呼吸的奥秘
栏目：名刊精选 来源：中国数字科技馆
呼吸作用是最基本的生命活动之一。20世纪初, 科学家们发现了一系列可以进行电子传递的铁硫中心、卟啉环等辅基, 而后又逐步鉴定出这些辅基固定在一系列的蛋白质复合物中。最近, 人们发现这些蛋白质复合物并不是相互独立存在的, 而是倾向于结合在一起形成呼吸体。 生命在于运动。宇宙星辰周转不息，同样，细胞内的一切都在不断运动之中。细胞作为一个整体在运动，单独的细胞器行使功能也在运动，甚至于每一个蛋白质分子发生构象变化都是在运动，运动是生命乃至宇宙的基本规律。运动必须有能量供应，而为细胞运动提供能量的则是呼吸。你可能从来都没有想过，一呼一吸之间看似平常，实则另有乾坤。 作为个体水平上的呼吸运动指的是人通过口鼻将空气吸入肺部，在肺泡中与血液完成气体交换后再排出体外。在细胞水平上，呼吸作用则有另外一番完全不同的含义。细胞呼吸发生在线粒体中。摄入人体的营养物质经过分解代谢产生大量的高能化学分子，最常见的是NADH和FADH。这些高能分子在线粒体中将高能电子通过固定在线粒体内膜上的线粒体呼吸链传递给分子态氧生成水，同时温和地释放能量产生质子梯度，之后，ATP合成酶利用质子梯度合成可直接为生命活动供能的高能分子三磷酸腺苷(ATP)。这一过程概括起来很简单，而实际上，每一步都涉及到非常复杂的生化反应，并且受到严格的调控以满足不同状态下细胞的能量需求。接下来，让我们来探索呼吸的奥秘。 我们的故事从线粒体开始讲起。线粒体是细胞内由双层膜包被的大型细胞器，是细胞内的能量工厂，呼吸作用发生的主要场所，其直径大约为0.5~1微米。除呼吸作用外，线粒体还参与了一系列重要的生命活动，包括糖类和脂质的代谢、细胞凋亡、衰老以及钙离子稳态的调节等。线粒体外膜通透性较高，结构较为简单。线粒体内膜组成成分则较为复杂，含有丰富的蛋白质和心磷脂以及少量的胆固醇，且可以向内折叠形成嵴，其上分布着大量进行细胞呼吸的蛋白质复合物。嵴的存在极大地扩展了线粒体内膜的表面积，增加了呼吸作用进行的空间(图1)。 从20世纪中叶开始，进行呼吸作用的大分子蛋白质复合物相继被分离和鉴定出来，至今科学家们都在研究这些大分蛋白机器的功能机理。这些蛋白质机器包括复合物I(NADH脱氧酶，NADH dehydrogenase)，复合物II(琥珀酸脱氧酶，succinate dehydrogenase)，复合物III(细胞色素c还原酶，cytochrome c reductase)，复合物IV(细胞色素c氧化酶，cytochrome c oxidase)，以及复合物V(ATP合成酶，ATP synthase)。其中，复合物V以二聚体的形式存在于线粒体嵴上，并且常常沿着嵴的折叠处呈条带状排列，而复合物I到IV的组合形式则较为复杂。起初，人们认为复合物I到IV在线粒体嵴上是相互独立存在的，每一个单独的复合物独立完成电子传递(也就是能量释放)的一部分过程，而它们之间的电子传递则通过在线粒体内膜上游离的辅酶Q和细胞色素c来完成。现在看来这样的电子传递方式和蛋白质组合形式是低效的1,2。21世纪初，科学家们检测到了复合物I到IV更高级的组合形式，超级复合物。在超级复合物中，复合物单体的数量可以发生变化，以形成不同组合形式的超级复合物，而其中具有完整呼吸活性的超级复合物又被称为呼吸体。2016年9月以来，我们实验室通过单颗粒冷冻电镜的方法首次获得了哺乳动物中呼吸体I1III2IV1的高分辨结构，检测到复合物I、III和IV之间较为紧密的相互作用，揭示了呼吸体中电子传递耦联质子转运的分子机理，为呼吸体高效地进行能量转换提供了有力的证据，相关论文发表在《自然》杂志(Nature)和《细胞》杂志(Cell)上3,4。
