[论文解读] Unveiling ADP-binding sites and channels in respiratory complexes: Validation of Murburn concept as a holistic explanation for oxidative phosphorylation

Kelath Murali Manoj, Abhinav Parashar|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Mitochondrial Function and Pathology参考文献 114被引用 16

一句话总结

本文提出了'murburn概念'，作为线粒体氧化磷酸化的整体性解释，认为线粒体基质中的可扩散活性氧物种（DROS）作为化学偶联剂，将NADH氧化与ATP合成相连接，而非质子梯度。通过结构和计算分析，作者在呼吸链复合物中鉴定出多个ADP结合位点及溶剂可及的DROS通道，验证了murburn机制，并挑战了经典的化学渗透理论。

ABSTRACT

Mitochondrial oxidative phosphorylation (mOxPhos) makes ATP, the energy currency of life. Chemiosmosis, a proton centric mechanism, advocates that Complex V harnesses a transmembrane potential (TMP) for ATP synthesis. This perception of cellular respiration requires oxygen to stay tethered at Complex IV (an association inhibited by cyanide) and diffusible reactive oxygen species (DROS) are considered wasteful and toxic products. With new mechanistic insights on heme and flavin enzymes, an oxygen or DROS centric explanation (called murburn concept) was recently proposed for mOxPhos. In the new mechanism, TMP is not directly harnessed, protons are a rate limiting reactant and DROS within matrix serve as the chemical coupling agents that directly link NADH oxidation with ATP synthesis. Herein, we report multiple ADP binding sites and solvent accessible DROS channels in respiratory proteins, which validate the oxygen or DROS centric power generation (ATP synthesis) system in mOxPhos. Since cyanide's heme binding Kd is high (mM), low doses (uM) of cyanide is lethal because cyanide disrupts DROS dynamics in mOxPhos. The critical study also provides comprehensive arguments against Mitchell's and Boyer's explanations and extensive support for murburn concept based holistic perspectives for mOxPhos.

研究动机与目标

• 挑战依赖质子梯度驱动ATP合成的经典化学渗透理论。
• 研究可扩散活性氧物种（DROS）是否作为ATP生成的直接化学偶联剂。
• 鉴定并表征呼吸链复合物中的ADP结合位点及DROS可及通道。
• 提供结构和机制证据，支持murburn概念作为线粒体氧化磷酸化（mOxPhos）的综合性解释。
• 从DROS动力学破坏的角度，解释低剂量氰化物高毒性的原因，而非单纯抑制复合物IV。

提出的方法

• 对呼吸链复合物（I–IV）进行高分辨率结构分析，以识别潜在的ADP结合位点。
• 通过分子动力学和溶剂可及性模拟，绘制DROS在线粒体呼吸复合物内扩散的路径。
• 对氰化物与复合物IV中血红素的结合进行生物化学和热力学分析，重点关注毫摩尔级（mM）的解离常数（Kd）。
• 将murburn概念与米切尔的化学渗透理论及博耶的构象变化机制进行对比分析。
• 利用计算模型评估线粒体基质中质子运动与DROS动力学。
• 整合结构、动力学和热力学数据，支持一种不依赖质子梯度的ATP合成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 呼吸复合物中是否存在多个ADP结合位点，且其是否在ATP合成中具有功能相关性？
• RQ2 是否存在允许可扩散活性氧物种（DROS）在线粒体呼吸链内扩散的溶剂可及通道？
• RQ3 murburn概念（即DROS作为化学偶联剂）是否能比化学渗透理论提供更连贯的氧化磷酸化解释？
• RQ4 为何低剂量氰化物（μM）具有致命毒性，尽管其对复合物IV中血红素的Kd值较高（mM）？
• RQ5 DROS动力学的破坏如何解释氰化物的细胞毒性，而无需依赖对复合物IV的直接抑制？

主要发现

• 在呼吸复合物I、III和IV中鉴定出多个ADP结合位点，表明其直接参与ATP合成。
• 在线粒体呼吸链复合物中绘制出DROS的溶剂可及通道，使其能够在线粒体基质中扩散。
• 氰化物对血红素的高Kd（mM）解释了为何低剂量（μM）氰化物具有致命毒性——其原因在于破坏了DROS动力学，而非直接抑制。
• murburn概念比经典化学渗透理论提供了更连贯且整体性的氧化磷酸化解释。
• 结构和动力学证据表明，ATP合成并不需要跨膜质子梯度，支持一种由DROS介导的偶联机制。
• 本研究提出了大量论据反对米切尔和博耶的模型，强调活性氧物种在能量转换中作为功能性介质的作用。