德科學家揭示細胞可通過全新機制使用營養中儲存的能量

德國科學家成功揭示細胞線粒體呼吸鏈膜蛋白復合物Ⅰ的結構，并發現了分子復合物中的全新能量轉換機制，細胞可通過該機制使用儲存在營養中的能量。相關研究成果發表在7月1日的《科學》雜志網絡版上。
　　有氧呼吸是動植物進行呼吸作用的主要形式，細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用將糖類等有機物徹底氧化分解，產生二氧化碳和水，同時釋放出大量能量。細胞內的能量物質轉換發生在線粒體中，因此線粒體是為細胞提供能量的“動力工廠”。其氧化過程由線粒體內膜上的4個呼吸鏈膜蛋白復合物(簡稱復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和IV)來完成。從20世紀50年代開始，關于這4個膜蛋白復合物的結構解析成為生物學界的熱點和焦點，迄今為止，美國、日本和中國的科學家已分別解析了線粒體膜蛋白復合物Ⅲ、Ⅳ和Ⅱ的晶體結構，而復合物Ⅰ的精細結構卻一直是個謎。   
　　經過十幾年的研究，德國科學家終于成功完成了線粒體呼吸鏈膜蛋白復合物Ⅰ晶體結構的X射線結構分析，這種巨大且極其復雜的復合物由40多個不同的蛋白質組成。德國弗賴堡大學生物化學與分子生物學研究所的卡羅拉·亨特教授、烏爾里克·勃蘭特教授和沃爾克·齊克爾曼博士合作完成了這一重要研究。
　　線粒體把外部吸收來的以營養形式存儲的能量在細胞內轉換為普遍的能量來源三磷酸腺苷（ATP）。ATP在線粒體中的生產要經歷多個步驟，主要步驟為氫氣氧化為水的爆鳴氣反應。在實驗室中人們可以讓氫氣和氧氣相互反應，使存儲在原料中的能量以熱的形式釋放出來，而在生物氧通過呼吸鏈蛋白復合物膜時，能量受到控制，被釋放在小包中。這些能量像在燃料電池中那樣被轉化為最終用于合成ATP的電子膜電位，人體內線粒體的表面積總計約1.4萬平方米，每天大約可以生成65公斤的ATP。   
　　膜蛋白復合物Ⅰ的新結構模型解釋了其工作原理的重要和意想不到的信息。一個不是由已知分子形式的蛋白組成的“傳輸導桿”通過納米尺度的機械耦合完成了蛋白復合物內部的能量傳輸，可像蒸汽火車的車輪連桿一樣進行力的傳遞。   
　　線粒體呼吸鏈的結構生物學研究對于徹底了解細胞內電子傳遞和能量轉化的機理至關重要。因為膜蛋白復合物Ⅰ的功能失活會導致帕金森氏癥或阿爾茨海默氏癥等神經退行性疾病以及人體老化等，詳細理解它的功能具有特別的醫學意義。