呼吸超级复合体 (Respiratory Supercomplex) | 当月的分子

273: 呼吸超级复合体（Respiratory Supercomplex）

Author: David S. Goodsell Translator: 于健（PDBj）

图中显示由复合物I（红色）、复合物III（蓝色）和复合物IV（黄色）组成的呼吸体, 以及小运输分子泛醌（PDB ID PDB:7v2c）和细胞色素c（PDB ID PDB:3zcf）。线粒体编码的蛋白质亚基在三个复合物中以较亮的颜色显示。

图中显示由复合物I（红色），复合物III（蓝色）和复合物IV（黄色）组成的呼吸体，以及小的运输分子泛醌（PDB ID 7v2c）和细胞色素c（PDB ID 3zcf）。线粒体编码的蛋白质亚基在三个复合物中以较亮的颜色显示高质量的TIFF图片可以从这里获得。

几十年来，研究人员一直在思考蛋白质是否在细胞中结合形成大型功能复合物。其中一些，如糖体，是所有糖酵解酶(glycolytic enzyme）的虚拟组合，尚未被发现。但另一方面，但是许多已经被观察到，例如包含八个氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）的多合成酶复合物（multisynthetase complex）和光合反应中心和天线蛋白（photosynthetic reaction centers and antenna protein）的巨型超级复合物。而最近，呼吸超级复合体（respiratory supercomplex）也被发现了。"呼吸体"（respirasome，PDB条目5xth）由三个膜结合的电子转移复合物（复合物I complex I，二聚体複合体III和複合体IV）组成。在线粒体内部，它吸收柠檬酸循环（citric acid cycle）产生的电子（由载体分子NADH提供）并利用它们产生电化学梯度，为ATP合成酶（ATP synthase）提供动力。

为什么要合作？

这些分子机器组合成超复合物的原因仍然是一个谜。形成超级复合物最明显的优势是令三者靠得很近，因此在它们之间携带电子的小分子泛醌（ubiquinone）和细胞色素c（cytochrome c）不必走得很远。然而，这种底物的迁移途径一直难以在实验中观察到。耐人寻味的是，研究人员发现超级复合物减少了活性氧的产生，而活性氧是正常使用氧气作为电子最终安息地的危险副产物。

线粒体进化

更仔细地观察呼吸酶体中的三个复合体，我们可以得到真核细胞早期进化的一个缩影。这些复合物由几十个亚基组成，其中有几个亚单位是由线粒体内的小型DNA基因组编码的。线粒体基因组被认为可以追溯到真核细胞形成的早期，当时共生细胞在另一个细胞中居住，因此这可能向我们展示了最早形式的复合物是什么样子的。将线粒体复合物与细菌中的类似蛋白质进行比较也支持了这一想法。它们都共享一组“核心”蛋白质亚基，由许多“额外”的亚基装饰，有助于定制每种细胞类型的功能。正如你可能期望的那样，所有线粒体编码的亚单位也都是核心亚单位。

复合体的复杂性

复合物III和复合物IV与SCAF1（绿色）和复合物II（红紫色）组合在一起。高质量的TIFF图片可以从这里获得。

在线粒体中，呼吸复合体以多种状态存在：作为单独的复合体或者作为几个不同的超级复合体。此处显示的超级复合物仅由复合物III和复合物IV组成，与小蛋白SCAF1（PDB ID 7o37）粘合在一起。自从发现超级复合物以来，研究人员假设这种超复合物使复合物 III 更容易接触到由呼吸复合物 II （PDB ID 1zoy）产生的泛醌。复合物II（琥珀酸脱氢酶， succinate dehydrogenase）作为柠檬酸循环的一部分起作用，但也有将电子传递给电子传输链的功能。

探索结构

通过点击图表下方的按钮，可切换到有互动控制的页面。如果加载没有开始，请尝试点击图表。

冷冻电子显微镜分辨率的革命性提升，使得更为详细地观察这些巨大的超复合物成为可能。这里，四种不同的着色方法被用来揭示呼吸酶体的不同功能特征。第一个视图按疏水性给复合物着色，以显示使复合物在线粒体膜上定位的富碳氨基酸带（黄色）。另一个视图显示了许多辅助因子，它们通过复合物穿梭于电子，并最终将其置于氧分子上。底部的两个视图显示了线粒体编码的亚单元和核心亚单元，它们构成了每个复合物的中心结构。要想更详细地探索这些结构，请切换到交互式JSmol界面。

进一步的讨论议题

目前甚至还观察到了更大的呼吸超级复合体。例如，参见PDB条目5xti的 "巨型复合物"。
您可以在电子显微镜数据库中查看这些超复合物的冷冻电镜图。例如，看一下呼吸体的电镜图。

参考文献

Vercellino, I., Sazanov, L.A. 2022 The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain. Nat Rev Mol Cell Biol 23 141-161 DOI:10.1038/s41580-021-00415-0
7o37 Vercellino, I., Sazanov, L.A. 2021 Structure and assembly of the mammalian mitochondrial supercomplex CIII2CIV. Nature 598 364-367 DOI:10.1038/s41586-021-03927-z
5xth Guo, R., Zong, S., Wu, M., Gu, J., Yang, M. 2017 Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2. Cell 170 1247-1257.e12 DOI:10.1016/j.cell.2017.07.050
1zoy Sun, F., Huo, X., Zhai, Y., Wang, A., Xu, J., Su, D., Bartlam, M., Rao, Z. 2005 Crystal Structure of Mitochondrial Respiratory Membrane Protein Complex II. Cell 121 1043-1057 DOI:10.1016/j.cell.2005.05.025