生命体最基本的生命活动之一呼吸作用发生在线粒体中。1977年，美国科学家Hackenbrock CR提出细胞呼吸是由线粒体内膜上的四个呼吸链蛋白复合物分步完成的，这四种蛋白复合物分别为：复合物I（CI，NADH脱氢酶）、复合物II（CII，琥珀酸脱氢酶）、复合物III（CIII，细胞色素c还原酶）和复合物IV（CIV，细胞色素c氧化酶），所有这些复合物都是由众多蛋白亚基和多个电子传递辅基组成的。2000年，科学家们发现这些复合物可以相互结合形成呼吸链超级复合体。单独的呼吸链复合物之间通过不同的组合方式相互结合，可以形成多种类型的超级复合体，其中具有完整呼吸活性的超级复合体又被称作呼吸体。
不同物种呼吸超级复合体的组成形式不同，如酵母中最主要形式为Ⅲ2Ⅳ1，土豆微管组织中的主要形式为Ⅰ1Ⅲ2，哺乳动物中最为常见的呼吸体形式为Ⅰ1Ⅲ2Ⅳ1。CII是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，通过其共价结合的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和铁硫蛋白将电子从琥珀酸转移到辅酶Q，在两个中枢代谢途径之间建立了功能联系。虽然CII被认为与哺乳动物的呼吸链复合体相互作用，但并未有实验表明它是任何呼吸链超复合体的一部分。2023年3月22日，Nature上发布了题为“Structural basis of mitochondrial membrane bending by the I–II–III2–IV2 supercomplex”的研究论文，揭示了包含CII的超级复合体（I–II–III2–IV2）的结构，及其对线粒体内膜嵴形态影响，进而优化ATP合成环境。
研究团队从纤毛虫原生生物嗜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)的线粒体中纯化了完整的呼吸超复合体，并通过单粒子冷冻电镜确定了其结构。在2.9 Å的总体分辨率下，其结构显示了该超级复合体由CI, CII, CⅢ2和CⅣ2共同组装了大小为5.8-MDa超级复合体(图1)，进一步分解单个结构，发现该超级复合体由150个不同的蛋白质亚基和311个结合脂质构成。
图1
当沿着膜平面观察时，300多个跨膜螺旋的组合呈现出弯曲的形状，这表明内膜采用了半径约为20 nm的局部曲率(图1a)。该超复合体结构与已知的哺乳动物明显不同(图1d)，这主要与四种纤毛特异性CI亚基相关，这些亚基在哺乳动物中与CIV的位置冲突。在该超复合体结构中，CII结合在由CI-CIV形成的楔形间隙中(图1a-c)，这也是该原生超复合物的独特结构和组成。
研究团队对分离的线粒体膜进行了冷冻电子断层扫描，结果显示约40nm管状嵴密集排列着螺旋状ATP合酶复合体和呼吸链超级复合体(图2a，黄色三角为ATP合酶，红色三角为呼吸链超级复合体)。为了原位阐明超复合体的结构，研究团队通过亚断层图像平均法获得了28 Å分辨率的图，证实了超复合体的存在，并且显示管状膜的优先取向和大约对位的弧形结构，超复合体中CI-CⅣ2界面与管长轴近似对齐(图2b)。此外，超复合体的弯曲膜区域角度大约130°，这有助于管状形状的形成。
图2
为了阐明呼吸链超复合体对膜形态形成的影响，研究团队进行了粗粒化分子动力学模拟。当置于平面的脂质双分子层中时，呼吸链超级复合体诱导了弯曲的膜拓扑结构，将膜从原始平面移走了18 nm(图2c)，相比之下，无蛋白质的脂质双分子层仍然相对平坦。此外，围绕复合物的环状脂质壳显示出高度弯曲的结构，这也支持了其诱导膜弯曲的积极作用。膜中CⅣ2的分子动力学模拟表明，它也可以在其邻近区域诱导膜弯曲。然而，对于管状结构的形成和稳定，并置单个亚复合体可能是必要的。最后，缺乏CII的超复合物的分子动力学模拟显示了与完整超复合物相似的脂质双分子层包裹，空隙部分由脂质填充了。这表明CII结合可能有助于复合物的稳定性，同时将酶保留在需要泛醇作为底物的小管嵴区域。
该研究结果表明，内膜嵴的形成受呼吸超复合体和ATP合酶的影响，它们共同产生膜管。之前有研究表明盘绕的ATP合酶复合体将螺旋直径固定在130nm，但该超复合物具有将嵴直径限制在约40nm的功能，这允许嵴的紧密堆积，从而增加生物能量膜的表面积。呼吸链超复合体的这种膜形组织明显不同于哺乳动物的同源结构(位于扁平的嵴区)。此外，由于每个嵴都代表一个独立的功能区室，呼吸链超复合体对嵴直径的限制可能有助于使体积最小化，从而可能有助于提高电子载体的局部浓度，确保质子易位导致局部质子动力的增加，最终优化ATP合成的环境。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05817-y
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