图1 线粒体嵴剖面图 与独立发挥作用的呼吸链复合物(CI-CIV)相比，呼吸体在结构和功能上具有明显的优势。首先，每个单独的呼吸复合物本身，尤其是CI，就是庞大的蛋白机器，而这些蛋白机器之间的相互结合则能够起到互相稳定的作用。复合物I在中段通过蛋白亚基NDUFA11与复合物III的蛋白亚基UQCRB和UQCRQ相互作用，在末段通过蛋白亚基ND5、NDUFB8与复合物IV的蛋白亚基COX7A、COX7C相互作用，形成结构更加稳定、功能更加高效的超大蛋白质机器。实验证明，在复合物III或IV具有缺陷或者被去除的线粒体中，复合物I的稳定性明显降低。其次，有证据显示，与单独的呼吸复合物相比，形成呼吸体后，能够减少氧化还原反应位点的暴露，因此呼吸作用过程中产生的活性氧簇(ROS)的量也明显减少，这对降低癌症发生和延缓衰老都有非常重要的作用2。另外，与单独的呼吸复合物相比，呼吸体通过在复合物I和复合物III之间形成一个封闭的辅助Q区间(Q pool)，在复合物III和IV之间形成细胞色素c的底物通道，对辅酶Q和细胞色素c的实现快速而高效的利用，使呼吸作用过程中的能量转换效率大大提高。 化学燃料的燃烧通常是一个不可控的、剧烈的能量释放过程，而作为生物体能量来源的有机物质，本质上也是化学燃料。显而易见，生物体对有机物质中能量的利用，绝不能以燃烧的方式进行，而需要以一个可控、温和的方式，完成对能量的高效利用。在呼吸体中，CI-CIV作为功能相对独立的单元，各自都受到严格的调控，只完成能量释放的一部分过程。同时，由于呼吸体中能量转换的方式并不是通过氧化还原反应直接产生内能，而是通过电子传递引起蛋白质的构象变化来转运质子以产生电化学势能，在呼吸作用能量转换的过程中只有很少部分的能量逸散成了内能，甚至这部分内能也可以用于维持生物体的体温。作为一个整体，呼吸体内各个单元以特定的方式相互结合，相互稳定，以保证底物的高效利用与流通。正是由于呼吸体这一复杂而精妙的结构，才使得生物体对有机物中的能量进行温和而高效地利用成为可能(图2)。
图2 呼吸体结构模型 下面，我们以复合物I为例简单介绍呼吸复合物是如何通过电子传递耦联质子转运来实现能量的高效利用的。哺乳动物的复合物I是一个大型的蛋白质机器，总共包含45个蛋白亚基，整体上呈L形，由跨膜臂和亲水臂接合而成。复合物I的亲水臂朝向线粒体基质中，位于其头部的FMN分子可以结合线粒体基质中的NADH，并将NADH上的两个电子通过固定在亲水臂上的7个铁硫中心逐个传递给结合在亲水臂与跨膜臂交界处的辅酶Q上，使辅酶Q呈强电负性。复合物I的跨膜臂有4个由高度保守的跨膜螺旋包围形成的质子通道，每个质子通道周围都有两个跨膜螺旋在线粒体内膜的中部发生断裂并由一小段可弯曲的肽段连接起来，这样的结构使得质子通道的构象具有高度的可变性。同时，在跨膜区中，众多跨膜螺旋的中段含有高度保守的极性氨基酸(赖氨酸、精氨酸、谷氨酸)，它们与固定在膜中部的水分子一起形成了一条极性的导线，直接从跨膜区的远端连接至亲水臂和跨膜臂交界处的辅酶Q结合位点，横跨整个跨膜区，将所有质子通道中部的电性都与复合物I所结合的辅酶Q的带电性结合起来。结合辅酶Q时，复合物I跨膜区质子通道开口朝向线粒体基质，在辅酶Q获得电子带电负性之后，跨膜区中部的极性导线整体呈电负性，从而吸引线粒体基质中丰富的带正电的质子进入跨膜区中部。随后，辅酶Q从中获得两个质子并从复合物I上脱离出去。辅酶Q的脱离使得跨膜区的质子通道发生构象变化，原本朝向线粒体基质的开口转而朝向线粒体膜间隙，而此时由于辅酶Q的离去原本膜中间呈电负性的导线恢复电中性，失去对质子的吸引能力。因而，从线粒体基质中吸引进入膜中部的质子被排出，进入线粒体膜间隙，复合物I也就此完成了一个传递电子并耦联质子转运的循环(图3)。
图3 复合物I机理图左图为激发状态，右图为释放状态 由上所述，线粒体呼吸链复合物的结构设计十分巧妙，将电子传递释放的能量通过蛋白质的构象变化耦联质子转运，最终转换成了由质子梯度所储存的电化学势能。同时，这一过程又受到了十分精细的多重调控，将线粒体呼吸链的活性水平与细胞内的能量需求巧妙地联系了起来。 文/杨茂君 本文来自《科学通报》
