生命科学奖

  饶子和 生物物理学家,1950年9月6日出生于江苏南京。中国科学院院士,第三世界科学院院士,清华大学教授。曾任中科院生物物理所所长,生物大分子国家重点实验室主任。现任南开大学校长。

  饶子和主要从事与重要病毒和肿瘤相关的蛋白质三维结构、功能以及蛋白质工程与创新药物的研究。已经在 Cell,Nature,Nature Structural & Molecular Biology,PLoS Biology, PNAS,J Biol. Chem.,Structure,J. Mol. Biol.,J Am Chem. Soc.,Curr. Opin. Struct. Biol.等国际学术刊物上发表学术论文 171篇。

线粒体呼吸电子传递链复合物II的三维精细结构

  线粒体作为细胞器,是真核细胞活动的主要供能单位,是细胞发生呼吸作用的主要场所。呼吸链酶系定位于线粒体内膜,由四个分子量很大的跨膜蛋白(复合物I、II、III、和IV)和介于其间的泛醌(UQ)和细胞色素C组成(图1)。复合物Ⅰ即NADH脱氢酶,其作用是催化NADH的电子传递至UQ,同时将质子由线粒体基质转移至膜间隙。复合物Ⅱ即琥珀酸脱氢酶,其作用是催化电子从琥珀酸转至UQ,但不转移质子。复合物Ⅲ即细胞色素c还原酶,其作用是催化电子从UQ传给细胞色素c,同时将质子由线粒体基质泵至膜间隙。复合物Ⅳ即细胞色素c氧化酶,其作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧,在基质侧消耗2个质子,同时转移2个质子至膜间隙。最终阐述这些复合物的电子传递机制和跨膜质子泵的工作原理有待于它们三维精细结构的解析。

  复合物III 和复合物IV的晶体结构在上个世纪末获得了解析。1997年,Di Xia等解析了复合物III的部分结构 [SCIENCE 277, 60-66];1998年,Zhaolei Zhang等解析了复合物III存在抑制剂时的结构[NATURE 392,677-684];此后,So Iwata等报告了复合物III的完整晶体结构[SCIENCE 281,64-71]。1995年, Tomitake Tsukihara等获得了细胞色素C氧化酶晶体的高分辨率数据[SCIENCE 269, 1069-1074]; 1998年, Shinya Yoshikawa等人解析了细胞色素C氧化酶的氧化态,还原态,叠氮化钠结合态,一氧化碳结合态的晶体结构[SCIENCE 280,1723-1729]。

  2005年7月,我国科学家首次获得了猪心线粒体复合物II的晶体(图2),并解析了其2.4埃的结构以及其与抑制剂3-硝基丙酸盐(NPA),2-噻吩甲酰三氟丙酮(TTFA)结合的结构[CELL 121, 1043-1057],这是二十五年来我国大陆科学家完全立足于本土,在Cell杂志上发表的第一篇研究论文。

  复合物II由两个亲水蛋白(黄素蛋白和铁硫蛋白)和两个穿膜蛋白(共六个穿膜螺旋)构成,看上去象一个字母q,有一个亲水头部和一个穿膜尾部;该复合物尾部分布了5个带电的氨基酸和2个极性的氨基酸,表明复合物II是一个穿膜蛋白复合物(图3)。

  通过电子密度图的计算,复合物II中的电子传递体——核黄素分子,三个铁硫基团([2Fe-2S],[4Fe-4S],[3Fe-4S])以及血红素分子得到了精确定位。同时,与大肠杆菌琥珀酸脱氢酶的结构比较表明电子传递体的氧化还原电位是受其周围的氨基酸环境调制的。

  在与抑制剂结合的结构中存在两个TTFA的结合位点,一个靠近基质,第二个靠近线粒体膜间隙,由于TTFA是UQ还原的抑制剂,因此这个发现具有全新的意义,表明复合物II可能存在两个UQ结合位点。

  最后,我国科学家建立了人体线粒体复合物II的结构模型,并对已知的与该复合物突变相关的人类疾病进行了研究,发现这些突变位点大多位于电子传递体或UQ结合位点的周围(表1),其突变导致电子正常传递的中断,是相关疾病发生的根源,从而为研究与该复合物相关的人类线粒体疾病提供了一个真实的模型。

  线粒体复合物II是世界上获得的为数不多的膜蛋白结构中的一员,也是我国继去年生物物理所获得的捕光蛋白复合物II之后的第二个膜蛋白结构。

  图1:线粒体内膜上四个呼吸链膜蛋白复合物


图中从左到右依次为复合物I,复合物II,复合物III和复合物IV,
其中除了复合物I以外,其余三个复合物的结构已经得到解析,
图中红色粗线表示了电子传递的方向,红色细线表示了在线粒体
基质一侧的生化反应,黑色的箭头表示了质子的泵出方向。

  图2:显微镜下猪心线粒体呼吸链复合物II的晶体

图中橙红色米粒状晶体
为猪心线粒体呼吸链复
合物II的晶体,其线度
大约为100微米

  图3:猪心线粒体呼吸链复合物II的结构

图中为猪心线粒体呼吸链复合物II晶体结构的飘带表示图,
背景为该结构的表面图,灰色矩形区域示意了复合物II的跨
膜部分所在的线粒体内膜,内膜上方为线粒体基质,下方为
线粒体的膜间隙;飘带结构中,蓝色为黄素蛋白(Fp),米
色为铁硫蛋白(Ip),粉红色和金黄色为两个穿膜蛋白
(CybL和CybS)。

 

表1:与人类疾病相关的部分线粒体复合物II的突变

亚基
点突变
人类疾病
基于结构的解释
黄素蛋白
Arg-A409 → Cys
(Birch-Machin et al., 2000)
视萎缩, 肌肉性运动失调
突变影响了琥珀酸的结合
铁硫蛋白
Cys-B73 → Tyr
(Neumann et al., 2002)
嗜铬细胞瘤
突变破坏了与[2Fe-2S]的结合
Cys-B164 → Arg
(Neumann et al., 2002)
突变破坏了与[4Fe-4S]的结合
Cys-B168 → Tyr
(Neumann et al., 2002)
突变破坏了与[3Fe-4S]的结合
小穿膜蛋白
Arg-D47 → Gly
(Taschner et al., 2001)
头颈部的副神经节肿瘤
突变破坏了与血红素的结合
Leu-D72 → Pro
(Taschner et al., 2001)
His-D79 → Leu
(Baysal et al., 2000)