——線粒體中的三個(gè)電子傳遞復(fù)合體裝配成一整個(gè)超復(fù)合體

? ? 細(xì)胞里的蛋白質(zhì)們會(huì)不會(huì)“組隊(duì)”，形成具有特定功能的巨型復(fù)合體？數(shù)十年來(lái)，研究者們一直對(duì)這個(gè)問(wèn)題感到好奇。有一些復(fù)合體——比如將所有糖酵解酶集合在一起的“糖酵解體”（glycosome）——目前只存在于猜想當(dāng)中，沒(méi)有被直接觀察到過(guò)；同時(shí)，的確有那么一些復(fù)合體已經(jīng)進(jìn)入了研究者們的視線，譬如說(shuō)將八種氨酰-tRNA合成酶囊括其中的多合成酶復(fù)合體，或是由光合中心及天線蛋白（ATP注：也就是“捕光復(fù)合體”，簡(jiǎn)稱(chēng)LHC）組成的龐大超復(fù)合體。最近，研究者們注意到了一張新面孔的存在，那就是呼吸超復(fù)合體（respiratory supercomplex）。又名“呼吸體”（respirasome）的它（PDB ID 5xth）由電子傳遞鏈里的三個(gè)跨膜組分組成：復(fù)合體I、二聚化的復(fù)合體III與復(fù)合體IV。它們住在線粒體里，借產(chǎn)自檸檬酸循環(huán)的電子（由電子載體NADH提供）之力產(chǎn)生跨內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，為ATP合成酶提供動(dòng)力。正如下文將要提到的那樣，除它之外還有其他類(lèi)型的呼吸超復(fù)合體，執(zhí)行與它的日常工作相關(guān)的任務(wù)。

為啥要組隊(duì)呢？

? ? 這些分子機(jī)器干嗎要組裝成那么大一個(gè)超復(fù)合體呢？有一個(gè)好處很明顯，那就是組隊(duì)之后的它們彼此離得更近了，這樣在它們之間運(yùn)送電子的泛醌（ubiquinone）和細(xì)胞色素c（cytochrome c）就不必累死累活跑那么遠(yuǎn)了。只可惜，這種“底物導(dǎo)引”（substrate channeling）現(xiàn)象并不容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。有意思的是，研究者們發(fā)現(xiàn)，比起分散的呼吸蛋白，組成超復(fù)合體的呼吸蛋白產(chǎn)生的活性氧——將電子最后傳遞給分子氧時(shí)產(chǎn)生的危險(xiǎn)副產(chǎn)物——更少。

線粒體的進(jìn)化

? ? 湊近一點(diǎn)仔細(xì)觀察的話，你能從組成呼吸體的三個(gè)復(fù)合體之中瞥見(jiàn)真核細(xì)胞早期進(jìn)化的一方圖景。這些復(fù)合體各自由許多亞基組成，其中有一部分亞基是被線粒體里那個(gè)小小的DNA基因組編碼的。研究認(rèn)為，線粒體基因組的起源可以追溯到真核細(xì)胞之誕——其時(shí)一個(gè)小細(xì)胞以定居在另一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的方式與之共生，因而這部分基因組編碼的信息或許最能展現(xiàn)出那些復(fù)合體“最初”的樣子。把細(xì)菌中類(lèi)似的呼吸蛋白與線粒體中這些復(fù)合體做做比較，你還能找出支持上述猜想的更多線索。比方說(shuō)，線粒體的呼吸蛋白和細(xì)菌的呼吸蛋白都有一套彼此相似的“核心”組分，其上點(diǎn)綴著眾多“額外”的亞基，幫助呼吸蛋白們適應(yīng)不同細(xì)胞的不同需求。說(shuō)巧不巧，所有線粒體基因組編碼的亞基都是核心亞基。

復(fù)雜的復(fù)合體

? ? 線粒體里的呼吸蛋白復(fù)合體們并不止有一種存在狀態(tài)，它們既能以單個(gè)復(fù)合體的形式分離地存在，也可以彼此結(jié)合為不同的超復(fù)合體。這邊兒展示的超復(fù)合體只含有復(fù)合體III和復(fù)合體IV兩個(gè)組分，外加一個(gè)把它倆粘在一起的小蛋白SCAF1（PDB ID 7o37）。發(fā)現(xiàn)這個(gè)超復(fù)合體后，研究者們猜想，它或許有利于復(fù)合體III在空間上接近復(fù)合體II（來(lái)自PDB ID?1zoy）提供的泛醌。復(fù)合體II別名琥珀酸脫氫酶，它是檸檬酸循環(huán)的一員，同時(shí)也向電子傳遞鏈提供電子。

