Scripps研究所（TSRI）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們最近解析了一個為地球上絕大多數(shù)生命提供能量的神秘分子機制。

轉(zhuǎn)氫酶TH（nicotinamide nucleotide transhydrogenase）是一種古老的酶，廣泛存在于動物、植物和許多簡單生物中。這種酶在細(xì)胞健康的維持中非常關(guān)鍵，與糖尿病、癌癥等疾病有關(guān)。

“盡管TH酶非常重要，但它一直是人們最不了解的線粒體酶之一，”TSRI副教授C. David Stout說。“我們這項研究揭開了轉(zhuǎn)氫酶的神秘面紗，展示了這種酶操縱質(zhì)子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。”

絕大多數(shù)細(xì)胞過程是由線粒體提供能量的，而TH酶就在線粒體中起作用。線粒體消耗氧將質(zhì)子泵出線粒體基質(zhì)，使其在線粒體內(nèi)膜的外面累積。TH酶一端固定在線粒體內(nèi)膜中，它可以讓這些質(zhì)子一個一個回到基質(zhì)，這個過程關(guān)聯(lián)著NADPH的生成。

X射線晶體學(xué)技術(shù)是研究蛋白結(jié)構(gòu)的經(jīng)典工具，但這一技術(shù)之前很難用在TH酶上，因為完整的TH酶結(jié)構(gòu)相當(dāng)松散。Stout實驗室的研究生Josephine H. Leung通過Vadim Cherezov教授開發(fā)的技術(shù)首次獲得了TH跨膜區(qū)域的結(jié)晶，并用X射線晶體衍射技術(shù)確定了它的結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到2.8 Å。

研究團(tuán)隊也結(jié)晶了完整的TH酶，雖然完整TH酶的成像分辨率較低，但研究人員結(jié)合部分結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)數(shù)據(jù)，最終將整體分辨率提高到了6.9 Å。

Bridget Carragher教授及其同事在進(jìn)一步的研究中用電鏡得到了TH酶的18 Å圖像。電鏡圖像證實TH天然以二聚體形式存在，為其作用機制提供了重要的線索。

TH的結(jié)構(gòu)域III位于跨膜結(jié)構(gòu)之上的線粒體基質(zhì)中，與NADPH的前體分子NADP+結(jié)合。“最令我們吃驚的發(fā)現(xiàn)是，二聚體的兩個結(jié)構(gòu)域III并不對稱，一個朝上一個朝下，” Leung說。

研究人員指出，其中一個結(jié)構(gòu)域III負(fù)責(zé)催化NADPH的生成，而另一個結(jié)構(gòu)域朝向線粒體內(nèi)膜，可能在幫助轉(zhuǎn)運質(zhì)子。這個新結(jié)構(gòu)模型表明，每一次質(zhì)子轉(zhuǎn)移，兩個結(jié)構(gòu)域III就會交換一次功能。

不過，闡明TH的確切結(jié)構(gòu)和作用機制還需要更多的工作。舉例來說，研究人員發(fā)現(xiàn)TH跨膜區(qū)域可能存在一個質(zhì)子通道，但在這項研究中這個通道是關(guān)閉的。“我們推測，這個通道應(yīng)該還有一個開放的構(gòu)象允許質(zhì)子通過，這一點還有待進(jìn)一步的研究，”Leung說。