<form id="1tbf9"><nobr id="1tbf9"></nobr></form>

          <address id="1tbf9"></address>

            <address id="1tbf9"></address>

                    <form id="1tbf9"></form>

                    ./t20201123_1037719_taonews.html
                    專題
                    首頁  >  專題  >  媒體視點  >  名刊精選  >  《科學通報》

                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

                    文章數
                    分享到:

                    呼吸的奧秘

                    2020-11-23 13:43:00

                      呼吸作用是最基本的生命活動之一。20世紀初, 科學家們發現了一系列可以進行電子傳遞的鐵硫中心、卟啉環等輔基, 而后又逐步鑒定出這些輔基固定在一系列的蛋白質復合物中。最近, 人們發現這些蛋白質復合物并不是相互獨立存在的, 而是傾向于結合在一起形成呼吸體。

                      生命在于運動。宇宙星辰周轉不息,同樣,細胞內的一切都在不斷運動之中。細胞作為一個整體在運動,單獨的細胞器行使功能也在運動,甚至于每一個蛋白質分子發生構象變化都是在運動,運動是生命乃至宇宙的基本規律。運動必須有能量供應,而為細胞運動提供能量的則是呼吸。你可能從來都沒有想過,一呼一吸之間看似平常,實則另有乾坤。

                      作為個體水平上的呼吸運動指的是人通過口鼻將空氣吸入肺部,在肺泡中與血液完成氣體交換后再排出體外。在細胞水平上,呼吸作用則有另外一番完全不同的含義。細胞呼吸發生在線粒體中。攝入人體的營養物質經過分解代謝產生大量的高能化學分子,最常見的是NADH和FADH。這些高能分子在線粒體中將高能電子通過固定在線粒體內膜上的線粒體呼吸鏈傳遞給分子態氧生成水,同時溫和地釋放能量產生質子梯度,之后,ATP合成酶利用質子梯度合成可直接為生命活動供能的高能分子三磷酸腺苷(ATP)。這一過程概括起來很簡單,而實際上,每一步都涉及到非常復雜的生化反應,并且受到嚴格的調控以滿足不同狀態下細胞的能量需求。接下來,讓我們來探索呼吸的奧秘。

                      我們的故事從線粒體開始講起。線粒體是細胞內由雙層膜包被的大型細胞器,是細胞內的能量工廠,呼吸作用發生的主要場所,其直徑大約為0.5~1微米。除呼吸作用外,線粒體還參與了一系列重要的生命活動,包括糖類和脂質的代謝、細胞凋亡、衰老以及鈣離子穩態的調節等。線粒體外膜通透性較高,結構較為簡單。線粒體內膜組成成分則較為復雜,含有豐富的蛋白質和心磷脂以及少量的膽固醇,且可以向內折疊形成嵴,其上分布著大量進行細胞呼吸的蛋白質復合物。嵴的存在極大地擴展了線粒體內膜的表面積,增加了呼吸作用進行的空間(圖1)。

                      從20世紀中葉開始,進行呼吸作用的大分子蛋白質復合物相繼被分離和鑒定出來,至今科學家們都在研究這些大分蛋白機器的功能機理。這些蛋白質機器包括復合物I(NADH脫氧酶,NADH dehydrogenase),復合物II(琥珀酸脫氧酶,succinate dehydrogenase),復合物III(細胞色素c還原酶,cytochrome c reductase),復合物IV(細胞色素c氧化酶,cytochrome c oxidase),以及復合物V(ATP合成酶,ATP synthase)。其中,復合物V以二聚體的形式存在于線粒體嵴上,并且常常沿著嵴的折疊處呈條帶狀排列,而復合物I到IV的組合形式則較為復雜。起初,人們認為復合物I到IV在線粒體嵴上是相互獨立存在的,每一個單獨的復合物獨立完成電子傳遞(也就是能量釋放)的一部分過程,而它們之間的電子傳遞則通過在線粒體內膜上游離的輔酶Q和細胞色素c來完成?,F在看來這樣的電子傳遞方式和蛋白質組合形式是低效的1,2。21世紀初,科學家們檢測到了復合物I到IV更高級的組合形式,超級復合物。在超級復合物中,復合物單體的數量可以發生變化,以形成不同組合形式的超級復合物,而其中具有完整呼吸活性的超級復合物又被稱為呼吸體。2016年9月以來,我們實驗室通過單顆粒冷凍電鏡的方法首次獲得了哺乳動物中呼吸體I1III2IV1的高分辨結構,檢測到復合物I、III和IV之間較為緊密的相互作用,揭示了呼吸體中電子傳遞耦聯質子轉運的分子機理,為呼吸體高效地進行能量轉換提供了有力的證據,相關論文發表在《自然》雜志(Nature)和《細胞》雜志(Cell)上3,4。


