細(xì)胞可用全新機(jī)制使用儲(chǔ)存能量

日期：2010-07-08 08:44:45

德國(guó)科學(xué)家成功揭示細(xì)胞線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合物Ⅰ的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了分子復(fù)合物中的全新能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，細(xì)胞可通過(guò)該機(jī)制使用儲(chǔ)存在營(yíng)養(yǎng)中的能量。相關(guān)研究成果發(fā)表在7月1日的《科學(xué)》（Science）雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

有氧呼吸是動(dòng)植物進(jìn)行呼吸作用的主要形式，細(xì)胞在氧的參與下，通過(guò)酶的催化作用將糖類(lèi)等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量能量。細(xì)胞內(nèi)的能量物質(zhì)轉(zhuǎn)換發(fā)生在線粒體中，因此線粒體是為細(xì)胞提供能量的“動(dòng)力工廠”。其氧化過(guò)程由線粒體內(nèi)膜上的4個(gè)呼吸鏈膜蛋白復(fù)合物(簡(jiǎn)稱復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和IV)來(lái)完成。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，關(guān)于這4個(gè)膜蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析成為生物學(xué)界的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，迄今為止，美國(guó)、日本和中國(guó)的科學(xué)家已分別解析了線粒體膜蛋白復(fù)合物Ⅲ、Ⅳ和Ⅱ的晶體結(jié)構(gòu)，而復(fù)合物Ⅰ的精細(xì)結(jié)構(gòu)卻一直還是個(gè)謎。

經(jīng)過(guò)十幾年的研究，德國(guó)科學(xué)家終于成功完成了線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合物Ⅰ晶體結(jié)構(gòu)的X射線結(jié)構(gòu)分析，這種巨大且極其復(fù)雜的復(fù)合物由40多個(gè)不同的蛋白質(zhì)組成。德國(guó)弗賴堡大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)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(lái)的以營(yíng)養(yǎng)形式存儲(chǔ)的能量在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)換為普遍的能量來(lái)源三磷酸腺苷（ATP）。ATP在線粒體中的生產(chǎn)要經(jīng)歷多個(gè)步驟，主要步驟為氫氣氧化為水的爆鳴氣反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)室中人們可以讓氫氣和氧氣相互反應(yīng)，使存儲(chǔ)在原料中的能量以熱的形式釋放出來(lái)，而在生物氧通過(guò)呼吸鏈蛋白復(fù)合物膜時(shí)，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(zhuǎn)化為最終用于合成ATP的電子膜電位，人體內(nèi)線粒體的表面積總計(jì)約1.4萬(wàn)平方米，每天大約可以生成65公斤的ATP。

膜蛋白復(fù)合物Ⅰ的新結(jié)構(gòu)模型解釋了其工作原理的重要和意想不到的信息。一個(gè)不是由已知分子形式的蛋白組成的“傳輸導(dǎo)桿”通過(guò)納米尺度的機(jī)械耦合完成了蛋白復(fù)合物內(nèi)部的能量傳輸，可像蒸汽火車(chē)的車(chē)輪連桿一樣進(jìn)行力的傳遞。

線粒體呼吸鏈的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究對(duì)于徹底了解細(xì)胞內(nèi)電子傳遞和能量轉(zhuǎn)化的機(jī)理至關(guān)重要。因?yàn)槟さ鞍讖?fù)合物Ⅰ的功能失活會(huì)導(dǎo)致帕金森氏癥或阿爾茨海默氏癥等神經(jīng)退行性疾病以及人體老化等，詳細(xì)理解它的功能具有特別的醫(yī)學(xué)意義。