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人類和許多其他生物都需要氧氣才能生存

人類和許多其他生物都需要氧氣才能生存。在將養分轉化為能量的過程中,氧氣被轉化為水,而酶氧化酶對此負責。它代表了所謂呼吸鏈的最后一步。

盡管人類僅具有這些氧化酶的一種,但細菌模型生物大腸桿菌(E. coli)具有三種可用的替代酶。為了更好地理解大腸桿菌和其他細菌為何需要多種氧化酶,來自魯道夫·維爾奇豪中心的貝蒂娜·博切爾教授與弗賴堡大學的托斯滕·弗里德里希教授合作確定了大腸桿菌中細胞色素bd氧化酶的分子結構。大腸桿菌。僅在細菌和微生物古細菌中發現這種類型的氧化酶。

細菌有其他類型的氧化酶

同種的細胞色素,b型為兩種,d型為一種,是使氧化酶發揮功能的關鍵含鐵基團。在細胞色素d處,氧結合并轉化為水。結構確定表明,來自大腸桿菌的細胞色素bd氧化酶的結構與另一種細菌,熱樹芽孢桿菌(Geobacillus thermodenitrificans)的結構非常相似。“但是,令我們驚訝的是,我們發現細胞色素b和細胞色素d改變了位置,從而改變了酶內的氧轉化位點,” Thorsten Friedrich教授報道。

發生這種變化的原因可能是細胞色素bd氧化酶可能具有第二種功能:除了產生能量外,它還可以起到抵抗氧化應激和氮氧化物應激的作用。特別是致病細菌菌株顯示出高活性的細胞色素bd氧化酶。由于人類不具有這種類型的氧化酶,因此這些結果可能進一步為開發針對病原體(如分枝桿菌)的細胞色素bd氧化酶的新型抗菌藥物提供重要指示。

取得成功的關鍵是新型高性能電子顯微鏡,該顯微鏡自2018年以來一直在Rudolf Virchow中心的Böttcher教授的指導下進行操作。BettinaBöttcher教授解釋說:“細胞色素bd氧化酶對于冷凍電子顯微鏡來說是具有挑戰性的樣品,因為它是通過這種技術確定結構的最小的膜蛋白之一。”

該技術的特殊功能是溫度低至負180攝氏度的極低溫度和按原子順序移動的分辨率。這使得研究先前已被速凍的生物分子和復合物成為可能,并重建其三維結構。在300,000伏特的電壓下,顯微鏡加速了電子“掃描”樣本的速度。

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