郭潤(rùn)域，楊茂君

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心，清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心，蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

同呼吸共命運(yùn)：線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物

郭潤(rùn)域，楊茂君?

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心，清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心，蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

新陳代謝——物質(zhì)代謝和能量代謝——是生命最基本的特征之一。總體上，從能量流動(dòng)的方向來(lái)說(shuō)，能量代謝可以分為兩類：光合作用(儲(chǔ)存化學(xué)能)和呼吸作用(利用化學(xué)能)。一直以來(lái)，呼吸作用的媒介和機(jī)制問(wèn)題都是科學(xué)家關(guān)注的重要研究課題，人們對(duì)它們的認(rèn)知也在不斷更新和進(jìn)步。清華大學(xué)楊茂君教授研究組對(duì)呼吸作用的載體——呼吸體蛋白超級(jí)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，向我們展示了細(xì)胞內(nèi)這個(gè)復(fù)雜而又精妙的生物能量轉(zhuǎn)換器的全貌，不但讓我們更真切地領(lǐng)略到了大自然之鬼斧神工，也為治療多種與線粒體功能紊亂有關(guān)的疾病提供了藥物設(shè)計(jì)及篩選的生物學(xué)基礎(chǔ)。

能量代謝；呼吸體；線粒體疾病

1 生物的能量代謝

所有的生命活動(dòng)都離不開(kāi)能量的供應(yīng)與消耗——能量代謝，就像汽車需要燃油，家電需要電力，區(qū)別在于生命體內(nèi)的能量活動(dòng)一般都是在非常溫和的條件下發(fā)生的，能量的有效利用率也遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的人造機(jī)器。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的生物演化，生命體的能量代謝過(guò)程變得既復(fù)雜又精妙。從能量流動(dòng)的方向來(lái)說(shuō)，能量代謝可以分為兩類：光合作用將光能儲(chǔ)存到有機(jī)化合物中轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的化學(xué)能；呼吸作用將所儲(chǔ)存的化學(xué)能釋放出來(lái)，生成具有不穩(wěn)定化學(xué)能的ATP(三磷酸腺苷)分子，提供生命活動(dòng)所需的能量。

光合作用主要發(fā)生在低等的光合細(xì)菌、藻類和高等植物的葉綠體中，分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)部分。光反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的類囊體膜上。進(jìn)行光反應(yīng)的蛋白系統(tǒng)包括光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)，它們分別都有自己的天線蛋白復(fù)合物和核心蛋白。天線蛋白復(fù)合物捕獲光子，將能量傳遞至核心蛋白以產(chǎn)生高能電子。高能電子可以通過(guò)線性電子傳遞鏈(LEF)或環(huán)狀電子傳遞鏈(CEF)兩種途徑傳遞至最終電子受體，并在過(guò)程中產(chǎn)生ATP和NADPH。隨后，暗反應(yīng)消耗ATP和NADPH，固定CO2，形成碳水化合物，完成光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，供呼吸作用利用(圖1)[1]。

呼吸作用發(fā)生在幾乎所有的生命體中，并且越高等的生物其進(jìn)行呼吸作用的蛋白復(fù)合物越復(fù)雜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，呼吸作用就是消耗生物體內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能并最終重新生成高能分子ATP的過(guò)程(圖1)。在哺乳動(dòng)物中，線粒體是進(jìn)行呼吸作用的場(chǎng)所。首先，在線粒體基質(zhì)中，有機(jī)物質(zhì)通過(guò)一系列生化反應(yīng)生成NADH、FADH或其他形式的電子供體；隨后這些電子供體進(jìn)入氧化呼吸鏈進(jìn)行電子傳遞，同時(shí)在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子梯度——電化學(xué)勢(shì)能；最后，線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶(呼吸鏈復(fù)合物V，CV)利用所形成的電化學(xué)勢(shì)能合成高能分子ATP。

2 呼吸鏈的認(rèn)知?dú)v史

人們對(duì)形成質(zhì)子梯度的氧化呼吸鏈的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，大致可以分為三個(gè)重要的歷史階段(圖2)。

