近日，中国足彩网_亚博足彩app-新万博体育在线推荐基础医学院徐晓玲教授团队解析了来自于绿色非硫细菌Chloroflexus aurantiacus ACIII（CaACIIIp）在天然状态和结合甲基萘醌类似物2-heptyl-4-hydroxyquinoline-N-oxide (HQNO)的冷冻电镜结构，并通过电子顺磁共振、光谱电化学、酶活测定和分子动力学模拟，揭示了CaACIIIp偶联氢醌氧化和电子传递的分子机制，相关研究成果以题为Cryo-EM structure of HQNO-bound Alternative Complex III from an anoxygenic phototrophic bacterium Chloroflexus aurantiacus在线发表于国际知名学术期刊The Plant Cell（2023，IF=12.0）上。

众所周知，光合作用（Photosynthesis）和呼吸作用（Respiration）是地球碳氧循环的重要媒介，所产生的能量是生物界赖以生存的基础。基于化学渗透假说，光合和呼吸作用分别通过光合磷酸化和氧化磷酸化，经氢醌：电子受体氧化还原酶偶联电子的传递和质子的跨膜转运，所产生的跨膜质子动力势驱动ATP的合成，为生命活动提供能量。作为光合和呼吸电子传递链共有的组分，细胞色素（cytochrome，cyt）b6f和cyt bc1复合物（也称为复合物III）在偶联电子传递和质子跨膜转运中发挥着不可或缺的作用，但其偶联机制是长期以来未能明确的前沿科学问题。

近年来，科学家们发现了一种全新的电子载体蛋白复合体——替代复合物III（Alternative Complex III，ACIII）在多种微生物的光合和呼吸电子传递链。尽管这个复合体的组成和结构都与cyt bc1/b6f完全不同，却在光合和呼吸电子传递链中都发挥着相似的氢醌：电子受体氧化还原酶的功能。目前仅有来自Flavobacterium (F.) johnsoniae、Rhodothermus (R.) marinus呼吸链和Roseiflexus (R.) castenholzii光合电子传递链的ACIII结构被解析，但这些结构都没有发现结合的醌分子或底物类似物，使得醌结合位点的位置和构象，以及ACIII偶联氢醌氧化和电子传递的机制缺乏实验证据的支持。

继2020年在Science Advances期刊报道了首个光合电子传递链R. castenholzii ACIII的电镜结构后，徐晓玲教授团队又解析了CaACIIIp天然状态2.9-?和结合抑制剂HQNO 2.7-?分辨率的冷冻电镜结构。在这些结构中，研究人员首先发现了两个新的亚基ActG和I，并揭示了两者在维持复合体稳定中发挥的作用（图1A-D）。通过CaACIIIp结合HQNO的电镜结构，首次明确了醌结合口袋的精确位置和构象，发现结合HQNO头部喹啉环的His141和Asp171在氢醌氧化中起到关键作用。同时，跨膜亚基ActC质子通道中间三个高度保守的氨基酸（His99，His246和Arg394）与HQNO结合口袋之间存在着广泛的氢键网络，在偶联氢醌氧化和质子跨膜转运中发挥着重要的作用（图1E-G）。

图1 天然状态和HQNO结合状态下CaACIIIp的电镜结构

在与中国科学技术大学田长麟教授团队的合作中，研究人员通过电子顺磁共振、氧化还原电势、光谱电化学和酶活测定，明确了CaACIIIp氧化氢醌时释放出的电子沿着 [3Fe-4S]和6个c型血红素传递给下游的电子受体金色蓝素Auracyanin (Ac)-A和Ac-B（图2A-B）。为了回答CaACIIIp对两种下游电子受体Ac-A和Ac-B的偏好性这个长久以来颇具争议的问题，研究人员通过分子动力学模拟发现Ac-A和Ac-B都通过静电相互作用与CaACIIIp的Heme_E结合口袋接触，使得电子从Heme_E直接传递到Ac-A/B的铜离子。然而，Ac-B的铜离子结合区域边缘分散的中性氨基酸残基与ActE亚基中一段特殊的Insertion loop形成更广泛的疏水相互作用，从而赋予Ac-B相对较低的结合自由能（图2C-D）。因此，CaACIIIp与Ac-B具有形成更稳定的瞬态电子传递配合物的结构特征。

图2 CaACIIIp发挥氢醌：金色蓝素（Auracyanin，Ac）氧化还原酶活性的结构基础

这些研究结果扩展了氢醌：电子受体氧化还原酶结构的多样性和分子进化理论，为研究细菌的电子传递链和能量代谢机理提供了理论依据。

基础医学院讲师辛吉瑀、已毕业硕士闵真真、中国科学院合肥物质院强磁场中心副研究员于璐、中国足彩网_亚博足彩app-新万博体育在线推荐博士生苑欣怡为共同第一作者，徐晓玲教授为唯一通讯作者，中国足彩网_亚博足彩app-新万博体育在线推荐为第一通讯单位。基础医学院讲师吴文萍、博士生张鑫和吴婧怡、生命与环境科学学院副研究员辛越勇和已毕业硕士何慧敏、美国华盛顿大学Robert E. Blankenship教授、中国科学技术大学田长麟教授等人参与了本文的研究工作。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青促会项目、浙江省自然科学基金杰出青年项目、稳态强磁场实验装置（SHMFF）、浙江大学和西湖大学冷冻电镜中心的共同支持。