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In einer neuen Studie isolierten Forscher Rao und Zihe Rao vom Institut für Biophysik der Chinese Academy of Sciences, Forscher Quan Wang und Forscher Fei Sun und ihre Kollegen den respiratorischen Superkomplex von Mycobacterium smegmatis und beobachteten seine dreidimensionale Struktur mit der Cryo-EM-Technologie in einer Auflösung von 3,5 Å. Dieses Bakterium hat eine enge Verwandtschaft zu Mycobacterium tuberculosis und ist eine Art vonBakterienPopuläres Modell der Arten. Diese detaillierte Struktur zeigt, wie Elektronen in einer Zelle in einem bisher nicht beobachteten Prozess durchlaufen. Die Ergebnisse wurden am 25. Oktober 2018 in der Zeitschrift Science mit dem Titel "An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex" veröffentlicht.
Normalerweise wird während der zellulären Atmung die Oxidation von Energiequellen (Zucker, Fettsäuren und Aminosäuren) mit der Reduktion von Elektronenrezeptoren (Sauerstoff, Schwefel, Nitrate und Sulfate) gekoppelt, von denen chemische Energie zur Synthese von Adenosin-Triphosphat (ATP) und zur Ansteuerung der zellulären Reaktionen gewonnen wird. Diese chemische Energie entsteht in der aeroben Zell-Atmung durch die Erzeugung eines membranübergreifenden Protongradients, der als Proton-Motivkraft (PMF) bekannt ist, wenn der Elektronendonor über die Elektronentransportkette (ETC) an den endgültigen Elektronenrezeptor gelangt, der die ATP-Synthese antreibt. In dieser neuen Studie zeigten die Forscher eine direkte Korrelation zwischen der Elektronenübertragung zwischen den Enzymen, was ein neues Muster der Atemkettenkatalyse darstellt.
Bild von Science, doi:10.1126/science.aat8923.
Chinon und Zytochrom sind zwei Arten von Elektronen in der Elektronenübertragungskette.Trägerzur Übertragung von Elektronen zwischen größeren, in die Membran eingebetteten Makromolekularen. Vier Membran-Oxidationsreductasen sind an der Elektronenübertragung der mitochondrialen Atemkette beteiligt. Sie umfassen Komplex I (NADH: ubiquinone oxidase reductase, CI), Komplex II (Bernsteinsäure: ubiquinone oxidase reductase, CII), Komplex III (bc1-Typ-Panol; Cytochrom C-Oxidation Reduktase, Typ bc1 CIII) und Komplex IV (Typ aa3 Cytochrom C-Oxidation Reduktase, Typ aa3 CIV). Funktional ist der Komplex CIII in der Lage, das Panalkohol zu Panchinon zu oxidieren und Elektronen an das lösliche Zytochrom c zu übertragen. Die Elektronen werden anschließend an den Komplex CIV übertragen, wo Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. TransmembranPMF wird durch Protonenpumpen in den Komplexen CI, CIII und CIV erzeugt.
In der Atemkette der Protonuklearen ist die Situation komplizierter. Aufgrund dieser Komplexität wurde noch kein vollständiger Elektronenübertragungsweg in den Zellen von Protonukleosen festgelegt. Daher ist es notwendig, die Beteiligung zu verstehen.BakterienVollständige Struktur eines Superkomplexes der Atemkette durch Elektronenübertragung. In dieser neuen Studie extrahierten und reinigten die Forscher diesen Atemkettensuperkomplex aus Mycobacterium scam und beobachteten seine Struktur mit einer Cryoelektroskoptechnik in einer Auflösung von 3,5 Å. Diese Struktur liefert wichtige Erkenntnisse zur Aufklärung der Mechanismen der direkten Übertragung von Elektronen in diesem Atemketten-Superkomplex. Dieser Atemkettensuperkomplex existiert in einer symmetrischen linearen Struktur im Bereich der Größe von 200 x 70 x 120 Å, was sich von den zuvor berichteten Atemkettensuperkomplexen unterscheidet. Zusammensetzungsweise ist das lineare CIV1-CIII2-CIV1-Diomer so angeordnet, dass sich der einzelne Komplex CIV1 auf beiden Seiten des zentralen Komplex CIII2-Diomers befindet. Diese Information zeigt eine direkte Korrelation zwischen den Enzymen während der Elektronenübertragung, was ein neues Muster der Atemkettenkatalyse darstellt. Diese detaillierte Strukturentdeckung hat das Potenzial, bei der Durchführung von Arzneimittelentdeckungsarbeiten gegen Mycobacteria zu unterstützen.