第一階段，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了多種氧化還原酶類和進(jìn)行電子傳遞的輔基。1900年，美國(guó)科學(xué)家Michaelis發(fā)現(xiàn)健那綠(Janus green)可以將線粒體染成藍(lán)綠色，而在細(xì)胞消耗氧氣之后線粒體所染的藍(lán)綠色逐漸消失。健那綠顏色的變化與染料的氧化還原狀態(tài)有關(guān)，這就說(shuō)明線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。1912年，Warburg從豚鼠肝細(xì)胞中提取出線粒體，并從中分離出一些與氧化還原反應(yīng)相關(guān)的酶，命名為呼吸酶。隨后人們逐漸認(rèn)識(shí)到，參與氧化反應(yīng)的并不是單一的酶類，而是由一系列功能相關(guān)的呼吸酶組成的氧化還原反應(yīng)鏈。到20世紀(jì)60年代，科學(xué)家基本鑒定出線粒體呼吸鏈上所有進(jìn)行電子傳遞的輔基，并且確定了這些輔基在呼吸鏈上的排列順序。它們包括NADH、FAD、FMN、Fe-S中心、泛醌、Cu中心以及細(xì)胞色素a、a3、bH、bL、c、c1。相應(yīng)的酶類和輔基并非單獨(dú)發(fā)揮作用，而是相互結(jié)合在一起，形成4種功能相對(duì)獨(dú)立的呼吸鏈蛋白復(fù)合物，即呼吸鏈復(fù)合物I(CI，NADH脫氫酶)、呼吸鏈復(fù)合物II(CII，琥珀酸脫氫酶)、呼吸鏈復(fù)合物III(CIII，細(xì)胞色素c還原酶)和呼吸鏈復(fù)合物IV(CIV，細(xì)胞色素c氧化酶)[2]。

圖1 生物圈內(nèi)的能量流動(dòng)

圖2 氧化呼吸鏈的認(rèn)識(shí)歷程

伴隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)尤其是X射線晶體學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家對(duì)呼吸鏈的研究進(jìn)入了第二階段，即解析呼吸鏈復(fù)合物I～I(xiàn)V的晶體結(jié)構(gòu)。1995—2003年，從原核生物到哺乳動(dòng)物CIV的完整結(jié)構(gòu)被逐步確定，CIV的功能機(jī)理也逐漸清晰。1997—2002年，單獨(dú)的CIII與結(jié)合了各類抑制劑的CIII的晶體結(jié)構(gòu)相繼被解析，多種關(guān)于CIII功能機(jī)理的模型也相繼出現(xiàn)。2003年，Yankovskaya等從大腸桿菌中獲得了原核生物CII的晶體結(jié)構(gòu)。2005年，我國(guó)著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家饒子和研究組從豬心中獲得了首個(gè)哺乳動(dòng)物線粒體中CII的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，闡明了CII中電子傳遞的通路。呼吸鏈復(fù)合物CI是線粒體呼吸鏈的起點(diǎn)，也是細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的蛋白復(fù)合物之一[3]。2006—2013年，Sazanov等逐步解析了原核生物中CI的完整晶體結(jié)構(gòu)，揭示了CI傳遞電子和轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的核心功能。但是，與功能相對(duì)簡(jiǎn)單、只有14個(gè)核心蛋白亞基的原核生物CI相比，哺乳動(dòng)物的CI含有45個(gè)亞基，其復(fù)雜程度使得傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)方法對(duì)解析其晶體結(jié)構(gòu)顯得無(wú)能為力。2014年，Hirst等通過(guò)冷凍電鏡的方法解析了哺乳動(dòng)物牛心中CI的中等分辨率結(jié)構(gòu)[4]。在我們研究組最近發(fā)表的工作中，以豬心為實(shí)驗(yàn)原材料，成功獲得了目前為止哺乳動(dòng)物CI分辨率最高的完整電鏡結(jié)構(gòu)[5]。

2000年呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著科學(xué)家對(duì)呼吸鏈的研究進(jìn)入了第三階段[6]。在正常生理?xiàng)l件下，線粒體呼吸鏈上各個(gè)蛋白復(fù)合物并不是獨(dú)立存在的，它們互相結(jié)合形成更高級(jí)的組織形式——超級(jí)復(fù)合物(respiratory supercomplex)。這種超級(jí)復(fù)合物中的復(fù)合物單體，可以通過(guò)不同的形式結(jié)合在一起，產(chǎn)生多種超級(jí)復(fù)合物的組合形式，而其中具有完整呼吸活性的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物又被稱為呼吸體(respirasome)。由于物種來(lái)源的不同，超級(jí)復(fù)合物的組成形式差異也很大。比如，酵母中最主要的形式為III2IV1，土豆微管組織中的主要形式為I1III2，牛心中主要是I1III2IV1，小鼠肝臟中則存在I1II1III2IV1[7]。甚至在同一個(gè)物種中，正常的生理?xiàng)l件下也同樣存在不同組成形式的超級(jí)復(fù)合物。

