呼吸超級複合體 (Respiratory Supercomplex) | 當月的分子

273: 呼吸超級複合體（Respiratory Supercomplex）

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

圖中顯示由複合物I（紅色）、複合物III（藍色）和復合物IV（黃色）組成的呼吸體, 以及小運輸分子泛醌（PDB ID PDB:7v2c）和細胞色素c（PDB ID PDB:3zcf）。線粒體編碼的蛋白質亞基在三個複合物中以較亮的顏色顯示。

圖中顯示由複合物I（紅色），複合物III（藍色）和復合物IV（黃色）組成的呼吸體，以及小的運輸分子泛醌（PDB ID 7v2c）和細胞色素c（PDB ID 3zcf）。線粒體編碼的蛋白質亞基在三個複合物中以較亮的顏色顯示高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

幾十年來，研究人員一直在思考蛋白質是否在細胞中結合形成大型功能複合物。其中一些，如醣體，是所有糖酵解酶(glycolytic enzyme）的虛擬組合，尚未被發現。但另一方面，但是許多已經被觀察到，例如包含八個氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）的多合成酶複合物（multisynthetase complex）和光合反应中心和天线蛋白（photosynthetic reaction centers and antenna protein）的巨型超級複合物。而最近，呼吸超級複合體（respiratory supercomplex）也被發現了。 "呼吸體"（respirasome，PDB條目5xth）由三個膜結合的電子轉移複合物（複合物I complex I，二聚體複合体III和複合体IV）組成。在線粒體內部，它吸收檸檬酸循環（citric acid cycle）產生的電子（由載體分子NADH提供）並利用它們產生電化學梯度，為ATP合成酶（ATP synthase）提供動力。

為什麼要合作？

這些分子機器組合成超複合物的原因仍然是一個謎。形成超級複合物最明顯的優勢是令三者靠得很近，因此在它們之間攜帶電子的小分子泛醌（ubiquinone）和細胞色素c（cytochrome c）不必走得很遠。然而，這種底物的遷移途徑一直難以在實驗中觀察到。耐人尋味的是，研究人員發現超級複合物減少了活性氧的產生，而活性氧是正常使用氧氣作為電子最終安息地的危險副產物。

線粒體進化

更仔細地觀察呼吸酶體中的三個複合體，我們可以得到真核細胞早期進化的一個縮影。這些複合物由幾十個亞基組成，其中有幾個亞單位是由線粒體內的小型DNA基因組編碼的。線粒體基因組被認為可以追溯到真核細胞形成的早期，當時共生細胞在另一個細胞中居住，因此這可能向我們展示了最早形式的複合物是什麼樣子的。將線粒體複合物與細菌中的類似蛋白質進行比較也支持了這一想法。它們都共享一組“核心”蛋白質亞基，由許多“額外”的亞基裝飾，有助於定制每種細胞類型的功能。正如你可能期望的那樣，所有線粒體編碼的亞單位也都是核心亞單位。

複合體的複雜性

複合物III和復合物IV與SCAF1（綠色）和復合物II（紅紫色）組合在一起。高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

在線粒體中，呼吸複合體以多種狀態存在：作為單獨的複合體或者作為幾個不同的超級複合體。此處顯示的超級複合物僅由複合物III和復合物IV組成，與小蛋白SCAF1（PDB ID 7o37）粘合在一起。自從發現超級複合物以來，研究人員假設這種超複合物使復合物III 更容易接觸到由呼吸複合物II （PDB ID 1zoy）產生的泛醌。複合物II（琥珀酸脫氫酶， succinate dehydrogenase）作為檸檬酸循環的一部分起作用，但也有將電子傳遞給電子傳輸鏈的功能。

探索結構

通過點擊圖表下方的按鈕，可切換到有互動控制的頁面。如果加載沒有開始，請嘗試點擊圖表。

冷凍電子顯微鏡分辨率的革命性提升，使得更為詳細地觀察這些巨大的超複合物成為可能。這裡，四種不同的著色方法被用來揭示呼吸酶體的不同功能特徵。第一個視圖按疏水性給複合物著色，以顯示使復合物在線粒體膜上定位的富碳氨基酸帶（黃色）。另一個視圖顯示了許多輔助因子，它們通過複合物穿梭於電子，並最終將其置於氧分子上。底部的兩個視圖顯示了線粒體編碼的亞單元和核心亞單元，它們構成了每個複合物的中心結構。要想更詳細地探索這些結構，請切換到交互式JSmol界面。

進一步的討論議題

目前甚至還觀察到了更大的呼吸超級複合體。例如，參見PDB條目5xti的"巨型複合物"。
您可以在電子顯微鏡數據庫中查看這些超複合物的冷凍電鏡圖。例如，看一下呼吸體的電鏡圖。

參考文獻

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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