來自愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院(Trinity College Dublin)的研究人員利用一種高度專業(yè)化的晶體技術(shù)解析了一種大分子蛋白---細(xì)胞色素氧化酶caa3(caa3-type cytochrome oxidase)---的結(jié)構(gòu),，這將增加我們理解細(xì)胞中的能量產(chǎn)生和儲存,。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)于2012年7月1日發(fā)表在《自然》期刊上。
都柏林圣三一學(xué)院研究人員確定了這種蛋白的晶體結(jié)構(gòu),，就可以在分子水平上解釋一種特別復(fù)雜的蛋白機(jī)器(protein machine)在能量產(chǎn)生和儲存過程中如何工作,。ATP是細(xì)胞的能量貨幣，能被用來維持細(xì)胞生存,、生長和復(fù)制,。
他們構(gòu)建出一種自制的液態(tài)晶體膜模擬物(liquid crystal membrane mimic)來讓這種蛋白結(jié)晶，然后利用大分子X射線晶體分析法來確定蛋白結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)揭示出這種蛋白中所有主要的構(gòu)成原子在三維空間中的位置,。不過只有這種蛋白呈現(xiàn)出的最終結(jié)構(gòu)才能決定著這種納米大小的蛋白機(jī)器如何工作從而在一種高度調(diào)控的過程中，將氧氣分子中兩個氧原子拉開,，并讓每個氧原子與電子和質(zhì)子結(jié)合從而產(chǎn)生無害的水,，同時產(chǎn)生以化學(xué)物ATP形式儲存的能量和跨膜電位(質(zhì)子)梯度。
在這項研究中所使用的蛋白---細(xì)胞色素氧化酶caa3---來自一種細(xì)菌,，即嗜熱棲熱菌(Thermus thermophilus),。這種細(xì)菌最佳生長溫度為65°C，它也在堆肥中發(fā)揮著作用。這項研究顯示來自棲熱菌屬的這種酶擁有一個在酶中合適定位的額外結(jié)構(gòu)域以便快速地,、有效地和定向地傳遞電子到位于蛋白核心中的活性位點,，其中蛋白核心是所有極其復(fù)雜的氧氣化學(xué)性質(zhì)發(fā)生的地方。這種結(jié)構(gòu)揭示出一種特征性的化學(xué)基序(chemical motif)靠近活性位點中準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移電子從而導(dǎo)致氧氣還原和質(zhì)子泵出的地方,。這項研究有助于人們深入認(rèn)識質(zhì)子和電子如何在蛋白內(nèi)以一種定向的方式進(jìn)行傳遞,。它鑒定出一種新的糖包被的脂質(zhì)。它還進(jìn)一步證實利用脂質(zhì)膜模擬物確定膜蛋白晶體結(jié)構(gòu)的普遍適用性,。
膜結(jié)構(gòu)和功能生物學(xué)教授Martin Caffrey說,，“蛋白晶體結(jié)構(gòu)是該蛋白的靜態(tài)視圖或快照，而且通常是它位于某種狀態(tài)時的視圖,。但是蛋白是一臺機(jī)器,，有很多可移動的零件和不計其數(shù)的狀態(tài)，而且這些狀態(tài)能夠在它機(jī)械地完成一套復(fù)雜功能時進(jìn)行循環(huán),，一次又一次,，反復(fù)不斷地循環(huán)。如果通過一系列單張晶體靜態(tài)視圖就想捕獲這些不斷循環(huán)的狀態(tài)的完整影片,，則需要進(jìn)行復(fù)雜的被稱作分子動力學(xué)模擬(molecular dynamics simulations, MDS)的計算工作,。”
盡管這項研究解釋了很多關(guān)于這些復(fù)雜的蛋白機(jī)器如何利用來自細(xì)胞中食物的能量方面的問題，但是仍然有不少問題還需人們?nèi)ミM(jìn)一步理解,。(生物谷：Bioon.com)
doi: 10.1038/nature11182
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Structural insights into electron transfer in caa3-type cytochrome oxidase
Joseph A. Lyons, David Aragão, Orla Slattery, Andrei V. Pisliakov, Tewfik Soulimane & Martin Caffrey
Cytochrome c oxidase is a member of the haem copper oxidase superfamily (HCO)1. HCOs function as the terminal enzymes in the respiratory chain of mitochondria and aerobic prokaryotes, coupling molecular oxygen reduction to transmembrane proton pumping. Integral to the enzyme’s function is the transfer of electrons from cytochrome c to…