                       線粒體嵴剖面圖

                      與獨立發揮作用的呼吸鏈復合物(CI-CIV)相比,呼吸體在結構和功能上具有明顯的優勢。首先,每個單獨的呼吸復合物本身,尤其是CI,就是龐大的蛋白機器,而這些蛋白機器之間的相互結合則能夠起到互相穩定的作用。復合物I在中段通過蛋白亞基NDUFA11與復合物III的蛋白亞基UQCRB和UQCRQ相互作用,在末段通過蛋白亞基ND5、NDUFB8與復合物IV的蛋白亞基COX7A、COX7C相互作用,形成結構更加穩定、功能更加高效的超大蛋白質機器。實驗證明,在復合物III或IV具有缺陷或者被去除的線粒體中,復合物I的穩定性明顯降低。其次,有證據顯示,與單獨的呼吸復合物相比,形成呼吸體后,能夠減少氧化還原反應位點的暴露,因此呼吸作用過程中產生的活性氧簇(ROS)的量也明顯減少,這對降低癌癥發生和延緩衰老都有非常重要的作用2。另外,與單獨的呼吸復合物相比,呼吸體通過在復合物I和復合物III之間形成一個封閉的輔助Q區間(Q pool),在復合物III和IV之間形成細胞色素c的底物通道,對輔酶Q和細胞色素c的實現快速而高效的利用,使呼吸作用過程中的能量轉換效率大大提高。

                      化學燃料的燃燒通常是一個不可控的、劇烈的能量釋放過程,而作為生物體能量來源的有機物質,本質上也是化學燃料。顯而易見,生物體對有機物質中能量的利用,絕不能以燃燒的方式進行,而需要以一個可控、溫和的方式,完成對能量的高效利用。在呼吸體中,CI-CIV作為功能相對獨立的單元,各自都受到嚴格的調控,只完成能量釋放的一部分過程。同時,由于呼吸體中能量轉換的方式并不是通過氧化還原反應直接產生內能,而是通過電子傳遞引起蛋白質的構象變化來轉運質子以產生電化學勢能,在呼吸作用能量轉換的過程中只有很少部分的能量逸散成了內能,甚至這部分內能也可以用于維持生物體的體溫。作為一個整體,呼吸體內各個單元以特定的方式相互結合,相互穩定,以保證底物的高效利用與流通。正是由于呼吸體這一復雜而精妙的結構,才使得生物體對有機物中的能量進行溫和而高效地利用成為可能(圖2)。


                      2 呼吸體結構模型

                      下面,我們以復合物I為例簡單介紹呼吸復合物是如何通過電子傳遞耦聯質子轉運來實現能量的高效利用的。哺乳動物的復合物I是一個大型的蛋白質機器,總共包含45個蛋白亞基,整體上呈L形,由跨膜臂和親水臂接合而成。復合物I的親水臂朝向線粒體基質中,位于其頭部的FMN分子可以結合線粒體基質中的NADH,并將NADH上的兩個電子通過固定在親水臂上的7個鐵硫中心逐個傳遞給結合在親水臂與跨膜臂交界處的輔酶Q上,使輔酶Q呈強電負性。復合物I的跨膜臂有4個由高度保守的跨膜螺旋包圍形成的質子通道,每個質子通道周圍都有兩個跨膜螺旋在線粒體內膜的中部發生斷裂并由一小段可彎曲的肽段連接起來,這樣的結構使得質子通道的構象具有高度的可變性。同時,在跨膜區中,眾多跨膜螺旋的中段含有高度保守的極性氨基酸(賴氨酸、精氨酸、谷氨酸),它們與固定在膜中部的水分子一起形成了一條極性的導線,直接從跨膜區的遠端連接至親水臂和跨膜臂交界處的輔酶Q結合位點,橫跨整個跨膜區,將所有質子通道中部的電性都與復合物I所結合的輔酶Q的帶電性結合起來。結合輔酶Q時,復合物I跨膜區質子通道開口朝向線粒體基質,在輔酶Q獲得電子帶電負性之后,跨膜區中部的極性導線整體呈電負性,從而吸引線粒體基質中豐富的帶正電的質子進入跨膜區中部。隨后,輔酶Q從中獲得兩個質子并從復合物I上脫離出去。輔酶Q的脫離使得跨膜區的質子通道發生構象變化,原本朝向線粒體基質的開口轉而朝向線粒體膜間隙,而此時由于輔酶Q的離去原本膜中間呈電負性的導線恢復電中性,失去對質子的吸引能力。因而,從線粒體基質中吸引進入膜中部的質子被排出,進入線粒體膜間隙,復合物I也就此完成了一個傳遞電子并耦聯質子轉運的循環(圖3)。

                      3 復合物I機理圖左圖為激發狀態,右圖為釋放狀態

                      由上所述,線粒體呼吸鏈復合物的結構設計十分巧妙,將電子傳遞釋放的能量通過蛋白質的構象變化耦聯質子轉運,最終轉換成了由質子梯度所儲存的電化學勢能。同時,這一過程又受到了十分精細的多重調控,將線粒體呼吸鏈的活性水平與細胞內的能量需求巧妙地聯系了起來。

                    文/楊茂君

                    本文來自《科學通報》

                    上一篇:會聚技術的倫理挑戰與應對
                    下一篇:核聚變將最終成為未來的能源嗎?
                    ©2011-2020 版權所有:中國數字科技館
                    未經書面許可任何人不得復制或鏡像
                    京ICP備11000850號 京公網安備110105007388號
                    信息網絡傳播視聽節目許可證0111611號
                    國家科技基礎條件平臺
                    久久这里只精品国产免费99热4_一起射久久_久久在线视频_日日天天夜夜久久_日日扞夜夜燥国产