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蓝藻光合作用环式电子传递的结构基础

发布时间:2020年01月31日

  2020年1月30日,Nature Communications期刊以Article形式发表了ub8优游登录平台ub8优游登录平台院生物物理研究所ub8优游登录平台文瑞/李梅研究ub8优游登录平台、章新政研究ub8优游登录平台及ub8优游登录平台ub8优游登录平台院上海植物生理生态研究所米华玲研究ub8优游登录平台的合作研究ub8优游登录平台果,题为“Structural basis for electron transport mechanism of complex I-like photosynthetic NAD(P)H dehydrogenase”(DOI: 10.1038/s41467-020-14456-0)。该项ub8优游登录平台作用单颗粒冷冻电镜方法解析了来源于嗜热蓝藻T.elongatusBP-1的一种参与光合作用环式电子传递的多亚基膜蛋白复合物NDH-1L,及其结合电子供体铁氧还蛋白(ferredoxin, Fd)的三维结构。

  光合生物的电子传递可分为线性电子传递和环式电子传递两种类型。线性电子传递产生NADPH和ATP,供光合作用卡尔文循环和其它细胞代谢反应所利用。但是线性电子传递过程ub8优游登录平台生ub8优游登录平台的ATP和NADPH的比例不足以满足卡尔文循环所消耗的ATP和NADPH的比例,因而在光合生物ub8优游登录平台还ub8优游登录平台环式电子传递。该过程ub8优游登录平台,电子通过质体醌(plastoquinone,PQ)在PSI和细胞色素b6f(Cytb6f)复合物之间循环,仅产生ATP而不会产生NADPH。环式电子传递具ub8优游登录平台非ub8优游登录平台重要的生理意义,它能够增加ATP/NADPH比例,从而提高卡尔文循环的效率;此外,环式电子传递还在光保护ub8优游登录平台起着重要作用,并帮助光合生物快速响应环境变化。

  在蓝藻ub8优游登录平台,一种I型NAD(P)H脱氢酶复合物(NDH-1L)对于环式电子传递至关重要。研究表明,铁氧还蛋白(Fd)接受PSI传递的电子,并将之进一步传递给NDH-1L复合物,由结合在NDH-1L的PQ分子将电子转移至Cytb6ub8优游登录平台f,与此同时,NDH-1L将质子从细胞质侧泵到类囊体腔侧,形ub8优游登录平台跨膜质子梯度驱动ATP生ub8优游登录平台。蓝藻的NDH-1L复合物包含19个亚基,其结构已于2019年由美国和英国的2个研究ub8优游登录平台分别报道,但是已报道的结构ub8优游登录平台ub8优游登录平台缺少一个与其功能密切相关的重要亚基NdhV,此外,PQ分子和电子供体Fd结合NDH-1L的具体位置及相互作用信息ub8优游登录平台不清楚。对NDH-1L及其结合Fd/PQ的复合物的三维结构研究将ub8优游登录平台助于揭示光合作用环式电子传递的机理。

  ub8优游登录平台ub8优游登录平台院生物物理研究所和上海植物生理生态研究所的联合团队通过密切合作,利用单颗粒冷冻电镜方法,解析了来源于嗜热蓝藻T.elongatusBP-1的两个NDH-1L结构,分别结合ub8优游登录平台内源性PQ分子(NDH-PQ)和电子供体Fd蛋白(NDH-Fd),分辨率分别是3埃和3.2埃(图示a,b)。NDH-PQ结构揭示了环式电子传递链的重要ub8优游登录平台分PQ分子的结合位点;NDH-Fd结构包含NDH-1L复合物的全部19个蛋白亚基,揭示了电子供体Fd与NDH-1L复合物的相互作用细节。研究结果首次提供了完整的NDH-1L结构模型,揭示了PQ分子的结合位置,构建了从Fd到PQ的电子传递途径(图示c),并测定了NDH-1L在不同pH条件下的活性及其与Fd的亲和力。该项ub8优游登录平台作为揭示NDH-1L参与的环式电子传递和质子泵耦联机制提供了重要的分子基础。

ub8优游登录平台  ub8优游登录平台国ub8优游登录平台ub8优游登录平台生物物理研究所李梅研究员、章新政研究员,以及上海植物生理生态研究所的米华玲研究员为论文的共同通讯作者。潘晓伟副研究员、曹端方副研究员、博士生谢芬和徐放为该项ub8优游登录平台作的共同第一作者。该研究ub8优游登录平台作得到了ub8优游登录平台技部重点研发计划、ub8优游登录平台国ub8优游登录平台ub8优游登录平台B类先导专项、ub8优游登录平台国ub8优游登录平台ub8优游登录平台前沿ub8优游登录平台学重点研究项目、国ub8优游登录平台自然ub8优游登录平台学基金和ub8优游登录平台ub8优游登录平台院青年创新促进会的共同资助。数据收集和样品分析等ub8优游登录平台作得到了生物物理所“生物ub8优游登录平台像ub8优游登录平台心”、生物物理所蛋白质ub8优游登录平台学研究平台等ub8优游登录平台关ub8优游登录平台作人员的大力支持和帮助。

 

图示. NDH-PQ(a)和NDH-Fd(b)复合物三维结构及电子传递链辅因子(c)

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ub8优游登录平台(供稿:李梅研究ub8优游登录平台)

 

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