組成形式不同的超級(jí)復(fù)合物，其所適應(yīng)的代謝通路也不盡相同。根據(jù)最新的理論，不同組成形式的超級(jí)復(fù)合物在線粒體上的存在比例會(huì)隨著細(xì)胞狀態(tài)的變化而不斷調(diào)整，以滿足細(xì)胞不同生長(zhǎng)狀態(tài)下特定的能量需求[8]。哺乳動(dòng)物中，最為常見(jiàn)的呼吸體形式為I1III2IV1。不久前，我們研究組通過(guò)單顆粒冷凍電鏡的方法首次獲得了哺乳動(dòng)物中呼吸體I1III2IV1的高分辨率結(jié)構(gòu)，為呼吸體高效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換提供了有力的證據(jù)。

現(xiàn)在我們認(rèn)識(shí)到，進(jìn)行呼吸作用的載體呼吸體是一個(gè)龐大的分子機(jī)器，由數(shù)量驚人的蛋白亞基和各類輔基，以極其復(fù)雜而有序的方式層層組裝而成。每一個(gè)小的分子都是一個(gè)精巧的零件，在各自的位置上發(fā)揮自身獨(dú)特的功能。同時(shí)，這些零件又相互協(xié)調(diào)，形成更高級(jí)的結(jié)構(gòu)，以功能單元或更高級(jí)的復(fù)合物的形式有效地發(fā)揮作用?；瘜W(xué)燃料的燃燒通常是一個(gè)不可控的、劇烈的能量釋放過(guò)程，而作為生物體能量來(lái)源的有機(jī)物質(zhì)，本質(zhì)上也是化學(xué)燃料。顯而易見(jiàn)，生物體對(duì)有機(jī)物質(zhì)中能量的利用，絕不能以燃燒的方式進(jìn)行，而需要以一個(gè)可控的、溫和的方式，完成對(duì)能量的高效利用。在呼吸體中，CI～CIV作為功能相對(duì)獨(dú)立的單元，各自都受到嚴(yán)格的調(diào)控，只完成能量釋放的一部分過(guò)程。同時(shí)，由于呼吸體中能量轉(zhuǎn)換的方式并不是通過(guò)氧化還原反應(yīng)直接產(chǎn)生內(nèi)能，而是通過(guò)電子傳遞引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子以產(chǎn)生電化學(xué)勢(shì)能，在呼吸作用能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，只有很少部分的能量逸散成了內(nèi)能。作為一個(gè)整體，呼吸體內(nèi)各個(gè)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(duì)有機(jī)物中的能量進(jìn)行溫和而高效地利用成為可能。

3 呼吸鏈的組織形式

在對(duì)單獨(dú)的呼吸鏈復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能有了一定的了解之后，科學(xué)家對(duì)這些復(fù)合物之間的組織形式也逐步有了全新的認(rèn)識(shí)。最初被科學(xué)家所廣泛接受的是流動(dòng)態(tài)模型。這個(gè)模型認(rèn)為，所有的呼吸鏈復(fù)合物在結(jié)構(gòu)和功能上都是獨(dú)立的，沒(méi)有相互作用。然而，這種各個(gè)復(fù)合物之間缺乏協(xié)同作用的組織形式是非常低效的，并且與許多新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不相符。在發(fā)現(xiàn)復(fù)合物單體相互結(jié)合形成功能更加高效的超級(jí)復(fù)合物之后，人們?cè)僖淮握鄯诖笞匀磺擅畹陌才拧?/p>

在正常的生理?xiàng)l件下，哺乳動(dòng)物呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的組成形式是多樣的，并且不同的組成形式在代謝中發(fā)揮的作用也不盡相同。比如：最主要的呼吸體形式I1III2IV1只能完成NADH的氧化，而NADH主要是葡萄糖代謝的產(chǎn)物；超級(jí)復(fù)合物III2IV1則不同，它可以接受來(lái)自CII的輔酶Q，進(jìn)而完成FADH的氧化，而FADH是琥珀酸鹽以及3-磷酸甘油的代謝產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)證明，在正常的生理?xiàng)l件下，多種超級(jí)復(fù)合物，甚至是單獨(dú)的復(fù)合物I～I(xiàn)V都是有生理活性的。也就是說(shuō)，雖然形成超級(jí)復(fù)合物可以有效地提高能量代謝效率，但并不是所有單獨(dú)的復(fù)合物都會(huì)相互結(jié)合形成超級(jí)復(fù)合物[9]。

