Khoa học: tiết lộ cấu trúc cơ chế trao đổi chất năng lượng Mycobacterium

Trong một nghiên cứu mới, Viện sĩ Zihe Rao của Viện Vật lý sinh học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, nhà nghiên cứu Quan Wang, nhà nghiên cứu Fei Sun và các đồng nghiệp đã phân lập siêu phức hợp chuỗi hô hấp Mycobacterium smegmatis và sử dụng công nghệ cryo-EM để hình dung cấu trúc ba chiều của nó ở độ phân giải 3,5 Å. Vi khuẩn này có mối quan hệ gần gũi với Mycobacterium tuberculosis và là một loại vi khuẩn được sử dụng trong nhiều nghiên cứu.Vi khuẩnMô hình phổ biến của các loài Cấu trúc chi tiết này tiết lộ cách các electron di chuyển trong tế bào trong một quá trình chưa từng được quan sát. Kết quả nghiên cứu được công bố trực tuyến vào ngày 25 tháng 10 năm 2018 trên tạp chí Science với tiêu đề "An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex".

Thông thường, trong quá trình hô hấp tế bào, quá trình oxy hóa các nguồn năng lượng (đường, axit béo và axit amin) được kết hợp với việc giảm các thụ thể điện tử (oxy, lưu huỳnh, nitrat và sunfat), từ đó năng lượng hóa học thu được để tổng hợp adenosine triphosphate (ATP) và thúc đẩy phản ứng tế bào. Trong hô hấp tế bào hiếu khí, năng lượng hóa học này được tạo ra bằng cách tạo ra một gradient proton xuyên màng được gọi là lực đẩy proton (PMF) khi một nhà tài trợ electron được truyền qua chuỗi vận chuyển electron (ETC) đến một thụ thể electron đầu cuối, điều này thúc đẩy quá trình tổng hợp ATP. Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ mối liên hệ trực tiếp giữa sự truyền electron giữa các enzyme, đại diện cho một mô hình xúc tác chuỗi hô hấp mới.

Ảnh: Science, doi:10.1126/science.aat8923.

Quinone và cytochrome là hai loại electron trong chuỗi vận chuyển electron.Trang chủDùng để truyền electron giữa các cấu trúc phân tử lớn hơn được khảm trong màng. Bốn enzyme oxy hóa-reductase màng có liên quan đến việc truyền electron trong chuỗi hô hấp ty thể. Chúng bao gồm Complex I (NADH: ubiquinone oxy hóa reductase, CI), Complex II (Succinic Acid: ubiquinone oxy hóa reductase, CII), Complex III (bc1 loại rượu ubiquinone; Cytochrome c oxide reductase, bc1 loại CIII) và phức hợp IV (aa3 loại cytochrome c oxidase, aa3 loại CIV). Về mặt chức năng, phức hợp CIII có khả năng oxy hóa Panthenol thành ubiquinone và truyền electron đến cytochrome c hòa tan. Các electron sau đó được chuyển đến phức hợp CIV, nơi oxy được khử thành nước. PMF xuyên màng được sản xuất thông qua bơm proton trong phức hợp CI, CIII và CIV.

Trong chuỗi hô hấp của prokaryote, tình hình phức tạp hơn. Do sự phức tạp này, con đường truyền electron hoàn chỉnh chưa được xác định trong các tế bào của sinh vật nhân sơ. Do đó, cần hiểu sự tham giaVi khuẩnCấu trúc hoàn chỉnh của một siêu phức hợp chuỗi hô hấp được truyền bởi electron. Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã chiết xuất và tinh chế siêu phức hợp chuỗi hô hấp này từ Mycobacterium sharosculatum và sử dụng công nghệ gương nhiệt độ thấp để hình dung cấu trúc của nó ở độ phân giải 3,5 Å. Cấu trúc này cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng để khám phá cơ chế truyền electron trực tiếp trong siêu phức hợp chuỗi hô hấp này. Siêu phức hợp chuỗi hô hấp này có kích thước 200 × 70 × 120 Å và tồn tại trong một cấu trúc tuyến tính đối xứng * khác với siêu phức hợp chuỗi hô hấp được báo cáo trước đây. Về mặt thành phần, CIV1-CIII2-CIV1 dimer tuyến tính được sắp xếp theo cách mà một phức CIV1 nằm ở hai bên của phức CIII2 dimer trung tâm. Thông tin này cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa các enzyme trong quá trình truyền electron, đại diện cho một mô hình xúc tác chuỗi hô hấp mới. Khám phá cấu trúc chi tiết này có tiềm năng hỗ trợ các nỗ lực khám phá thuốc chống lại Mycobacterium.

