الكشف عن آلية استقلاب الطاقة من البكتيريا

في دراسة جديدة ، عضو zaohe راو ، كوان وانغ ، فاي الشمس وزملاؤه في معهد الفيزياء الحيوية ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، عزل الجهاز التنفسي سلسلة سوبر معقدة من mycobacterium smegmatis باستخدام المجهر الإلكتروني ( cryo-em ) تقنية تصور هيكل ثلاثي الأبعاد في 3.5 Å القرار . هذه البكتيريا لديها علاقة وثيقة مع المتفطرة والسلجرثومينماذج شعبية من الأنواع . هذا الهيكل التفصيلي يكشف كيف يتم نقل الإلكترونات داخل الخلايا في عملية غير مرئية حتى الآن . النتائج ذات الصلة التي نشرت على الانترنت في 25 تشرين الأول / أكتوبر 2018 في مجلة العلوم ، ورقة بعنوان " في مسار الاتصالات الكهربائية subunits من mycobacterial respiratory Supercomplex " .

عادة ، خلال التنفس الخلوي ، الأكسدة من مصادر الطاقة ( السكر والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ) بالإضافة إلى الحد من مستقبلات الإلكترون ( الأكسجين والكبريت والنترات وكبريتات ) التي يتم الحصول عليها من الطاقة الكيميائية توليف أدينوسين ثلاثي الفوسفات ( ATP ) و قيادة رد فعل الخلية . في التنفس من الخلايا الهوائية ، هذه الطاقة الكيميائية التي تنتجها عبر الغشاء بروتون التدرج يسمى القوة المحركة بروتون ( PMF ) عندما يتم نقل الإلكترون المانحين إلى نهاية الالكترونية المستقبلات من خلال سلسلة نقل الإلكترون ( ETC ) . في هذه الدراسة الجديدة ، هؤلاء الباحثين قد كشفت عن وجود صلة مباشرة بين نقل الإلكترون الانزيمات ، مما يمثل نموذجا جديدا من سلسلة الجهاز التنفسي الحفز .

صورة من العلم ، دوي : 10.1126 / science.aat8923 . . . . . . .

كينون السيتوكروم نوعان من الإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترونالناقلتستخدم لنقل الإلكترونات بين أكبر الهياكل الجزيئية جزءا لا يتجزأ من الغشاء . أربعة أنواع من غشاء أوكسيدوريدوكتاز تشارك في نقل الإلكترون الميتوكوندريا في السلسلة التنفسية . وهي تشمل مجمع أنا ( NADH : أوكسيدوريدوكتاز كينون ، كاريتاس الدولية ) ، مجمع الثاني ( حمض السكسينك : أوكسيدوريدوكتاز كينون ، CII ) ، مجمع الثالث ( بي سي 1 نوع pantol ) ؛ سيتوكروم ج أوكسيدوريدوكتاز ، بي سي إل 1 CIII ) والمركب الرابع ( AA3 سيتوكروم سي أكسيداز ، AA3 CIV ) . وظيفيا ، مجمع CIII قادرة على أكسدة pantol إلى quinone ونقل الإلكترونات إلى ذوبان سيتوكروم ج . ثم يتم نقل الإلكترونات إلى مجمع CIV ، حيث يتم تخفيض الأكسجين إلى الماء . عبر الغشاء PMF تتولد من خلال ضخ البروتون في مجمع CI ، CIII ، CIV .

في بدائيات النوى في السلسلة التنفسية ، الوضع أكثر تعقيدا . وبسبب هذا التعقيد ، لم يتم بعد تحديد مسارات نقل الإلكترون كاملة في خلايا بدائيات النوى . ولذلك ، فمن الضروري أن نفهم أن المشاركةجرثوميهيكل كامل من السلسلة التنفسية supercomplex نقل الإلكترون . في هذه الدراسة الجديدة ، والباحثين استخراج وتنقية هذه السلسلة التنفسية supercomplex من المتفطرة smegmatis ، باستخدام المجهر الإلكتروني في درجة حرارة منخفضة تصور هيكلها في 3.5 Å القرار . هذا الهيكل يوفر نظرة ثاقبة آلية نقل الإلكترون مباشرة في الجهاز التنفسي supercomplex . . . . . . . هذه السلسلة التنفسية supercomplex في حجم 200 × 70 × 120 Å ، في وجود هيكل خطي متناظرة ، والتي تختلف عن السلسلة التنفسية supercomplex ذكرت سابقا . من الناحية التركيبية ، خطي civ1-ciii2-civ1 ديمر مرتبة بحيث مجمع واحد civ1 يقع على كلا الجانبين من مركز مجمع ciii2 ديمر . هذه المعلومات تكشف عن وجود علاقة مباشرة بين الإنزيمات في عملية نقل الإلكترون ، الذي يمثل نمط جديد من السلسلة التنفسية الحفز . هذا الاكتشاف الهيكلي مفصلة يمكن أن تساعد في اكتشاف المخدرات التي تقاوم البكتيريا .