Während der bakteriellen Zellkultur-Experimente verwendeten die Forscher eine mutante Stamm von Wasserstoffperoxid-resistenten Scham-Mycobacterium ähnlich wie die Tuberkulose-Mycobacterium. Diese Bakterienzellen wurden kultiviert und anschließend ihre Zellmembrane nach der zuvor beschriebenen Methode (Microbiology, 2006, 152: 823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0) isoliert. Nachdem Bakterienzellen kultiviert, gesammelt und geklattet wurden, sammelten sie ihre Zellmembranfällungen und extrahierten dann den Atemkettensuperkomplex aus der Zellmembran. Anschließend beschrieben sie die Merkmale dieses Atemkettensuperkomplexes mit spektroskopischen Methoden, Massenspektrometrie und 3,3'-Diaminobiphenamin (DAB)-Chromatologie. Um Hemoglobingruppen zu identifizieren, analysierten sie nach der vorherigen Methode (Journal of Biological Chemistry, 2015, doi: 10.1074/jbc.M114.624312) ausgewählte Teile der Probe durch Aufzeichnung des Spektrums vor und nach der Disulfatreduktion. Sie analysierten eine gereinigte Probe des Atemkettensuperkomplexes mit natürlicher Massenspektrometrie, um ihre Struktur zu untersuchen, und verwendeten zuvor etablierteExperimentelle MethodenAnalysieren Sie die einzelnen strukturellen Komponenten dieses Superkomplexes der Atemkette.
Während der Cryoelektroskopie-Analyse färbten die Forscher eine Probe aus dem Superkomplex der Atemkette von Shama Mycobacterium in einer Konzentration von 5 μl mit Uranperoxid-Essigsäure (1%, w/v) in einer Konzentration von 0,05 mg/ml negativ und nutzten anschließend ein Bild auf dem FEI Tecnai Spirit-Mikroskop, das bei 120 kV arbeitete, für den ersten Strukturmodellaufbau. Sie rekonstruierten die niederopplösende Struktur dieses Atemkettensuperkomplexes durch die Verarbeitung von 53 Mikrobilder von Proben eines negativ gefärbten Atemkettensuperkomplexes. Um die Struktur dieses Atemkettensuperkomplexes zu rekonstruieren, wählten sie manuell 7.600 aus 8.200 Originalbildern während der Cryoelektroskopbildverarbeitung aus. Alle Bilder in dieser Studie wurden mit PyMOL oder UCSF Chimera erstellt.
Diese Forscher enthüllten die cryoelektroskopische Struktur des CIII-CIV-Superkomplexes der Atemkette von Mycobacterium scam. Die Elektronenübertragungswege innerhalb dieses Atemkettensuperkomplexes reichen von der Oxidation von Chinol (Chinol) im Komplex CIII bis zur Sauerstoffreduktion im Komplex CIV. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen Mechanismus der gabelten Elektronenübertragung, der sicherstellt, dass der Quitononzyklus (Q-Zyklus, d. h. die Nettobewegung der Protone durch die doppelten Schichten der Lipide) abgeschlossen ist, um die Energieumwandlung zu erreichen. Oxid-Discriminase (SOD) ist direkt an der Montage dieses Atemketten-Superkomplexes beteiligt und schützt ihn vor oxidativen Schäden durch aktiven Sauerstoff (ROS). Die Verteilung der Chinon-Bindungsstellen bietet auch einen Rahmen für die Entwicklung strukturbasierter antimikrobieller Medikamente in Zukunft. (Biologisches Tal)
Referenzen:
Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. Ein Elektronentransferweg verbindet Untereinheiten eines mykobakteriellen Atemwegs-Superkomplexes. Wissenschaft, Online veröffentlicht: 25 Okt 2018, doi:10.1126/science.aat8923.
