線(xiàn)粒體是細胞中的能量工廠(chǎng)，為所有重要的生理過(guò)程提供能量。巴塞爾大學(xué)的研究團隊在《Science》期刊發(fā)表重磅研究，利用冷凍電鏡層析技術(shù)，首次捕捉到線(xiàn)粒體內呼吸鏈的完整高清結構。他們發(fā)現，負責能量生成的蛋白質(zhì)組裝成大型“超級復合體”，在細胞的能量供應中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。

地球上大多數生物，無(wú)論是植物、動(dòng)物還是人類(lèi)，其細胞都含有線(xiàn)粒體。它們的主要功能是為幾乎所有細胞過(guò)程提供能量。為實(shí)現這一目標，線(xiàn)粒體利用我們呼吸的氧氣和食物中的碳水化合物再生ATP，ATP是細胞的通用能量貨幣。這一功能由稱(chēng)為呼吸復合體的蛋白質(zhì)完成，它們在能量生成過(guò)程中相互協(xié)作。

盡管這些呼吸復合體在70年前就被發(fā)現，但它們在細胞內的確切組織結構一直難以捉摸。

對細胞能量工廠(chǎng)的新見(jiàn)解

“我們的數據表明，呼吸蛋白在線(xiàn)粒體特定膜區域中相互組織，形成主要的超級復合體，”研究的第一作者Florent Waltz解釋道。“通過(guò)電子顯微鏡，我們能夠清晰地觀(guān)察到單個(gè)超級復合體，直接識別它們的結構和功能。這些呼吸超級復合體通過(guò)線(xiàn)粒體膜泵送質(zhì)子，ATP生成復合體則像水車(chē)一樣利用質(zhì)子的流動(dòng)驅動(dòng)ATP的產(chǎn)生。”

提升能量生產(chǎn)效率的線(xiàn)粒體結構

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1065410

圖片信息：質(zhì)子從呼吸超復合物（藍色）到產(chǎn)生 ATP 的復合物（粉紅色）的通量為線(xiàn)粒體中 ATP 的再生提供動(dòng)力。

研究人員對生物體藻類(lèi)鹽藻（Chlamydomonas reinhardtii）中的活細胞線(xiàn)粒體進(jìn)行了分析。“我們非常驚訝地發(fā)現所有的蛋白質(zhì)均組織成了這樣的超級復合體，”Waltz表示。“這種結構可能使ATP的生成更加高效，優(yōu)化電子流動(dòng)，同時(shí)減少能量損失。”

除了研究超級復合體，研究團隊還深入觀(guān)察了線(xiàn)粒體的膜結構。“線(xiàn)粒體的內膜似乎有很多褶皺，增加了表面積，從而能容納更多的呼吸復合體，”同是通訊作者的Ben Engel教授補充道。

關(guān)于進(jìn)化與能量的新展望

研究團隊希望未來(lái)能夠揭示呼吸復合體為何相互連接，以及這種協(xié)同作用如何提升細胞呼吸和能量生成的效率。該研究還可能為生物技術(shù)及其他相關(guān)領(lǐng)域提供新的見(jiàn)解。Waltz解釋說(shuō)：“通過(guò)研究其他生物體中這些復合體的結構，我們能夠更全面地理解它們的基本組織。這不僅可能揭示進(jìn)化中的適應特征，還能幫助我們理解這些復合體的功能紊亂。”

雜志：Science

DOI：10.1101/2024.09.03.610704