运送电子的泛醌(ubiquinone)和细胞色素c(cytochrome c)就不必累死累活跑那么远了。只可惜,这种“底物导引”(substrate channeling)现象并不容易通过实验观测到。有意思的是,研究者们发现,比起分散的呼吸蛋白,组成超复合体的呼吸蛋白产生的活性氧——将电子最后传递给分子氧时产生的危险副产物——更少。

线粒体的进化

    凑近一点仔细观察的话,你能从组成呼吸体的三个复合体之中瞥见真核细胞早期进化的一方图景。这些复合体各自由许多亚基组成,其中有一部分亚基是被线粒体里那个小小的DNA基因组编码的。研究认为,线粒体基因组的起源可以追溯到真核细胞之诞——其时一个小细胞以定居在另一个细胞内的方式与之共生,因而这部分基因组编码的信息或许最能展现出那些复合体“最初”的样子。把细菌中类似的呼吸蛋白与线粒体中这些复合体做做比较,你还能找出支持上述猜想的更多线索。比方说,线粒体的呼吸蛋白和细菌的呼吸蛋白都有一套彼此相似的“核心”组分,其上点缀着众多“额外”的亚基,帮助呼吸蛋白们适应不同细胞的不同需求。说巧不巧,所有线粒体基因组编码的亚基都是核心亚基。

复杂的复合体

被SCAF1(绿色)拴在一起的复合体III和复合体IV与复合体II(梅红色)的合影。

    线粒体里的呼吸蛋白复合体们并不止有一种存在状态,它们既能以单个复合体的形式分离地存在,也可以彼此结合为不同的超复合体。这边儿展示的超复合体只含有复合体III和复合体IV两个组分,外加一个把它俩粘在一起的小蛋白SCAF1(PDB ID 7o37)。发现这个超复合体后,研究者们猜想,它或许有利于复合体III在空间上接近复合体II(来自PDB ID 1zoy)提供的泛醌。复合体II别名琥珀酸脱氢酶,它是柠檬酸循环的一员,同时也向电子传递链提供电子。

探索结构:呼吸体的四种视图

    拜冷冻电镜的分辨率革命所赐,我们现在已能将这些庞然大物所有结构上的细节尽收眼底。上图用四种可视化方式显示了呼吸体功能特性的四个侧面。第一种方式按照疏水性对整个超复合体上色,可以想象中间那一大片满布疏水性氨基酸(黄色)的地带是如何将超复合体定位在线粒体膜上的。另一种视图突出展示了众多辅因子,它们把电子传来传去,从这个复合体传到那个复合体,最终送给氧分子。下方两种视图分别高亮显示了线粒体基因组编码的亚基和核心亚基,后者组成各个复合体的中央结构。对这些结构的细节感到好奇的话,不妨去PDB-101原网站查看可以互动的JSmol文件。

更多话题

1.人们已经观察到了比文中所述更加巨大的呼吸超复合体。举个例子的话,可以去看看PDB ID 5xti当中的“巨复合体”(megacomplex)。(ATP注:这个“巨复合体”由复合体I、复合体III和复合体IV各2个组成,是名副其实的庞然大物哦……强烈推荐亲自去PDB瞻仰它的风姿=w=)

2.你可以去电子显微镜数据库(EMDB)探究这些超复合体的冷冻电镜图谱,比方说呼吸体的(网址:https://www.ebi.ac.uk/emdb/EMD-6775)。

    之前写有关于RyR2的东西时老是说到RyR2超复合体,于是我莫名其妙地产生了对上过月度分子的超复合体们的兴趣╮( ̄▽ ̄)╭ 我印象中除了这篇以外月度分子上至少还有两篇是围绕着某个有趣的超复合体写的,一个是去年讲的(并且让我大开眼界的)基因表达复合体,还有一个是前年的光合作用超复合体(就是本文中提到过的“光合中心及天线蛋白”组成的东西)。嗨呀,什么时候我可爱的RyR2才能上月度分子呢!无论如何,细胞内的分区可不止于不同细胞器的划分,很多时候功能上相关的大分子就是喜欢通过千奇百怪的方式贴贴凑在一起,形成独特的微环境,有点像专门负责某种代谢的“工场”(像是呼吸超复合体)或是针对某种生命过程的控制中心(像是RyR2超复合体),当然也经常兼而有之。这样做有明显的好处(文中已经提到过了),大概也有那么些不太明显的好处。甚至,说不定组成某些超复合体的一些组分最开始就是连在一起的,后来出于鬼知道什么原因又分开了。这句是我猜的,不过鉴于我对这些超复合体的了解说实话不太多,所以……说不定真的有我没看到过的证据了呢?(~ ̄▽ ̄)~ 

    假设明天有时间的话,我明天应该就会投基因表达复合体那篇的翻译……吧……_(:з」∠)_


    因技术与能力限制,请前往原网页以查看原文中所有超链接(严谨:除“更多话题”中那个我已经给出来链接的之外)以及可互动的JSmol文件。

    强烈推荐去PDB-101官网查看原文,顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

作者:David S. Goodsell

原文网址:https://pdb101.rcsb.org/motm/273

PDB-101首页:https:/pdb101.rcsb.org/

RCSB PDB首页:https://www.rcsb.org/

封面图来源:Melber, A., and Winge, DR. Inner Secrets of the Respirasome. Cell 167, 1450-1452 (2016). DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.025

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