南京中医药大学特聘教授Nature发表重要成果
生物通/何嫱 · 2016/08/15
来自英国医学研究理事会(MRC)线粒体生物学部,MRC分子生物学实验室的研究人员,揭示出了哺乳动物线粒体呼吸链复合体I(complex I)的结构。他们的研究结果发布在8月10日的《自然》(Nature)杂志上。


来自英国医学研究理事会(MRC)线粒体生物学部,MRC分子生物学实验室的研究人员,揭示出了哺乳动物线粒体呼吸链复合体I(complex I)的结构。他们的研究结果发布在8月10日的《自然》(Nature)杂志上。

MRC线粒体生物学部的Judy Hirst和MRC分子生物学实验室的Kutti R. Vinothkumar是这篇论文的共同通讯作者。现任职于南京中医药大学的朱家鹏(Jiapeng Zhu)教授是这篇论文的第一作者。朱教授长期从事执行重要功能的生物大分子特别是膜蛋白复合物的结构与功能的研究,在Nature, PNAS, Biochemistry等杂志以第一或者并列第一作者身份发表文章数篇。

线粒体作为真核细胞的重要“能量工厂”,是细胞进行呼吸作用的场所,呼吸作用包括柠檬酸循环和氧化磷酸化两个过程,其中氧化磷酸化过程的电子传递链(又称线粒体呼吸链)位于线粒体内膜上,由四个相对分子量很大的跨膜蛋白复合体(I、II、III和IV)、介于I/II与III之间的泛醌以及介于III与IV之间的细胞色素c共同组成。线粒体呼吸链的功能是进行生物氧化,并与称之为复合物V的ATP合成酶相偶联,共同完成氧化磷酸化过程,并产生能量分子ATP。线粒体呼吸链的结构生物学研究对于彻底连接电子传递和能量转化的机理是至关重要的。

线粒体呼吸链复合体I ,又称NADH泛醌氧化还原酶,也称NADH脱氢酶,是线粒体呼吸链电子传递系统的主要入口,是呼吸链四个膜蛋白复合体中最为复杂、相对分子质量最大,包含亚基最多的一个复合体。在哺乳动物线粒体中复合体I催化了NADH的2个电子传递至辅酶Q,同时将4个质子由线粒体基质转移至膜间隙。哺乳动物线粒体复合体I由45个不同亚基组成,包含保守存在于从细菌到人类各种生物体中的14个核心亚基(催化机器的定位之所),及31个哺乳动物特异性的额外亚基(supernumerary subunits)。然而当前对于这些额外亚基结构和功能的认识是不完全的。

在这篇文章中研究人员描述了来自牛(Bos taurus)的线粒体复合体I的单颗粒低温电子显微镜结构,分辨率达到4.2埃(Å)。他们定位并建立所有45个亚基的模型,包括31个额外亚基,提供了这一哺乳动物复合体的完整结构。这些结构为了解复合体I组装,及引起临床相关复合体I功能障碍的突变所产生的影响奠定了基础,并认识了额外亚基的结构和功能作用,揭示出了有关催化机制和调控的一些新信息。

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  • Structure of mammalian respiratory complex I

    Complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), one of the largest membrane-bound enzymes in the cell, powers ATP synthesis in mammalian mitochondria by using the reducing potential of NADH to drive protons across the inner mitochondrial membrane. Mammalian complex I (ref. 1) contains 45 subunits, comprising 14 core subunits that house the catalytic machinery (and are conserved from bacteria to humans) and a mammalian-specific cohort of 31 supernumerary subunits1, 2. Knowledge of the structures and functions of the supernumerary subunits is fragmentary. Here we describe a 4.2-Å resolution single-particle electron cryomicroscopy structure of complex I from Bos taurus. We have located and modelled all 45 subunits, including the 31 supernumerary subunits, to provide the entire structure of the mammalian complex. Computational sorting of the particles identified different structural classes, related by subtle domain movements, which reveal conformationally dynamic regions and match biochemical descriptions of the ‘active-to-de-active’ enzyme transition that occurs during hypoxia3, 4. Our structures therefore provide a foundation for understanding complex I assembly5 and the effects of mutations that cause clinically relevant complex I dysfunctions6, give insights into the structural and functional roles of the supernumerary subunits and reveal new information on the mechanism and regulation of catalysis.

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