خلال تجارب زراعة الخلايا البكتيرية ، استخدم الباحثون المسوخ التي تشبه المتفطرة السلية مقاومة هيدروجين بيروكسيد المتفطرة smegmatis . . . . . . . هذه الخلايا البكتيرية ومثقف ، ثم تم عزل أغشية الخلايا باستخدام الأساليب الموصوفة سابقا ( microbiology ، 2006 ، 152 : 823-829 دوي : 10.1099 / mic.0.28723-0 ) . بعد زراعة الخلايا البكتيرية ، وجمع وتكسير ، غشاء الخلية هطول تم جمعها ، ثم سلسلة التنفس supercomplex في غشاء الخلية تم استخراجها . ثم وصف هذه السلسلة التنفسية supercomplex الطيفي الشامل ، و 3 ، 3 ' - diaminobinaniline ( DAB ) تلطيخ . من أجل تحديد مجموعات الهيم ، تم تحليل عينات مختارة من قبل و بعد الحد من bisulfate قبل وبعد تسجيل الأطياف ( مجلة الكيمياء الحيوية ، 2015 ، دوي : 10.1074 / jbc.m114.624312 ) . أنها تستخدم مطياف الكتلة الطبيعية لتحليل عينات من السلسلة التنفسية supercomplex تنقية لدراسة هيكلها .المنهج التجريبيهيكل واحد من هذه السلسلة التنفسية supercomplex تم تحليلها .

خلال انخفاض درجة الحرارة المجهر الإلكتروني ، استخدم الباحثون خلات اليورانيل ( 1 في المائة ، ث / ت ) تلطيخ سلبية 5 μ ل تركيز 0.05 مغ / مل من المتفطرة smegmatis supercomplex في السلسلة التنفسية ، ثم أخذ صور من فاي tecnai spirit المجهر التي تعمل على 120kv لبناء النموذج الأولي . أنها إعادة بناء منخفضة الدقة هيكل سلسلة التنفس supercomplex بتجهيز 53 الصور المجهرية من عينة من سلسلة التنفس supercomplex الذاتي مصبوغ . من أجل إعادة بناء هذه السلسلة التنفسية supercomplex ، اختاروا 7600 يدويا من 8200 الصور الأصلية خلال درجات الحرارة المنخفضة المجهر الإلكتروني . جميع الصور في هذه الدراسة تم بناؤها باستخدام pymol أو UCSF تشيميرا .

وقد كشف الباحثون انخفاض درجة الحرارة المجهر الإلكتروني هيكل سلسلة الجهاز التنفسي ciii-civ supercomplex المتفطرة smegmatis . . . . . . . مسارات نقل الإلكترون في هذه السلسلة التنفسية supercomplex تتراوح من أكسدة quinol في مجمع CIII إلى الحد من الأوكسجين في مجمع CIV . هذه النتائج تشير إلى آلية جديدة لنقل الإلكترون التشعب الذي يضمن تحويل الطاقة من خلال استكمال دورة كينون ( صافي حركة البروتونات من خلال بلير الدهن ) . ديسموتاز الفائق تشارك مباشرة في تجميع هذه السلسلة التنفسية supercomplex ، مما يجعلها خالية من الضرر التأكسدي من أنواع الاكسجين التفاعلية ( ريوس ) . توزيع كينون ملزمة الموقع يوفر أيضا إطارا لتطوير الهيكلية القائمة على مضادات الميكروبات في المستقبل . وادي البيولوجية

المراجع :

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu وآخرون. مسار نقل الإلكترونات يربط الوحدات الفرعية لمجمع التنفس الفائق البكتيري. العلوم، نشرت على الإنترنت: 25 أكتوبر 2018، doi:10.1126/science.aat8923.