呼吸的奧秘

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圖1
線粒體脊剖面圖

與獨立發揮作用的呼吸鏈複合物(CI-CIV)相比，呼吸體在結構和功能上具有明顯的優勢。首先，每個單獨的呼吸複合物本身，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合則能夠起到互相穩定的作用。複合物I在中段通過蛋白亞基NDUFA11與複合物III的蛋白亞基UQCRB和UQCRQ相互作用，在末段通過蛋白亞基ND5、NDUFB8與複合物IV的蛋白亞基COX7A、COX7C相互作用，形成結構更加穩定、功能更加高效的超大蛋白質機器。實驗證明，在複合物III或IV具有缺陷或者被去除的線粒體中，複合物I的穩定性明顯降低。其次，有證據顯示，與單獨的呼吸複合物相比，形成呼吸體後，能夠減少氧化還原反應位點的暴露，因此呼吸作用過程中產生的活性氧簇(ROS)的量也明顯減少，這對降低癌症發生和延緩衰老都有非常重要的作用2。另外，與單獨的呼吸複合物相比，呼吸體通過在複合物I和複合物III之間形成一個封閉的輔助Q區間(Q pool)，在複合物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的實現快速而高效的利用，使呼吸作用過程中的能量轉換效率大大提高。

化學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，本質上也是化學燃料。顯而易見，生物體對有機物質中能量的利用，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控，只完成能量釋放的一部分過程。同時，由於呼吸體中能量轉換的方式並不是通過氧化還原反應直接產生內能，而是通過電子傳遞引起蛋白質的構象變化來轉運質子以產生電化學勢能，在呼吸作用能量轉換的過程中只有很少部分的能量逸散成了內能，甚至這部分內能也可以用於維持生物體的體溫。作為一個整體，呼吸體內各個單元以特定的方式相互結合，相互穩定，以保證底物的高效利用與流通。正是由於呼吸體這一複雜而精妙的結構，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
呼吸體結構模型

下面，我們以複合物I為例簡單介紹呼吸複合物是如何通過電子傳遞耦聯質子轉運來實現能量的高效利用的。哺乳動物的複合物I是一個大型的蛋白質機器，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。複合物I的親水臂朝向線粒體基質中，位於其頭部的FMN分子可以結合線粒體基質中的NADH，並將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。複合物I的跨膜臂有4個由高度保守的跨膜螺旋包圍形成的質子通道，每個質子通道周圍都有兩個跨膜螺旋在線粒體內膜的中部發生斷裂並由一小段可彎曲的肽段連接起來，這樣的結構使得質子通道的構象具有高度的可變性。同時，在跨膜區中，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線，直接從跨膜區的遠端連接至親水臂和跨膜臂交界處的輔酶Q結合位點，橫跨整個跨膜區，將所有質子通道中部的電性都與複合物I所結合的輔酶Q的帶電性結合起來。結合輔酶Q時，複合物I跨膜區質子通道開口朝向線粒體基質，在輔酶Q獲得電子帶電負性之後，跨膜區中部的極性導線整體呈電負性，從而吸引線粒體基質中豐富的帶正電的質子進入跨膜區中部。隨後，輔酶Q從中獲得兩個質子並從複合物I上脫離出去。輔酶Q的脫離使得跨膜區的質子通道發生構象變化，原本朝向線粒體基質的開口轉而朝向線粒體膜間隙，而此時由於輔酶Q的離去原本膜中間呈電負性的導線恢複電中性，失去對質子的吸引能力。因而，從線粒體基質中吸引進入膜中部的質子被排出，進入線粒體膜間隙，複合物I也就此完成了一個傳遞電子並耦聯質子轉運的循環(圖3)。

圖3
複合物I機理圖左圖為激發狀態，右圖為釋放狀態

由上所述，線粒體呼吸鏈複合物的結構設計十分巧妙，將電子傳遞釋放的能量通過蛋白質的構象變化耦聯質子轉運，最終轉換成了由質子梯度所儲存的電化學勢能。同時，這一過程又受到了十分精細的多重調控，將線粒體呼吸鏈的活性水平與細胞內的能量需求巧妙地聯系了起來。

文/楊茂君

本文來自《科學通報》