探索結(jié)構(gòu)：呼吸體的四種視圖

? ??拜冷凍電鏡的分辨率革命所賜，我們現(xiàn)在已能將這些龐然大物所有結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)盡收眼底。上圖用四種可視化方式顯示了呼吸體功能特性的四個(gè)側(cè)面。第一種方式按照疏水性對(duì)整個(gè)超復(fù)合體上色，可以想象中間那一大片滿(mǎn)布疏水性氨基酸（黃色）的地帶是如何將超復(fù)合體定位在線粒體膜上的。另一種視圖突出展示了眾多輔因子，它們把電子傳來(lái)傳去，從這個(gè)復(fù)合體傳到那個(gè)復(fù)合體，最終送給氧分子。下方兩種視圖分別高亮顯示了線粒體基因組編碼的亞基和核心亞基，后者組成各個(gè)復(fù)合體的中央結(jié)構(gòu)。對(duì)這些結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)感到好奇的話，不妨去PDB-101原網(wǎng)站查看可以互動(dòng)的JSmol文件。

更多話題

1.人們已經(jīng)觀察到了比文中所述更加巨大的呼吸超復(fù)合體。舉個(gè)例子的話，可以去看看PDB ID 5xti當(dāng)中的“巨復(fù)合體”（megacomplex）。（ATP注：這個(gè)“巨復(fù)合體”由復(fù)合體I、復(fù)合體III和復(fù)合體IV各2個(gè)組成，是名副其實(shí)的龐然大物哦……強(qiáng)烈推薦親自去PDB瞻仰它的風(fēng)姿=w=）

2.你可以去電子顯微鏡數(shù)據(jù)庫(kù)（EMDB）探究這些超復(fù)合體的冷凍電鏡圖譜，比方說(shuō)呼吸體的（網(wǎng)址：https://www.ebi.ac.uk/emdb/EMD-6775）。

? ? 之前寫(xiě)有關(guān)于RyR2的東西時(shí)老是說(shuō)到RyR2超復(fù)合體，于是我莫名其妙地產(chǎn)生了對(duì)上過(guò)月度分子的超復(fù)合體們的興趣╮(￣▽?zhuān)?╭?我印象中除了這篇以外月度分子上至少還有兩篇是圍繞著某個(gè)有趣的超復(fù)合體寫(xiě)的，一個(gè)是去年講的（并且讓我大開(kāi)眼界的）基因表達(dá)復(fù)合體，還有一個(gè)是前年的光合作用超復(fù)合體（就是本文中提到過(guò)的“光合中心及天線蛋白”組成的東西）。嗨呀，什么時(shí)候我可愛(ài)的RyR2才能上月度分子呢！無(wú)論如何，細(xì)胞內(nèi)的分區(qū)可不止于不同細(xì)胞器的劃分，很多時(shí)候功能上相關(guān)的大分子就是喜歡通過(guò)千奇百怪的方式貼貼湊在一起，形成獨(dú)特的微環(huán)境，有點(diǎn)像專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)某種代謝的“工場(chǎng)”（像是呼吸超復(fù)合體）或是針對(duì)某種生命過(guò)程的控制中心（像是RyR2超復(fù)合體），當(dāng)然也經(jīng)常兼而有之。這樣做有明顯的好處（文中已經(jīng)提到過(guò)了），大概也有那么些不太明顯的好處。甚至，說(shuō)不定組成某些超復(fù)合體的一些組分最開(kāi)始就是連在一起的，后來(lái)出于鬼知道什么原因又分開(kāi)了。這句是我猜的，不過(guò)鑒于我對(duì)這些超復(fù)合體的了解說(shuō)實(shí)話不太多，所以……說(shuō)不定真的有我沒(méi)看到過(guò)的證據(jù)了呢？(～￣▽?zhuān)?～?

? ? 假設(shè)明天有時(shí)間的話，我明天應(yīng)該就會(huì)投基因表達(dá)復(fù)合體那篇的翻譯……吧……_(:з」∠)_

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? ? 強(qiáng)烈推薦去PDB-101官網(wǎng)查看原文，順便探索一下這個(gè)干貨滿(mǎn)滿(mǎn)的科普平臺(tái)。

作者：David S. Goodsell

原文網(wǎng)址：https://pdb101.rcsb.org/motm/273

PDB-101首頁(yè)：https:/pdb101.rcsb.org/

RCSB PDB首頁(yè)：https://www.rcsb.org/

封面圖來(lái)源：Melber, A., and Winge, DR. Inner Secrets of the Respirasome. Cell 167, 1450-1452 (2016). DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.025