细胞呼吸是许多生物体代谢的核心特征。细胞呼吸时,电子通过电子传递链从电子供体转移到氧气,同时伴随着质子被泵出细胞质膜或线粒体内膜。电子传递链中存在两种电子载体,分别是醌和细胞色素c,辅助电子在膜内大分子间的传递。线粒体内呼吸链发挥功能的组分已被充分研究确定,但其在原核系统中是变化多样的。革兰氏阴性细菌中普遍存在类似于线粒体中电子转移的可溶性细胞色素c途径,而革兰氏阳性细菌如分枝杆菌缺乏可溶性细胞色素c,取而代之的是固定在膜上的细胞色素c蛋白或融合形式的细胞色素c结构域,介导复合物Ⅲ(CⅢ)和复合物Ⅳ(CⅣ)之间的电子转移。真核生物呼吸链超级复合物的结构已被报道,但这些结构中均不存在细胞色素c。因此,完整的电子传递路径仍是未知的。据报道,耻垢分枝杆菌、谷氨酸棒杆菌和结核分枝杆菌的CⅢ-CⅣ超级复合物,在没有外部电子载体的情况下具备将醌氧化与氧还原偶联的特性,这意味着该类型的超级复合物内部具有完整的电子传递路径。可见,解析确定这类复合物的结构可以揭示超级复合物亚基之间的直接电子转移途径。本研究中,我们从耻垢分枝杆菌分离纯化出有功能活性的以CⅢ2CⅣ2SOD2形式存在的呼吸链超级复合物,随后借助冷冻电镜单颗粒技术解析获得了 3.5 A的三维结构。结构显示,超级复合物由相互作用的20个亚基构成。超级复合物的中心是CⅢ二聚体,其两侧各有一个CⅣ。融合的c型细胞色素结构域桥接并介导电子从CⅢ到CⅣ的转移。CⅢ到CⅣ内参与电子传递的辅因子之间的距离在电子隧穿的有效距离内,从而揭示了电子从甲基氢醌到分子氧的而不需要额外的游离型细胞色素c载体参与的直接电子传递分子机制。此外,该结构还揭示了三个先前未鉴定并有助于超级复合物稳定的相关亚基以及位于CⅢ周质侧超氧化物歧化酶(SOD)的存在。SOD与呼吸链超复合物的结合,提示了一种分枝杆菌应对巨噬细胞和宿主免疫反应过程中外源性和内源性氧化应激的新机制。基于体外分子水平的氧消耗实验及分子对接实验不仅证实处于临床Ⅱ期的抗结核药物分子Q203对耻垢分枝杆菌与结核分枝杆菌具有非常相似的抑制效率,还指出了 Q203在复合物中的潜在结合位点。这些数据表明本文的结构研究可以为后续Q203的优化及开发更有效的药物分子奠定重要的结构基础。