来自爱尔兰都柏林圣三一学院(Trinity College Dublin)的研究人员利用一种高度专业化的晶体技术解析了一种大分子蛋白---细胞色素氧化酶caa3(caa3-type cytochrome oxidase)---的结构，这将增加我们理解细胞中的能量产生和储存。相关研究发现于2012年7月1日发表在《自然》期刊上。
都柏林圣三一学院研究人员确定了这种蛋白的晶体结构，就可以在分子水平上解释一种特别复杂的蛋白机器(protein machine)在能量产生和储存过程中如何工作。ATP是细胞的能量货币，能被用来维持细胞生存、生长和复制。
他们构建出一种自制的液态晶体膜模拟物(liquid crystal membrane mimic)来让这种蛋白结晶，然后利用大分子X射线晶体分析法来确定蛋白结构。这种结构揭示出这种蛋白中所有主要的构成原子在三维空间中的位置。不过只有这种蛋白呈现出的最终结构才能决定着这种纳米大小的蛋白机器如何工作从而在一种高度调控的过程中，将氧气分子中两个氧原子拉开，并让每个氧原子与电子和质子结合从而产生无害的水，同时产生以化学物ATP形式储存的能量和跨膜电位(质子)梯度。
在这项研究中所使用的蛋白---细胞色素氧化酶caa3---来自一种细菌，即嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)。这种细菌最佳生长温度为65°C，它也在堆肥中发挥着作用。这项研究显示来自栖热菌属的这种酶拥有一个在酶中合适定位的额外结构域以便快速地、有效地和定向地传递电子到位于蛋白核心中的活性位点，其中蛋白核心是所有极其复杂的氧气化学性质发生的地方。这种结构揭示出一种特征性的化学基序(chemical motif)靠近活性位点中准备转移电子从而导致氧气还原和质子泵出的地方。这项研究有助于人们深入认识质子和电子如何在蛋白内以一种定向的方式进行传递。它鉴定出一种新的糖包被的脂质。它还进一步证实利用脂质膜模拟物确定膜蛋白晶体结构的普遍适用性。
膜结构和功能生物学教授Martin Caffrey说，“蛋白晶体结构是该蛋白的静态视图或快照，而且通常是它位于某种状态时的视图。但是蛋白是一台机器，有很多可移动的零件和不计其数的状态，而且这些状态能够在它机械地完成一套复杂功能时进行循环，一次又一次，反复不断地循环。如果通过一系列单张晶体静态视图就想捕获这些不断循环的状态的完整影片，则需要进行复杂的被称作分子动力学模拟(molecular dynamics simulations, MDS)的计算工作。”
尽管这项研究解释了很多关于这些复杂的蛋白机器如何利用来自细胞中食物的能量方面的问题，但是仍然有不少问题还需人们去进一步理解。(生物谷：Bioon.com)
doi: 10.1038/nature11182
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Structural insights into electron transfer in caa3-type cytochrome oxidase
Joseph A. Lyons, David Aragão, Orla Slattery, Andrei V. Pisliakov, Tewfik Soulimane & Martin Caffrey
Cytochrome c oxidase is a member of the haem copper oxidase superfamily (HCO)1. HCOs function as the terminal enzymes in the respiratory chain of mitochondria and aerobic prokaryotes, coupling molecular oxygen reduction to transmembrane proton pumping. Integral to the enzyme’s function is the transfer of electrons from cytochrome c to…
