呼吸作用是最基本的生命活動之一。20世紀初, 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列可以進行電子傳遞的鐵硫中心、卟啉環(huán)等輔基, 而后又逐步鑒定出這些輔基固定在一系列的蛋白質(zhì)復(fù)合物中。最近, 人們發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)復(fù)合物并不是相互獨立存在的, 而是傾向于結(jié)合在一起形成呼吸體。

　　生命在于運動。宇宙星辰周轉(zhuǎn)不息，同樣，細胞內(nèi)的一切都在不斷運動之中。細胞作為一個整體在運動，單獨的細胞器行使功能也在運動，甚至于每一個蛋白質(zhì)分子發(fā)生構(gòu)象變化都是在運動，運動是生命乃至宇宙的基本規(guī)律。運動必須有能量供應(yīng)，而為細胞運動提供能量的則是呼吸。你可能從來都沒有想過，一呼一吸之間看似平常，實則另有乾坤。

　　作為個體水平上的呼吸運動指的是人通過口鼻將空氣吸入肺部，在肺泡中與血液完成氣體交換后再排出體外。在細胞水平上，呼吸作用則有另外一番完全不同的含義。細胞呼吸發(fā)生在線粒體中。攝入人體的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過分解代謝產(chǎn)生大量的高能化學(xué)分子，最常見的是NADH和FADH。這些高能分子在線粒體中將高能電子通過固定在線粒體內(nèi)膜上的線粒體呼吸鏈傳遞給分子態(tài)氧生成水，同時溫和地釋放能量產(chǎn)生質(zhì)子梯度，之后，ATP合成酶利用質(zhì)子梯度合成可直接為生命活動供能的高能分子三磷酸腺苷(ATP)。這一過程概括起來很簡單，而實際上，每一步都涉及到非常復(fù)雜的生化反應(yīng)，并且受到嚴格的調(diào)控以滿足不同狀態(tài)下細胞的能量需求。接下來，讓我們來探索呼吸的奧秘。

　　我們的故事從線粒體開始講起。線粒體是細胞內(nèi)由雙層膜包被的大型細胞器，是細胞內(nèi)的能量工廠，呼吸作用發(fā)生的主要場所，其直徑大約為0.5~1微米。除呼吸作用外，線粒體還參與了一系列重要的生命活動，包括糖類和脂質(zhì)的代謝、細胞凋亡、衰老以及鈣離子穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)等。線粒體外膜通透性較高，結(jié)構(gòu)較為簡單。線粒體內(nèi)膜組成成分則較為復(fù)雜，含有豐富的蛋白質(zhì)和心磷脂以及少量的膽固醇，且可以向內(nèi)折疊形成嵴，其上分布著大量進行細胞呼吸的蛋白質(zhì)復(fù)合物。嵴的存在極大地擴展了線粒體內(nèi)膜的表面積，增加了呼吸作用進行的空間(圖1)。

　　從20世紀中葉開始，進行呼吸作用的大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物相繼被分離和鑒定出來，至今科學(xué)家們都在研究這些大分蛋白機器的功能機理。這些蛋白質(zhì)機器包括復(fù)合物I(NADH脫氧酶，NADH dehydrogenase)，復(fù)合物II(琥珀酸脫氧酶，succinate dehydrogenase)，復(fù)合物III(細胞色素c還原酶，cytochrome c reductase)，復(fù)合物IV(細胞色素c氧化酶，cytochrome c oxidase)，以及復(fù)合物V(ATP合成酶，ATP synthase)。其中，復(fù)合物V以二聚體的形式存在于線粒體嵴上，并且常常沿著嵴的折疊處呈條帶狀排列，而復(fù)合物I到IV的組合形式則較為復(fù)雜。起初，人們認為復(fù)合物I到IV在線粒體嵴上是相互獨立存在的，每一個單獨的復(fù)合物獨立完成電子傳遞(也就是能量釋放)的一部分過程，而它們之間的電子傳遞則通過在線粒體內(nèi)膜上游離的輔酶Q和細胞色素c來完成?，F(xiàn)在看來這樣的電子傳遞方式和蛋白質(zhì)組合形式是低效的1,2。21世紀初，科學(xué)家們檢測到了復(fù)合物I到IV更高級的組合形式，超級復(fù)合物。在超級復(fù)合物中，復(fù)合物單體的數(shù)量可以發(fā)生變化，以形成不同組合形式的超級復(fù)合物，而其中具有完整呼吸活性的超級復(fù)合物又被稱為呼吸體。2016年9月以來，我們實驗室通過單顆粒冷凍電鏡的方法首次獲得了哺乳動物中呼吸體I1III2IV1的高分辨結(jié)構(gòu)，檢測到復(fù)合物I、III和IV之間較為緊密的相互作用，揭示了呼吸體中電子傳遞耦聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)運的分子機理，為呼吸體高效地進行能量轉(zhuǎn)換提供了有力的證據(jù)，相關(guān)論文發(fā)表在《自然》雜志(Nature)和《細胞》雜志(Cell)上3,4。

