牛细胞色素c氧化酶中二氧化碳、一氧化二氮和氙结合位点揭示潜在气体排出通道的分子机制

日本研究人员通过1.75-1.85 ?高分辨率晶体结构分析，解析了牛细胞色素c氧化酶(CcO)在氧化/还原状态下与CO2、N2O和Xe的复合物结构，发现这些气体分子共同结合于O2传输通道分支点的新位点，首次揭示由核DNA编码亚基VIIc参与构成的CO2被动排出通道，为理解线粒体能量代谢中的气体交换机制提供重要结构基础。

　　

在细胞能量代谢的核心环节中，细胞色素c氧化酶(Cytochrome c oxidase, CcO)作为呼吸链终端酶，肩负着将氧气转化为水并驱动质子跨膜运输的重要使命。这个位于线粒体内膜上的巨型分子机器，其高效运作直接关系到ATP合成的效率。然而长期以来，科学家们对CcO如何选择性传输氧气(O₂)、又如何处理代谢产生的二氧化碳(CO₂)等气体分子知之甚少。特别是在线粒体基质中，三羧酸循环持续产生的CO₂可能通过何种途径排出，一直是未解之谜。

日本大阪大学的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的重要研究，首次通过高精度结构生物学手段揭开了这个谜团。他们采用1.75-1.85 ?分辨率的X射线晶体学技术，解析了牛心CcO与CO₂、一氧化二氮(N₂O)和氙气(Xe)结合的复合物结构，不仅验证了已知的O₂传输通道，更意外发现了一条全新的气体排出通道。这项研究为理解线粒体能量转换过程中的气体交换机制提供了里程碑式的结构见解。

关键技术方法包括：1）从牛心线粒体纯化二聚体CcO晶体；2）在厌氧/有氧条件下制备CO₂、N₂O和Xe处理的氧化型与还原型样品；3）在SPring-8同步辐射光源BL44XU线站收集1.8 ?分辨率X射线衍射数据；4）通过反常散射差异图定位气体分子结合位点；5）分子表面计算确定通道拓扑结构。

【O₂ transfer pathway】
通过Xe结合实验，研究人员在亚基I与III界面附近的疏水通道中发现了Xe1位点，证实了先前提出的O₂传输路径。值得注意的是，该位点在缺氧条件下结合更强，表明Xe与O₂存在竞争性结合。与细菌同源蛋白对比显示，这一通道在进化上高度保守，但哺乳动物CcO通过亚基III的独特结构实现了更精确的气体选择。

【Putative CO₂ exhaust pathway】
最引人注目的发现是Xe2位点——一个位于O₂通道分支点的共同结合位点。CO₂、N₂O和Xe在此形成稳定结合，通过Phe67^I/Phe68^I的芳香环夹持作用和Ser108^I的氢键网络固定。由此延伸出的新通道由亚基I与核DNA编码的亚基VIIc共同构成，Xe3/Xe4结合位点标记出通向膜间隙的完整路径。分子表面计算显示，这条通道具有适合CO₂被动扩散的连续疏水环境。

【Gas molecule binding to the H pathway】
在推测的质子传输H通路中，Xe5稳定结合于基质侧入口空腔，可能影响质子传递效率。还原态特有的Xe6位点则揭示了血红素a侧链构象变化产生的临时性气体结合腔，这解释了为何红外光谱仅在还原态CcO中检测到N₂O诱导的构象变化。

这项研究通过精妙的实验设计，首次在原子水平揭示了线粒体CcO处理代谢气体的双通道机制：保守的O₂输入通道负责氧气的快速传输，而进化新增的亚基VIIc参与构建了CO₂排出专有通道。这种"一进一出"的气体管理策略，不仅解决了代谢废物排出的难题，还可能通过Site-2的气体捕获机制避免CO₂对氧还原反应的干扰。该发现为理解线粒体疾病中能量代谢异常提供了新的结构框架，也为设计靶向气体通道的呼吸调节药物开辟了新思路。