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药学院兼职教授杨茂君在Science发表高等生物ATP合酶的完整结构

资源: 发布时间2019-06-20 16: 16: 29点击次数:

ATP合酶(也称为F0F1-ATP酶或复合物V),是人体线粒体中最重要的分子机器,负责将从生物体外部取出的食物中的能量转化为可用的能量。身体的细胞。存储模块ATP分子。 95%的身体ATP由它合成。为了解释ATP合酶的工作机制,Paul D. Boyer提出了“旋转催化假说”。 1994年,英国MRC结构生物学家John Walker通过X射线衍射技术(目前《细胞生物学》教科书的经典内容)获得了2.8Å分辨率的线粒体F1-ATPase晶体结构,清楚地表明了F1三个β亚基的构象。显着不同,这是ATP结合的紧密状态,待释放的ADP的开放状态,以及没有底物结合的松散状态,因此强烈支持基于两个人的“旋转催化假说”[1]。 Paul D. Boyer和John Walker作为一项重要贡献,分享了1997年诺贝尔化学奖(每项奖金为1/4,另一半由钠钾泵发现者Jens Christian Skou颁发)。在近六十年的研究过程中,科学家们揭开了这一重要分子机器的神秘面纱。通常认为这种分子机器可以在由线粒体内膜形成的脊上呈双聚体形式的双排。线路安排。然而,这种重要的分子机器的特定作用机制和调节,甚至这种巨型分子机器的亚基组成和完整结构,还不是很清楚。

2019年6月14日,清华大学药学院和生命科学学院的兼职教授杨茂君Science杂志Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1上发表了一篇研究论文。药学院是一个联合单位。文章突破性地发现并解析了哺乳动物ATP合酶四聚体的构成形式和高分辨率结构。首次获得了高等生物ATP合酶的完整结构,提出了细胞内调控ATP合酶的分子机理,为进一步理解哺乳动物ATP合酶的亚基组成、调控机制、以及其对线粒体形态的影响等提供了重要的结构基础,同时也为以后教科书的更新提供了重要素材。

自2008年清华研究团队成立以来,杨茂军教授一直在线粒体呼吸链研究领域进行深入培育,取得了一系列重要的研究成果。线粒体呼吸链超复合物的结构首次在原子水平[2]阐明。随后,发现了线粒体呼吸链超超复合体的存在,分析了目前世界上分析的最大,最复杂的哺乳动物超大膜蛋白分子机的结构,其作用机制部分阐明[0x9A9A。

在上述主题的进展过程中,杨茂军团队不断发现存在极为罕见的H型分子结构的颗粒。进一步的分析表明,这些颗粒应该是ATP合酶四聚体复合物,对应于CN-PAGE中先前的高分子量条带。随后,设计了一种全新的完整纯化途径,获得了大量高纯度,高均匀度的蛋白质样品,并制备了大量的低温电子显微镜样品。检查后,发现一些样品质量非常好,适合收集数据。

因为四聚体具有约2.8兆道尔顿的分子量,它呈现类似H的分布并且体积庞大,在数据计算过程中需要大量的计算资源。基于此,决定采用一种新的计算方法,将四聚体中的四种ATP合酶分子重新定中心,然后分别挖出,并在X型对角线上合并具有相似构象的分子。最后,获得具有大量构象的单个ATP合酶的颗粒,所述构象大致分为两类。在随后的计算中,两种构象的复合物的分辨率逐渐增加到原子分辨率的水平。[3,4]6.2 Å显示两个V形ATP合酶二聚体大致垂直排列以形成C2对称结构,其中六个位点在二聚体聚合成四聚体中起主要作用。从该较低分辨率复数中提取和分辨的3.34和3.45Å分辨率的子结构对应于分辨率下的整体结构E。两个状态的亚基是相同的,包含先前发现的18个亚基和新发现的k亚基(基于基于酵母的命名法,未鉴定出氨基酸组成)。和DP两个旋转态