2008年，科學(xué)家提出了呼吸鏈組織形式的動(dòng)態(tài)模型(圖3)[7]。在這一模型中，單獨(dú)的呼吸復(fù)合物與各類超級(jí)復(fù)合物之間處于動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)中，以適應(yīng)不同生理狀態(tài)下細(xì)胞能量代謝的特定需求。雖然已有一些實(shí)驗(yàn)顯示，線粒體內(nèi)膜膜電位的變化、膜脂成分的變化以及呼吸復(fù)合物中一些氨基酸位點(diǎn)的磷酸化修飾會(huì)影響這一動(dòng)態(tài)平衡，但是其中所涉及的具體調(diào)節(jié)機(jī)制和信號(hào)通路還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有搞清楚。

圖3 呼吸鏈組織形式的動(dòng)態(tài)模型[7]

4 呼吸作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

進(jìn)行呼吸作用的呼吸鏈由4個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的蛋白復(fù)合物組成，即復(fù)合物CI～CIV(圖4)。CI是最復(fù)雜的復(fù)合物單體，由45個(gè)蛋白亞基、8個(gè)鐵硫中心和1個(gè)FMN分子組成，并且可以結(jié)合NADH、NADPH和輔酶Q。CI由跨膜臂和伸入線粒體基質(zhì)的親水臂兩部分組成，親水臂和跨膜臂連接呈L形。親水臂完成NADH的氧化并將電子傳遞至兩臂連接的區(qū)域；跨膜臂完成輔酶Q的還原和質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)。兩臂之間功能的協(xié)調(diào)由一系列蛋白亞基的相互作用和構(gòu)象變化來(lái)完成[4]。

復(fù)合物CII從FADH中獲得電子，并將電子傳遞給氧化態(tài)泛醌Q生成還原態(tài)泛醌QH2，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。CII的蛋白結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，由4個(gè)蛋白亞基組成。CII與CI、CIII、CIV的功能也不同，并不轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子，可視為電子傳遞鏈的一個(gè)旁路。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多與CII功能類似的蛋白復(fù)合物，比如黃素蛋白輔酶Q氧化還原酶、二氫乳清酸脫氫酶、膽堿脫氫酶等，它們接受來(lái)自不同電子供體的電子，最終將電子傳遞給輔酶Q，但不介導(dǎo)質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)。這說(shuō)明線粒體電子傳遞鏈?zhǔn)怯蒀I、CIII、CIV構(gòu)成的主鏈和許多支鏈組成的，以接受來(lái)自不同代謝通路的電子供體，最終還原氧氣生成水[10]。

圖4 蛋白復(fù)合物CI-CIV的結(jié)構(gòu)與功能

CIII自身發(fā)生聚合形成二聚體，而每一個(gè)單體中都包含11個(gè)蛋白亞基、1個(gè)鐵硫中心以及多種細(xì)胞色素。CIII從還原態(tài)的泛醌QH2中得到電子，并將電子傳遞給細(xì)胞色素c，同時(shí)利用釋放的能量將質(zhì)子泵入膜間隙?；谄浣Y(jié)構(gòu)信息，科學(xué)家提出了多種CIII作用機(jī)理的模型，目前影響最廣的是Q-Cycle模型，但最近一些研究結(jié)論對(duì)這一模型提出了質(zhì)疑[4]。

CIV含有14個(gè)蛋白亞基以及多種輔基，催化電子傳遞的最后一步。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CIV中來(lái)自細(xì)胞色素c的電子通過(guò)CuA傳遞給細(xì)胞色素a，繼而傳遞至細(xì)胞色素a3和CuB組成的氧氣反應(yīng)中心，電子傳遞過(guò)程中釋放的能量導(dǎo)致CIV蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，使線粒體基質(zhì)中的一部分質(zhì)子通過(guò)K通道和D通道傳遞至氧氣反應(yīng)中心還原氧氣生成水，同時(shí)另一部分質(zhì)子通過(guò)H通道直接被泵入線粒體膜間隙中[4]。

上述的四種呼吸復(fù)合物中，CII代表了呼吸鏈的旁路，而其他三種復(fù)合物則可以組合成更高級(jí)的結(jié)構(gòu)——呼吸體，能夠更加高效地完成能量轉(zhuǎn)換。I1III2IV1是最主要的呼吸體形式(圖5)。

