2018-11-06 00:04:02
准备好它的特写细菌的电子传递途径

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在Hongri Gong及其同事最近进行的一项研究中,从耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)中分离出呼吸道超复合物,并使用低温电子显微镜(cryo-EM)以3.5的分辨率显示其结构。该细菌与结核分枝杆菌密切相关,是一种用于研究许多其他细菌物种的流行模型。详细的结构揭示了电子如何在迄今为止看不到的过程中在细胞中转移。

通常,通过耦合能量源(糖,脂肪酸和氨基酸)的氧化和电子受体(氧,硫,硝酸盐)的还原,在细胞呼吸过程中提取合成三磷酸腺苷(ATP)和能量细胞反应的化学能。和硫酸盐)。在有氧细胞呼吸中,能量通过电子传递链(ETC)从电子供体提取到末端受体氧,以产生跨膜质子梯度,称为驱动ATP合成的质子动力(PMF)。现在发表在“科学”杂志上的新结果揭示了酶之间电子转移的直接联系,代表了一种新的呼吸链催化模式。

醌和细胞色素是ETC中的两种类型的电子载体,用于使电子穿过膜中嵌入的大分子结构。四种膜氧化还原酶参与线粒体呼吸链的电子转移。这些包括复合物I(NADH:泛醌氧化还原酶,CI),复合物II(琥珀酸酯:泛醌氧化还原酶,CII),复合物III(bc1型泛醇: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)。根据功能,CIII可以将泛醇氧化成泛醌并将电子传递给可溶性细胞色素c。然后将电子穿梭到CIV,在那里氧气被还原成水。跨膜PMF通过CI,CIII和CIV中的质子泵浦产生。

在原核呼吸链中,情况更复杂。由于其复杂性,尚未在细胞类型中确定完整的电子流路径。因此,有必要了解细菌电子转移过程中涉及的“超复合物”的完整结构,以帮助实现目标。在这项研究中,研究人员从耻垢分枝杆菌中提取并纯化了复合物,使用低温电子显微镜(cryo-EM)以3.5的分辨率显示了该结构。该结构为呼吸超复合体内直接电子转移的机制提供了重要的见解。超复合物的尺寸在200×70×120埃的范围内,在对称的线性结构中完全不同于先前报道的呼吸超复合物。通过组成,排列线性二聚体CIV1-CIII2-CIV1,使得单侧CIV在两侧与中央CIII二聚体侧接。该信息揭示了电子转移过程中酶之间的直接联系,代表了一种新的呼吸链催化模式。详细的结构发现有可能有助于抗分枝杆菌药物发现的努力。

在细菌细胞培养实验期间,作者使用结核分枝杆菌样过敏性耻垢分枝杆菌突变株。培养细胞并如前所述分离膜。在细胞培养,收获和细胞裂解后,收获细胞膜沉淀以提取呼吸超复合物。使用光学光谱法,质谱法和3,3'-二氨基联苯胺(DAB)染色表征超复合物。为了鉴定血红素基团,通过如前所述用连二硫酸盐还原之前和之后记录光谱来分析所选的级分。使用天然质谱法分析纯化的样品以研究结构,并使用先前建立的方案分析各个结构组分。

在低温EM分析期间,研究人员使用乙酸双氧铀(1%w / v)进行阴性染色,使用浓度为0.05 mg / ml的5μl超复合物样品,在120℃下操作的FEI Tecnai Spirit显微镜上拍摄图像。初始模型建立的kV。使用来自53个显微照片的负染色样品的超复合物的低分辨率重建处理所获取的图像。为了完全重建超复合物,作者在冷冻EM图像处理过程中从8,200张原始显微照片中手动选择了7,600张显微照片。研究中的所有数据均使用PyMOL或UCSF嵌合体创建。

作者揭示了耻垢分枝杆菌细菌的CIII-CIV呼吸超复合物的低温-EM结构。 复合物内电子传递途径的范围从CIII中的喹啉氧化到CIV中的氧还原。 结果显示了分叉电子转移的新机制,以确保完成Q循环(质子穿过脂质双层的净运动)以进行能量转导。 超氧化物歧化酶在系统结构中的结合可以防止活性氧(ROS)的氧化损伤。 醌结合位点的结构也为基于结构的抗微生物药物发现的未来研究提供了框架。

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