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科学家发现，线粒体中产生能量的蛋白质形成大型超级复合物，提高了ATP的生产效率，并为细胞生物学、进化和疾病提供了新的见解。线粒体通常被称为细胞的“动力源”，负责产生几乎所有重要细胞过程所需的能量。瑞士巴塞尔大学的研究人员现在利用低温电子断层扫描技术以前所未有的细节研究了线粒体，揭示了线粒体内部结构的新见解。
质子从呼吸超复合物（蓝色）流向 ATP 产生复合物（粉色），为线粒体中 ATP 的再生提供动力。图片来源：Biozentrum / Verena Resh
他们的研究结果表明，负责产生能量的蛋白质，即呼吸复合物，并不是单独起作用的。相反，它们会组装成称为“超级复合物”的大型结构，这些结构在有效产生细胞的主要能量来源 ATP 方面发挥着关键作用。
线粒体存在于几乎所有生物体的细胞中，包括植物、动物和人类。它们利用我们呼吸的氧气和食物中的碳水化合物产生 ATP，为细胞的基本功能提供动力，从而产生能量。
尽管这些呼吸链复合物早在 70 年前就被发现，但它们在线粒体内的确切组织结构至今仍不为人所知。利用最先进的低温电子断层扫描技术，由巴塞尔大学生物中心的 Florent Waltz 博士和 Ben Engel 教授领导的研究人员能够以前所未有的分辨率直接在细胞内创建呼吸链的高分辨率图像。该研究结果发表在《科学》杂志上。
“我们的数据显示，呼吸蛋白在线粒体的特定膜区域组织起来，粘在一起，形成一种主要类型的超复合物，”SNSF Ambizione 研究员、研究第一作者 Florent Waltz 解释道。“使用电子显微镜，单个超级复合物清晰可见——我们可以直接看到它们的结构和工作原理。呼吸超级复合物将质子泵过线粒体膜。ATP 生成复合物的作用类似于水磨，利用这种质子流来驱动 ATP 生成。”
研究人员检查了莱茵衣藻活细胞中的线粒体。“我们非常惊讶，所有的蛋白质实际上都是以这样的超级复合物的形式组织的，”沃尔兹说。“这种结构可能使 ATP 的生产更有效率，优化电子流，并最大限度地减少能量损失。”
除了超级复合体，研究人员还能够更仔细地检查线粒体的膜结构。“这有点让人联想到肺组织：线粒体内膜有许多褶皱，增加了表面积，以容纳尽可能多的呼吸复合体，”恩格尔说。
未来，研究人员的目标是揭示呼吸复合体为何相互关联，以及这种协同作用如何提高细胞呼吸和能量产生的效率。这项研究也可能为生物技术和健康提供新的见解。
“通过研究其他生物体中这些复合物的结构，我们可以更广泛地了解它们的基本组织，”沃尔兹解释说。“这不仅可以揭示进化适应，还可以帮助我们理解为什么这些复合物的破坏会导致人类疾病。”
编译自/ScitechDaily
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