CI是呼吸體中最大的單體，親水臂和跨膜臂連接呈L形。與CI單獨(dú)存在時(shí)其跨膜臂呈一條直線不同，在呼吸體中CI的跨膜臂在膜平面內(nèi)略微彎曲呈弧形，其親水臂也更加靠近中部。CIII以二聚體的形式在呼吸體中存在，結(jié)合在CI跨膜臂的凹面，CIII二聚體中的一個(gè)單體面向CI，另一個(gè)單體朝向呼吸體外。這一結(jié)構(gòu)上的差異暗示兩個(gè)單體在功能上可能是有區(qū)別的。CIV結(jié)合在CI跨膜臂的遠(yuǎn)端，也就是說(shuō)，CI的跨膜臂一端連接親水臂，另一端與CIV結(jié)合。由于CI跨膜臂呈弧形，CIV與CIII的位置非常接近，使它們的協(xié)同作用成為可能。CI、CIII和CIV的跨膜區(qū)位于同一個(gè)平面，相互靠近構(gòu)成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)。

圖5 最主要的呼吸體I1III2IV1的結(jié)構(gòu)

CI與CIII之間的相互作用非常緊密。在跨膜區(qū)內(nèi)，CI中的蛋白亞基NDUFA11可以與CIII中的蛋白亞基UQCRB和UQCRQ發(fā)生相互作用。另外，CI中的NDUFB4和NDUFB9還與CIII中的UQCRC1直接相互作用，進(jìn)一步加強(qiáng)CI與CIII之間的聯(lián)系。在CI與CIII的跨膜區(qū)有一個(gè)縫隙，我們認(rèn)為會(huì)被線粒體內(nèi)膜中的脂質(zhì)填充，同時(shí)，這也是輔酶Q儲(chǔ)存和流動(dòng)的場(chǎng)所。輔酶Q被限制在這一區(qū)域會(huì)極大地提高CI與CIII之間電子傳遞的效率。

CIV與CI和CIII之間的相互作用則相對(duì)較弱。CIV中的蛋白亞基COX7C與CI中的ND5相互作用，而CIV中的COX7A與CIII中的UQCRC1和UQCR11有相互作用。CIV與CI之間沒(méi)有直接的底物交流，而CIV和CIII中結(jié)合細(xì)胞色素c的位點(diǎn)都位于線粒體膜間隙且在同一平面上距離大約是10 nm。這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很有可能會(huì)促進(jìn)CIII與CIV之間細(xì)胞色素c的交流[1]。

我們應(yīng)該感嘆呼吸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之精妙！與獨(dú)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(shì)。首先，每個(gè)單獨(dú)的呼吸復(fù)合物本身就是龐大的蛋白機(jī)器，尤其是CI，而這些蛋白機(jī)器之間的相互結(jié)合則能夠起到互相穩(wěn)定的作用，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)和功能都更加穩(wěn)定和高效的能量轉(zhuǎn)換器。其次，有證據(jù)顯示，與單獨(dú)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(diǎn)的暴露，因此呼吸作用過(guò)程中產(chǎn)生的有害分子活性氧簇(reactive oxygen species)的量也明顯減少，這對(duì)降低癌癥發(fā)生和延緩衰老都有非常重要的作用。最后，如同上文所述，與單獨(dú)的呼吸復(fù)合物相比，呼吸體中對(duì)輔酶Q和細(xì)胞色素c的利用率都有很大的提高，使呼吸作用過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換更加高效[10]。

