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Science解讀神秘的線粒體酶

日期:2015-01-09 08:49:46

 Scripps研究所(TSRI)的結構生物學家們最近解析了一個為地球上絕大多數生命提供能量的神秘分子機制。

 

轉氫酶THnicotinamide nucleotide transhydrogenase)是一種古老的酶,廣泛存在于動物、植物和許多簡單生物中。這種酶在細胞健康的維持中非常關鍵,與糖尿病、癌癥等疾病有關。

 

“盡管TH酶非常重要,但它一直是人們最不了解的線粒體酶之一,”TSRI副教授C. David Stout說。“我們這項研究揭開了轉氫酶的神秘面紗,展示了這種酶操縱質子的結構基礎。”

 

絕大多數細胞過程是由線粒體提供能量的,而TH酶就在線粒體中起作用。線粒體消耗氧將質子泵出線粒體基質,使其在線粒體內膜的外面累積。TH酶一端固定在線粒體內膜中,它可以讓這些質子一個一個回到基質,這個過程關聯著NADPH的生成。

 

X射線晶體學技術是研究蛋白結構的經典工具,但這一技術之前很難用在TH酶上,因為完整的TH酶結構相當松散。Stout實驗室的研究生Josephine H. Leung通過Vadim Cherezov教授開發的技術首次獲得了TH跨膜區域的結晶,并用X射線晶體衍射技術確定了它的結構,分辨率達到2.8 Å

 

研究團隊也結晶了完整的TH酶,雖然完整TH酶的成像分辨率較低,但研究人員結合部分結構的晶體學數據,最終將整體分辨率提高到了6.9 Å

 

Bridget Carragher教授及其同事在進一步的研究中用電鏡得到了TH酶的18 Å圖像。電鏡圖像證實TH天然以二聚體形式存在,為其作用機制提供了重要的線索。

 

TH的結構域III位于跨膜結構之上的線粒體基質中,與NADPH的前體分子NADP+結合。“最令我們吃驚的發現是,二聚體的兩個結構域III并不對稱,一個朝上一個朝下,” Leung說。

 

研究人員指出,其中一個結構域III負責催化NADPH的生成,而另一個結構域朝向線粒體內膜,可能在幫助轉運質子。這個新結構模型表明,每一次質子轉移,兩個結構域III就會交換一次功能。

 

不過,闡明TH的確切結構和作用機制還需要更多的工作。舉例來說,研究人員發現TH跨膜區域可能存在一個質子通道,但在這項研究中這個通道是關閉的。“我們推測,這個通道應該還有一個開放的構象允許質子通過,這一點還有待進一步的研究,”Leung說。

 


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