　　圖1  線粒體嵴剖面圖

　　與獨立發(fā)揮作用的呼吸鏈復(fù)合物(CI-CIV)相比，呼吸體在結(jié)構(gòu)和功能上具有明顯的優(yōu)勢。首先，每個單獨的呼吸復(fù)合物本身，尤其是CI，就是龐大的蛋白機器，而這些蛋白機器之間的相互結(jié)合則能夠起到互相穩(wěn)定的作用。復(fù)合物I在中段通過蛋白亞基NDUFA11與復(fù)合物III的蛋白亞基UQCRB和UQCRQ相互作用，在末段通過蛋白亞基ND5、NDUFB8與復(fù)合物IV的蛋白亞基COX7A、COX7C相互作用，形成結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、功能更加高效的超大蛋白質(zhì)機器。實驗證明，在復(fù)合物III或IV具有缺陷或者被去除的線粒體中，復(fù)合物I的穩(wěn)定性明顯降低。其次，有證據(jù)顯示，與單獨的呼吸復(fù)合物相比，形成呼吸體后，能夠減少氧化還原反應(yīng)位點的暴露，因此呼吸作用過程中產(chǎn)生的活性氧簇(ROS)的量也明顯減少，這對降低癌癥發(fā)生和延緩衰老都有非常重要的作用2。另外，與單獨的呼吸復(fù)合物相比，呼吸體通過在復(fù)合物I和復(fù)合物III之間形成一個封閉的輔助Q區(qū)間(Q pool)，在復(fù)合物III和IV之間形成細胞色素c的底物通道，對輔酶Q和細胞色素c的實現(xiàn)快速而高效的利用，使呼吸作用過程中的能量轉(zhuǎn)換效率大大提高。

　　化學(xué)燃料的燃燒通常是一個不可控的、劇烈的能量釋放過程，而作為生物體能量來源的有機物質(zhì)，本質(zhì)上也是化學(xué)燃料。顯而易見，生物體對有機物質(zhì)中能量的利用，絕不能以燃燒的方式進行，而需要以一個可控、溫和的方式，完成對能量的高效利用。在呼吸體中，CI-CIV作為功能相對獨立的單元，各自都受到嚴格的調(diào)控，只完成能量釋放的一部分過程。同時，由于呼吸體中能量轉(zhuǎn)換的方式并不是通過氧化還原反應(yīng)直接產(chǎn)生內(nèi)能，而是通過電子傳遞引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化來轉(zhuǎn)運質(zhì)子以產(chǎn)生電化學(xué)勢能，在呼吸作用能量轉(zhuǎn)換的過程中只有很少部分的能量逸散成了內(nèi)能，甚至這部分內(nèi)能也可以用于維持生物體的體溫。作為一個整體，呼吸體內(nèi)各個單元以特定的方式相互結(jié)合，相互穩(wěn)定，以保證底物的高效利用與流通。正是由于呼吸體這一復(fù)雜而精妙的結(jié)構(gòu)，才使得生物體對有機物中的能量進行溫和而高效地利用成為可能(圖2)。

