Science: структурное раскрытие энергетического метаболизма микобактерий

В новом исследовании ученые Zihe Rao из Института биофизики Китайской академии наук, Quan Wang, Fei Sun и их коллеги выделили суперкомплекс дыхательной цепи Mycobacterium smegmatis (respiratory supercomplex) и визуализировали его трехмерную структуру с разрешением 3.5 а., используя технологию криогенных зеркал (cryo - EM). Эта бактерия имеет тесные родственные связи с микобактерией туберкулеза и является одним из видов, используемых для изучения многихБактерииПопулярные модели видов. Эта детальная структура показывает, как электроны передаются внутри клеток в процессе, который до сих пор не наблюдался. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science 25 октября 2018 года под названием « An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex».

Как правило, во время клеточного дыхания окисление источников энергии (сахара, жирных кислот и аминокислот) связано с восстановлением электронных рецепторов (кислорода, серы, нитратов и сульфатов), из которых можно получить химическую энергию для синтеза аденозина трифосфата (АТФ) и привода клеточных реакций. В аэробном клеточном дыхании эта химическая энергия вырабатывается путем создания трансмембранного протонного градиента, называемого протонным динамическим потенциалом (PMF), который управляет синтезом АТФ, когда поставщик электрона передается к конечному электронному рецептору через цепочку передачи электронов (Electron transport chain, ETC). В новом исследовании исследователи обнаружили прямую связь между переносом электронов между ферментами, что представляет собой новую модель катализа дыхательной цепи.

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

Хинон и цитохром - это два типа электронов в цепочке передачи электронов.носительИспользуется для передачи электронов между крупными молекулярными структурами, встроенными в мембрану. Четыре мембранных окислительно - редуктаза участвуют в передаче электронов в митохондриальной дыхательной цепи. Они включают в себя комплекс I (NADH: Panhinon - окислительно - редуктаза, CI), комплекс II (янтарная кислота: Panhinon - окислительно - редуктаза, CII), комплекс III (bc1 - панол; Цитохром c оксид - редуктаза, тип BC1 CII) и комплекс IV (тип aa3 цитохром c - оксидаза, тип aa3 CIV). Функционально, комплекс CIII может окислять пан - спирт до пехинона и передавать электроны растворимому цитохрому c. Электроны затем передаются в комплекс CIV, где кислород восстанавливается до воды. Трансмембранный PMF вырабатывается протонными насосами в комплексах CI, CII и CIV.

В дыхательной цепи протонуклеотидов ситуация еще более сложная. Из - за этой сложности полный путь передачи электронов в клетках протонуклеотидов еще не определен. Поэтому необходимо понимать участиеБактерииЭлектроны передают полную структуру суперкомплекса дыхательной цепи. В этом новом исследовании исследователи извлекли и очистили этот суперкомплекс дыхательной цепи из микобактерии стыда и визуализировали его структуру с разрешением 3,5 А с использованием криогенных зеркальных технологий. Эта структура дает важное представление о механизме прямой передачи электронов в этом суперкомплексе дыхательной цепи. Этот суперкомплекс дыхательной цепи имеет размер 200 × 70 × 120 А и существует в симметричной линейной структуре, которая * отличается от ранее сообщенного суперкомплекса дыхательной цепи. По составу линейные димеры CIV1 - CIIII - CIV1 расположены так, что один композит CIV1 находится по обе стороны центрального комплекса CII2 - димера. Эта информация показывает прямую корреляцию между ферментами во время передачи электронов, что представляет собой новую модель катализа дыхательной цепи. Это подробное структурное открытие потенциально может помочь в обнаружении лекарств, устойчивых к микобактериям.

Во время экспериментов по культивированию бактериальных клеток исследователи использовали устойчивые к перекиси водорода штаммы микобактерий, похожие на бактериальные микобактерии туберкулеза. Культивируйте эти бактериальные клетки и затем отделяйте их клеточные мембраны в соответствии с описанными ранее методами (Microbiology, 2006, 152: 823 - 829, doi: 10.1099 / mic.0.28723 - 0). После того, как бактериальные клетки культивируются, собираются и расщепляются, их клеточная мембрана осаждается, а затем извлекаются суперкомплексы дыхательной цепи из клеточной мембраны. Затем они описали характеристики этого суперкомплекса дыхательной цепи с использованием спектроскопических методов, масс - спектрометрии и окраски 3,3 '- дифениламина (DAB). Чтобы идентифицировать гемоглобиновые группы, в соответствии с предыдущим методом (Journal of Biological Chemistry, 2015, doi: 10.1074 / jbc.M11.624312) они проанализировали отдельные образцы путем записи спектра до и после восстановления дисульфата. Они использовали естественную масс - спектрометрию для анализа очищенных образцов суперкомплекса дыхательной цепи, чтобы изучить его структуру и использовать ранее созданныеЭкспериментальный методАнализ отдельных структурных компонентов в этом суперкомплексе дыхательной цепи.

Во время криоскопического анализа исследователи использовали ацетат бисоксида урана (1%, w / v) для отрицательного окрашивания образцов суперкомплекса дыхательной цепи с концентрацией 0,05 мг / мл в 5 мкл, а затем использовали изображения, сделанные на микроскопе FEI Tecnai Spirit, работающем под 120 кВ, для построения первоначальной структурной модели. Они воссоздали структуру с низким разрешением этого суперкомплекса дыхательной цепи, обработав 53 микроизображения образцов суперкомплекса с отрицательной окраской. Чтобы воссоздать структуру этого суперкомплекса дыхательной цепи, они вручную отобрали 7600 из 8200 оригинальных изображений во время обработки криогенных зеркал. Все изображения в этом исследовании были построены с использованием PyMOL или UCSF chimera.

Исследователи обнаружили криогенную структуру зеркал суперкомплекса дыхательной цепи CIII - CIV. Этот путь передачи электронов внутри суперкомплекса дыхательной цепи варьируется от окисления хинола (quinol) в комплексе CII до восстановления кислорода в комплексе CIV. Эти результаты показывают новый механизм передачи разветвленных электронов, который обеспечивает преобразование энергии при завершении цикла хинона (Qcycle, чистое движение протонов через липидные двойные слои). Оксид - дихотомилаза (SOD) непосредственно участвует в сборке этого суперкомплекса дыхательной цепи, который защищает его от окислительного повреждения активным кислородом (ROS). Распределение участков связывания хинона также обеспечивает основу для разработки структурированных противомикробных препаратов в будущем. (Биологическая долина)

Ссылки:

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. Путь передачи электронов соединяет подединицы микобактериального дыхательного суперкомплекса. Наука, опубликовано в Интернете: 25 Oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.