5 呼吸鏈功能異常與疾病

呼吸體的功能異常會(huì)直接或間接地引起多種嚴(yán)重的生理缺陷，而要想攻克這些醫(yī)學(xué)難題，闡明呼吸體的結(jié)構(gòu)信息和功能機(jī)理至關(guān)重要。由于組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在CI～CIV四個(gè)復(fù)合物中，復(fù)合物CI的致病突變位點(diǎn)最多也最復(fù)雜，迄今為止已發(fā)現(xiàn)CI的100多個(gè)突變位點(diǎn)與疾病相關(guān)。非胰島素依賴性糖尿病、MELAS綜合征、Leigh氏腦病(亞急性壞死性腦病)以及多種癌癥的發(fā)生都與CI中的突變有關(guān)[11]。在所有線粒體呼吸鏈復(fù)合物蛋白中，CIII相對(duì)來(lái)說(shuō)是最少發(fā)生功能缺陷的蛋白復(fù)合物，但仍然會(huì)發(fā)生一些嚴(yán)重的病變。其重要亞基細(xì)胞色素b(cytochrome b)的基因突變會(huì)導(dǎo)致Leber遺傳性視神經(jīng)病變，而B(niǎo)CS1L亞基中的突變則可能導(dǎo)致肝臟及腎臟的功能異常[12]。CIV中許多氨基酸位點(diǎn)的改變會(huì)導(dǎo)致其功能缺陷，這可能是Leigh氏腦病的重要誘因之一。在CIV的組裝過(guò)程中需要許多組裝因子的幫助，這些組裝因子基因的突變也可能會(huì)導(dǎo)致CIV功能缺陷[13]。呼吸體中在各個(gè)復(fù)合物單體之間發(fā)揮連接作用的蛋白亞基也非常重要，比如CI中的NDUFB9和NDUFA11以及CIV中的COX7A，這些蛋白亞基的病變會(huì)直接阻礙呼吸體的形成，引起線粒體的功能缺陷甚至導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。另外，超級(jí)復(fù)合物模型還可以解釋許多病理學(xué)問(wèn)題，包括阿茲海默綜合征、帕金森綜合征和多樣性硬化等等[1]。

6 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于能量代謝的科學(xué)研究是生物學(xué)領(lǐng)域有趣且意義重大的課題。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的努力，人類對(duì)線粒體呼吸鏈的研究已經(jīng)取得了可喜的成就?？茖W(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“亞基—呼吸復(fù)合物—超級(jí)復(fù)合物”這一復(fù)雜而有序的呼吸鏈組織形式，對(duì)呼吸體中電子傳遞和能量轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制有了較為深入的了解，但是，仍有許多科學(xué)難題等待我們?nèi)ヒ灰唤鉀Q。比如，我們雖然知道超級(jí)復(fù)合物的組合形式會(huì)隨著細(xì)胞狀態(tài)的改變而改變，但是我們并不清楚調(diào)節(jié)呼吸體各組分之間結(jié)合與分離的信號(hào)通路是什么，我們甚至不能確定這樣的改變對(duì)適應(yīng)不同的細(xì)胞狀態(tài)究竟有怎樣具體的生物學(xué)意義。此外，有科學(xué)家提出，呼吸體仍非線粒體呼吸鏈最高級(jí)的組織形式，不同的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物之間也可以發(fā)生相互作用而進(jìn)一步形成巨型復(fù)合物(megacomplex)或者呼吸串(respiratory string)。最后，要想發(fā)揮理想的醫(yī)學(xué)價(jià)值，僅僅得到哺乳動(dòng)物的呼吸體結(jié)構(gòu)還是不夠的，我們還需要得到人源呼吸體的結(jié)構(gòu)。上述這些問(wèn)題，還需要科學(xué)家更加深入地研究和探索。我們相信，在不久的將來(lái)，科學(xué)家將會(huì)為我們描繪一個(gè)更加宏偉、精密的生命體能量代謝工廠。

(2016年10月8日收稿)

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(編輯：段艷芳)

Structure, function and organization of mitochondrial respiratory chain

GUO Runyu, YANG Maojun
Ministry of Education Key Laboratory of Protein Science, Tsinghua-Peking Joint Center for Life Sciences, Beijing Advanced Innovation Center for Structural Biology, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Metabolism, including substance metabolism and energy metabolism, is one of the basic features of all living creatures. The mechanism and executor of energy metabolism were the tempting high spots of biochemical and structural researches, which have been gratifyingly accumulating through a long span of history. From identifying the respiratory chain elements to recognize the respirasome, which is believed to be the executor of cell respiration, scientists have gradually unveiled the secrets of energy metabolism. Most recently, Professor Yang from Tsinghua University has solved the 5.4 ? resolution structure of respirasome from porcine heart, assigning fi rstly the accurate position of most amino acid residues, presenting the detailed interaction within this huge molecular machine and providing important structural information for drug design and screening. In this review, the detoured history of respirasome recognition is introduced, and the amazing structure of respirasome is then described.

energy metabolism, respirasome, mitochondrial disease

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.002

?通信作者，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，研究方向：圍繞與傳染病、癌癥等人類重大疾病發(fā)生息息相關(guān)的可溶性蛋白及膜蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能研究，以及針對(duì)這些蛋白質(zhì)的高分辨晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的小分子化合物篩選及設(shè)計(jì)。E-mail: maojunyang@tsinghua.edu.cn