　　圖2 呼吸體結(jié)構(gòu)模型

　　下面，我們以復(fù)合物I為例簡單介紹呼吸復(fù)合物是如何通過電子傳遞耦聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)運來實現(xiàn)能量的高效利用的。哺乳動物的復(fù)合物I是一個大型的蛋白質(zhì)機器，總共包含45個蛋白亞基，整體上呈L形，由跨膜臂和親水臂接合而成。復(fù)合物I的親水臂朝向線粒體基質(zhì)中，位于其頭部的FMN分子可以結(jié)合線粒體基質(zhì)中的NADH，并將NADH上的兩個電子通過固定在親水臂上的7個鐵硫中心逐個傳遞給結(jié)合在親水臂與跨膜臂交界處的輔酶Q上，使輔酶Q呈強電負性。復(fù)合物I的跨膜臂有4個由高度保守的跨膜螺旋包圍形成的質(zhì)子通道，每個質(zhì)子通道周圍都有兩個跨膜螺旋在線粒體內(nèi)膜的中部發(fā)生斷裂并由一小段可彎曲的肽段連接起來，這樣的結(jié)構(gòu)使得質(zhì)子通道的構(gòu)象具有高度的可變性。同時，在跨膜區(qū)中，眾多跨膜螺旋的中段含有高度保守的極性氨基酸(賴氨酸、精氨酸、谷氨酸)，它們與固定在膜中部的水分子一起形成了一條極性的導(dǎo)線，直接從跨膜區(qū)的遠端連接至親水臂和跨膜臂交界處的輔酶Q結(jié)合位點，橫跨整個跨膜區(qū)，將所有質(zhì)子通道中部的電性都與復(fù)合物I所結(jié)合的輔酶Q的帶電性結(jié)合起來。結(jié)合輔酶Q時，復(fù)合物I跨膜區(qū)質(zhì)子通道開口朝向線粒體基質(zhì)，在輔酶Q獲得電子帶電負性之后，跨膜區(qū)中部的極性導(dǎo)線整體呈電負性，從而吸引線粒體基質(zhì)中豐富的帶正電的質(zhì)子進入跨膜區(qū)中部。隨后，輔酶Q從中獲得兩個質(zhì)子并從復(fù)合物I上脫離出去。輔酶Q的脫離使得跨膜區(qū)的質(zhì)子通道發(fā)生構(gòu)象變化，原本朝向線粒體基質(zhì)的開口轉(zhuǎn)而朝向線粒體膜間隙，而此時由于輔酶Q的離去原本膜中間呈電負性的導(dǎo)線恢復(fù)電中性，失去對質(zhì)子的吸引能力。因而，從線粒體基質(zhì)中吸引進入膜中部的質(zhì)子被排出，進入線粒體膜間隙，復(fù)合物I也就此完成了一個傳遞電子并耦聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)運的循環(huán)(圖3)。

　　圖3 復(fù)合物I機理圖左圖為激發(fā)狀態(tài)，右圖為釋放狀態(tài)

　　由上所述，線粒體呼吸鏈復(fù)合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分巧妙，將電子傳遞釋放的能量通過蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化耦聯(lián)質(zhì)子轉(zhuǎn)運，最終轉(zhuǎn)換成了由質(zhì)子梯度所儲存的電化學(xué)勢能。同時，這一過程又受到了十分精細的多重調(diào)控，將線粒體呼吸鏈的活性水平與細胞內(nèi)的能量需求巧妙地聯(lián)系了起來。

文/楊茂君

本文來自《科學(xué)通報》

相關(guān)知識

呼吸的奧秘
手繪解剖：肺部的呼吸奧秘 ?
♀?瑜伽呼吸法：探索身心健康的奧秘
排毒養(yǎng)顏呼吸瑜伽要點：呼吸奧秘與基礎(chǔ)姿態(tài)講解
健康小助手：呼吸的韻律，瑜伽冥想的精妙奧秘
保持呼吸健康的秘密，老中醫(yī)透底解析
瑜伽呼吸 解讀瑜伽呼吸的秘訣
? 瑜伽呼吸秘籍
美麗秘訣深呼吸
跳繩的奧秘

網(wǎng)址: 呼吸的奧秘 http://www.u1s5d6.cn/newsview1236903.html