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单个ATP合成酶分子机看起来与我们的普通发生器非常相似。在其跨膜区域中,存在类似于由8个C1亚基组成的发生器线圈的结构,并且跨膜区域中的其他亚基一起构成基础稳定的桶结构。以前的生化研究表明,线粒体膜和细胞质线粒体内膜之间的质子浓度存在很大差异。质子浓度的这种差异是由通过消化细胞中的食物而获得的能量分子中的高能电子引起的,其最终通过线粒体电子传递链蛋白复合物传递到我们呼吸吸收的氧分子。质子浓度梯度从线粒体细胞质泵送到线粒体膜间隙。我们通常呼吸到体内的大约90%的氧气在此过程中被消耗掉。线粒体膜间隙中的质子将围绕由八个C1亚基形成的桶结构的外环流动,然后流入线粒体基质,由内膜两侧的质子浓度差异的电势驱动。质子流将驱动该结构在细胞膜内旋转,以通过连接的杆状结构一侧的三个催化活性中心驱动ADP上的磷酸基团,从而顺序合成ATP分子。 8个质子中的每一个将驱动桶结构旋转一圈,并将驱动三个活动中心以合成一个ATP分子。有趣的是,在酵母中,它是由10个C1亚基形成的桶状结构,因此需要10个质子流动合成3个ATP分子,并且植物中的14个C1亚基形成桶状结构,因此合成效率是14个质子流动通过合成3个ATP分子。这表明高等生物的能量利用率大大提高。物理学告诉我们,所谓的电流是电线中电子的同向位移,电子设备在电流的作用下工作。类似地,在我们的线粒体中,质子环绕ATP合酶C环运动,使头部起作用并合成ATP分子。

基于该结构,杨茂军发现该结构是目前发现的最完整的哺乳动物ATP合酶结构,两种不同构象的结构不仅能够完美的解释哺乳动物ATP合酶如何合成ATP分子,而且还鉴定了各个亚基在复合物中的位置和功能。ATP合酶四聚体很可能被至少三种机制抑制首先,在线粒体基质侧,IF1蛋白将其N-末端深入插入具有ATP合成酶催化活性的圆形脑中部。将跨膜区连接到大脑的杆结合,C形末端形成长螺旋。最有趣的是,在质子浓度的调整下,这种螺旋将形成各种不同的聚合态。当质子浓度增加时,它形成二聚体,其反过来将两个脑拉近ATP合酶四聚体的一侧,抑制ATP合酶活性中心的运动,从而使得不可能合成ATP分子。当质子浓度降低时,IF1蛋白形成四聚体或聚合物,从而从ATP合酶的脑中提取其N-末端,释放抑制,并且ATP合酶变得活跃并合成。 ATP。

简而言之,

这一研究成果不仅首次发现、鉴定并解析了线粒体内这一最重要的蛋白超级复合物的完整结构,修正了以往科学发现中的错误认识,为人们深刻理解线粒体是如何合成我们维持生命所必需的能量分子ATP提供了全新的视角,同时也为我们深刻理解线粒体呼吸链相关疾病的预防和治疗打下了良好的基础,该研究将为人类的身体健康带来重大而深远的影响。

1. Stock,D.Leslie,A.G.W。和Walker,J.E。(1999)ATP合酶中旋转运动的分子结构。参考文献286,1700-1705

2.顾金科等,(2016)。哺乳动物呼吸道的结构。Science 。 537.10.1038/nature19359。

3. Meng,Wu等人,(2016)。哺乳动物呼吸超复合物I1III2IV1的结构。Nature。 167. 1598-1609.e10。 10.1016/j.cell.2016.11.012。

郭,润玉等人。 (2017年)。人类线粒体呼吸Megacomplex I 2 III 2 IV 2.Cell的体系结构。 170. 10.1016/j.cell.2017.07.050。

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