Исследование массивного суперкомплекса в митохондриях, включающего все четыре дыхательных комплекса

Эукариоты генерируют энергию для выживания посредством клеточного дыхания в митохондриях в процессе, известном как окислительное фосфорилирование. В этом процессе питательные вещества и кислород преобразуются в химическую форму энергии — АТФ. Это достигается за счёт протонного градиента, создаваемого цепью переноса электронов внутри митохондрий.

Градиент формируется серией из четырёх дыхательных комплексов во внутренней мембране митохондрий. Новое исследование, опубликованное в Nature, объединило томографию и молекулярное моделирование, чтобы пролить свет на биоэнергетические макроассамблеи и их роль в формировании митохондриальных мембран. Было установлено, что у Tetrahymena thermophila — свободноживущего одноклеточного эукариота, обитающего в прудах и озёрах, — все четыре дыхательных комплекса ассоциированы.

Они образуют массивный суперкомплекс массой 5.8 мегадальтон, состоящий из 150 белков, по меньшей мере 300 трансмембранных спиралей и 311 липидов. Благодаря приобретению и удлинению субъединиц, Комплекс I связывает димер Комплекса III, который наклонён на 37 градусов. Комплекс I также ассоциирует с димером Комплекса IV, создавая промежуток, который служит сайтом связывания для Комплекса II.

Исследование показывает, что эта сборка критически важна для формирования биоэнергетической мембраны. Одно из самых интригующих открытий заключается в том, что субъединица Комплекса IV под названием COX3 разделена на две части. Фрагментация происходит на генетическом уровне, после чего каждый фрагмент удлиняется, способствуя формированию некоторых интерфейсов между комплексами. Приобретение функции для межкомплексных контактов представляет собой эволюционный механизм, показывающий, как нейтральная молекулярная сложность может стать полезной.

Результаты подчёркивают, как эволюция белковых субъединиц дыхательных комплексов привела к сборке суперкомплекса, который активно способствует индукции кривизны митохондриальной мембраны, необходимой для правильной функции митохондрий.

Таким образом, суперкомплекс формирует макроскопическую архитектуру митохондрий, в конечном итоге оптимизируя синтез АТФ. Следовательно, дыхательные суперкомплексы выполняют не только ферментативную, но и структурную функцию по формированию мембраны, и вместе они поддерживают преобразование энергии, обеспечивая топливо для жизни.