Trong quá trình thí nghiệm nuôi cấy tế bào vi khuẩn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chủng đột biến Mycobacterium aussicum kháng hydro peroxide tương tự như Mycobacterium tuberculosis. Nuôi cấy các tế bào vi khuẩn này và sau đó phân lập màng tế bào của chúng theo các phương pháp được mô tả trước đó (Microbiology, 2006, 152: 823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0). Sau khi các tế bào vi khuẩn được nuôi cấy, thu thập và phân giải, màng tế bào được thu thập kết tủa, sau đó siêu phức hợp chuỗi hô hấp trong màng tế bào được chiết xuất. Sau đó, họ mô tả các đặc điểm của siêu phức hợp chuỗi hô hấp này bằng cách sử dụng phương pháp quang phổ, phổ khối và nhuộm 3,3'-diamino-unianiline (DAB). Để xác định nhóm heme, theo phương pháp trước đó (Journal of Biological Chemistry, 2015, doi:10.1074/jbc.M114.624312), họ đã phân tích một số mẫu được chọn bằng cách ghi lại quang phổ trước và sau khi khử đisulfate. Họ sử dụng phổ khối tự nhiên để phân tích các mẫu siêu phức hợp chuỗi hô hấp tinh khiết để nghiên cứu cấu trúc của nó và sử dụng các mẫu được thiết lập trước đó.Phương pháp thử nghiệmPhân tích các thành phần cấu trúc riêng lẻ trong siêu phức hợp chuỗi hô hấp này.

Trong quá trình phân tích kính nhiệt độ thấp, các nhà nghiên cứu đã sử dụng uranium dioxy acetate (1%, w/v) để nhuộm âm các mẫu siêu phức hợp Mycobacterium sescacilis hô hấp ở nồng độ 0,05 mg/ml, sau đó chụp ảnh để xây dựng mô hình cấu trúc ban đầu bằng kính hiển vi FEI Tecnai Spirit hoạt động ở 120 kV. Họ đã tái tạo cấu trúc có độ phân giải thấp của siêu phức hợp chuỗi hô hấp này bằng cách xử lý 53 hình ảnh vi mô của các mẫu siêu phức hợp chuỗi hô hấp được nhuộm tự động. Để xây dựng lại cấu trúc của siêu phức hợp chuỗi hô hấp này, họ đã chọn thủ công 7.600 trong số 8.200 bức ảnh gốc trong quá trình xử lý hình ảnh bằng gương nhiệt độ thấp. Tất cả các hình ảnh trong nghiên cứu này được xây dựng bằng cách sử dụng PyMOL hoặc UCSF chimera.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cấu trúc gương nhiệt độ thấp của siêu phức hợp chuỗi hô hấp Mycobacterium sinosis CIII-CIV. Con đường truyền electron bên trong siêu phức hợp chuỗi hô hấp này dao động từ quá trình oxy hóa quinol (quinol) trong phức hợp CIII đến giảm oxy trong phức hợp CIV. Những phát hiện này cho thấy một cơ chế phân phối điện tử mới đảm bảo chuyển đổi năng lượng bằng cách hoàn thành chu trình quinone (Q cycle, chuyển động ròng của proton qua lớp lipid kép). Oxide dismutase (SOD) tham gia trực tiếp vào việc lắp ráp siêu phức hợp chuỗi hô hấp này, có khả năng bảo vệ nó khỏi tổn thương oxy hóa do oxy phản ứng (ROS). Sự phân bố các vị trí gắn quinone cũng cung cấp một khuôn khổ cho sự phát triển của các loại thuốc kháng sinh dựa trên cấu trúc trong tương lai. (Thung lũng sinh học)

Tài liệu tham khảo:

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. Một con đường chuyển điện tử kết nối các đơn vị phụ của một siêu phức hợp hô hấp của vi khuẩn. Khoa học, Được xuất bản trực tuyến: 25 Oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.