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線粒體是我們細胞的能量工廠，它產生的能量支撐著生命。一種稱為複合物I（complex I）的巨型分子質子泵至關重要：它啟動了一連串的反應，構建出質子梯度來驅動ATP產生。儘管複合物I發揮著核心作用，但是它跨膜運輸質子的機制至今仍不為人知。
如今，在一項新的研究中，奧地利科學技術研究所的Leonid Sazanov及其研究團隊破解了複合物I的工作原理之謎：它的構型變化與靜電波相結合，將質子移入線粒體基質中。相關研究結果於2020年9月24日在線發表在Science期刊上，論文標題為「The coupling mechanism of mammalian respiratory complex I」。
膜上的複合物I，水分子顯示為紅色球體，醌用黑色表示，NADH用灰色表示。圖片來自IST Austria。
複合物I是呼吸鏈中的第一個酶。呼吸鏈由線粒體內膜中的一系列蛋白複合物組成，負責細胞的大部分能量生產。在呼吸鏈中，三種膜蛋白建立了質子梯度，將質子從細胞質中移入線粒體基質。驅動這個過程的能量主要來自於NADH分子（來源於我們吃的食物）和我們呼吸的氧氣之間的電子轉移。ATP合酶是呼吸鏈中的最後一個蛋白，利用這種質子梯度產生ATP。
複合物I如此引人關注不僅在於它在生命中的核心作用，還在於它的體積：真核生物複合物I的分子量為1兆道爾頓，是最大的膜蛋白之一。這種尺寸也使得複合物I難以研究。2016年，Sazanov團隊解析出一種較為簡單的細菌酶結構後，又率先確定了哺乳動物複合物I的結構。但是，複合物I跨膜移動質子的機制一直存在爭議。Sazanov解釋說，「一種觀點是複合物I的一部分像活塞一樣工作，以打開和關閉質子通過的通道。另一種觀點是複合物I中心的胺基酸殘基充當了驅動器的作用。事實證明，一種更不尋常的機制在發揮作用。」
水線幫助質子在膜上跳躍
此前，Sazanov團隊已發現L型的複合物I由親水臂和膜臂組成。在親水臂中，電子從NADH轉移到疏水性電子載體：醌。膜臂是發生質子轉運的地方，有三個類似的結構與反向轉運體（antiporter）相關的亞基，還有一個含有醌結合腔的亞基。在這個醌結合腔中，複合物I在每個催化周期將兩個電子轉移給醌，醌將電子進一步轉移給複合物III和複合物IV。但是，由於這些反向轉運體樣亞基遠離醌結合腔，電子與醌之間的相互作用如何能夠讓每個催化周期的4個質子跨膜移動，就成了謎團。
為了解決這個難題，Sazanov團隊對綿羊複合物I進行了低溫電鏡研究。在一連串的努力下，論文第一作者Domen Kampjut解析出在不同條件下獲得的複合物I的23種不同結構。通過添加NADH和醌，他們可以捕捉到複合物I在工作時的圖像，其中在工作時，它在兩個主要狀態之間改變構象。由於實現了高解析度，他們可以識別這種蛋白內部的水分子，這些水分子是允許質子轉移的關鍵。他們發現，膜臂中心軸上的許多水分子為質子在極性胺基酸殘基和水之間的跳躍提供了途徑，從而形成了沿著和跨過膜的通道。
但只有在離醌最遠的一個亞基中，質子才會跨膜跳躍。其他兩個亞基則在這個最遠的亞基和醌之間提供耦合。當醌結合腔「等待」醌的到來時，一個螺旋阻擋了膜臂中心軸中的水線（water wire）。當醌在醌結合腔中結合時，這個區域周圍的蛋白構象發生了巨大的變化，這個螺旋發生旋轉。這時，水線連接了複合物I的所有膜亞基，兩個質子被轉移到醌，從而完成對醌的還原。這種機制的這個關鍵部分在於第一個反向轉運體附近產生了電荷，並啟動了帶電胺基酸殘基之間相互作用的靜電波，該靜電波沿著這些反向轉運體傳播，導致總共四個質子的轉移。
Sazanov解釋說，「我們發現一種新的、意想不到的機制在複合物I中起作用。構象變化和靜電波相結合驅動質子跨膜轉移。這似乎有點過度，但可能有助於這種機制保持健壯。」
這項新的研究補充了Sazanov團隊在過去兩個月中發表的兩項研究：其中的一項研究涉及細菌複合物I中質子泵送機制（Nature Communications, 18 August 2020, doi:10.1038/s41467-020-17957-0），另外一項涉及MRP反向轉運體的結構（eLife, 31 Jul 2020, doi:10.7554/eLife.59407）。複合物I就是由MRP反向轉運體演變而來的。
參考資料：
1.Domen Kampjut et al. The coupling mechanism of mammalian respiratory complex I. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc4209.
2.Javier Gutiérrez-Fernández et al. Key role of quinone in the mechanism of respiratory complex I. Nature Communications, 2020, doi:10.1038/s41467-020-17957-0.
3.Julia Steiner et al. Structure and mechanism of the Mrp complex, an ancient cation/proton antiporter. eLife, 2020, doi:10.7554/eLife.59407.
4.Mystery of giant proton pump solved
https://ist.ac.at/en/news/mystery-of-giant-proton-pump-solved/