中國科大、清華大學(xué)聯(lián)合研究揭示酵母NADH脫氫酶Ndi1的電子傳遞通路及其中自由基對間的反鐵磁量子行為
近日，中國科大生命科學(xué)學(xué)院，微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室田長麟教授教授和微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室鄭曉教授、清華大學(xué)楊茂君教授合作，揭示了酵母NADH-泛醌氧化還原酶Ndi1催化電子傳遞的具體機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)Ndi1中電子傳遞通路間存在反鐵磁量子行為。相關(guān)研究成果以“Temperature-Dependent ESR and Computational Studies on Antiferromagnetic Electron Transfer in the Yeast NADH Dehydrogenase Ndi1”為題發(fā)表于《Physical Chemistry Chemical Physics》（Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, DOI: 10.1039/C6CP08107J）。
線粒體被認(rèn)為是細(xì)胞中的動力工廠，線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）將細(xì)胞代謝途徑中的產(chǎn)生的電子從NADH或FADH2向氧分子(O2)傳遞，最終生成ATP，負(fù)責(zé)為生物體提供能量。酵母Ndi1蛋白是呼吸鏈中發(fā)揮重要作用的一類NADH氧化還原酶，能夠以FAD為輔基催化電子從NADH傳遞給泛醌（UQ）。前期清華大學(xué)楊茂君實(shí)驗(yàn)室和中科大田長麟實(shí)驗(yàn)室通過合作研究解析了Ndi1的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及Ndi1與NADH、UQ以及NADH-UQ三種底物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用電子自旋共振（Electron Spin Resonance, ESR）方法揭示Ndi1中同時存在兩個泛醌（UQI，UQII）結(jié)合位點(diǎn)（Nature 2012,?491?(7424), 478-82）。經(jīng)典線粒體復(fù)合物借助一系列鐵硫簇（Fe-S cluster）間的反鐵磁相互作用（antiferromagnetism, AFM）介導(dǎo)的“量子隧穿”效應(yīng)完成電子傳遞，但Ndi1蛋白中并不含有鐵硫簇，其電子傳遞機(jī)制研究具有特殊意義。
近期中科大田長麟實(shí)驗(yàn)室、鄭曉實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)楊茂君實(shí)驗(yàn)室密切合作，應(yīng)用變溫ESR方法（200 K-2K）發(fā)現(xiàn)Ndi1蛋白中盡管缺失Fe-S簇，其電子傳遞過程中仍然存在著反鐵磁現(xiàn)象(AFM)。通過針對不同Ndi1電子傳遞中間體的變溫ESR譜圖擬合分析獲得了反平行電子自旋對之間的海森堡交換耦合常數(shù)J，結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算方法，系統(tǒng)闡釋了Ndi1蛋白中電子從NADH傳遞到泛醌的通路和機(jī)制。結(jié)果表明，在Ndi1蛋白電子傳遞過程中，F(xiàn)AD中間體自由基的b自旋與UQI半醌自由基的a自旋之間存在著自由基AFM相互作用，當(dāng)UQI接受了從FADH2依次傳來的兩個電子，又將電子依次傳遞給UQII，在這一過程中，半醌自由基對(UQI-UQII)之間也存在著AFM量子行為。進(jìn)一步的量化計(jì)算和生物功能數(shù)據(jù)表明，Ndi1催化的電子傳遞過程中的AFM效應(yīng)是源于輔基p鍵堆積（p-stacking）間的through-space交換相互作用。這一研究結(jié)果不僅從機(jī)理上闡述了Ndi1中的具體電子傳遞機(jī)制，也為研究和應(yīng)用生物分子的磁學(xué)性質(zhì)提供了新的思路。該研究工作得到了科技部，國家自然科學(xué)基金的資助。
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Ndi1蛋白催化的電子傳遞通路和機(jī)制
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? （中科大生命科學(xué)學(xué)院?于璐供稿）
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