呼吸链清华杨茂君Cell牛文，直击线粒体呼吸链的背后真相

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俗话说，生死在呼吸之间。那么细胞好不好就看线粒体了；线粒体工作与否取决于呼吸链。作为线粒体中的“肺”，呼吸链中的蛋白质复合物绝对至关重要。

其中，这四位肱骨部长(蛋白质复合体)可以说做出了很大的贡献。它们不断将NADH携带的高能电子给予O2，同时与线粒体质子泵合作，为复合物V(ATP合酶)合成ATP提供能量。

总之，细胞之所以能在生命的道路上保持一路奔跑，完全是靠线粒体，它日夜消耗体内储存的化学能，为细胞提供“能量货币”——ATP。

这就是为什么要展示呼吸过程的全貌，首先要分析膜蛋白复合体的结构。近年来，世界各地大量顶尖科学家为此而奋斗。其中，中国科学家在激烈的国际竞争中多次脱颖而出。

呼吸链认知史

显然，从1900年到1961年，各种氧化还原酶和电子转移的辅助基团相继涌现。随着结构生物学特别是X射线晶体学的发展，呼吸链化合物C ⅳ、Cⅲ、Cⅱ、Cⅴ和Cⅰ的晶体结构从1962年到2000年逐渐得到解析。

2005年，我国著名结构生物学家饶首次从猪心中获得哺乳动物线粒体复合体ⅱ的高分辨率三维晶体结构，证实该复合体是跨膜蛋白复合体，而不是外周膜蛋白，并验证了电子转运体的氧化还原电位受周围氨基酸环境的调节。这是线粒体呼吸链研究领域的标志性发现，填补了线粒体结构生物学和细胞生物学领域的一个空空白。

但呼吸链中的蛋白质复合体并不是完全独立存在的，而是可以以不同的方式相互结合，形成更高层次的组织形式——超复合体，其中呼吸活性完全的超复合体又称为呼吸体。这时，超级综合体的出现也标志着科学家对呼吸链研究的第三个阶段。

由于物种来源的不同，超级复数的构成形式也有很大的不同。例如，酵母中的主要形式是ⅲ 2 ⅳ 1，马铃薯微管组织中的主要形式是ⅰ 1 ⅲ 2，哺乳动物中最常见的呼吸形式是ⅰ 1 ⅲ 2 ⅳ 1。有时候，即使是同一物种，在正常的生理条件下，也有组成形式不同的超级复合体。

当时，虽然呼吸链中每个单个复合物的电子转移和运输质子的分子机制是已知的，但是复合物之间的电子转移并不清楚。直到近年来在冷冻电镜领域取得了革命性的突破，清华大学和杨茂君的研究团队抓住机遇，率先在线粒体呼吸链超级osites领域取得了一系列重要突破。

杨茂君:线粒体呼吸链研究的先驱

2012年，清华大学杨茂君课题组率先在《自然》杂志上分析了酵母来源的ⅱ型线粒体复合体1(Nd1)的高分辨率晶体结构以及Ndi和NADH、UQ和NADH-UQ底物复合体的晶体结构，并通过电子自旋共振(ESR)方法揭示了Nd1中两个泛醌(UQI，UQII)结合位点的存在。

时隔5年，杨教授的研究团队在、等杂志上报道了NDH2的详细电子传递机制，开发了一种新的针对疟原虫NDH2的抗疟疾药物前体分子，为开发治疗疟疾的新药奠定了良好的基础。

经过多年的努力，杨茂君的研究团队终于在2016年解决了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合体原子分辨结构的国际难题。

9月，杨茂君课题组在《自然》杂志上发表了题为《哺乳动物呼吸器官的结构》的研究论文，首次报道了线粒体呼吸链超级复合体(ⅰ1ⅲ2ⅳ1，由一个复合体ⅰ、两个复合体ⅲ和一个复合体ⅳ组成)的三维结构，原子分辨率(总体为5.4)，其中复合体ⅰ和复合体ⅲ的分辨率达到3.97。

前两篇《自然》杂志关于哺乳动物线粒体呼吸链复合体ⅰ(CI)结构的论文，分辨率分别为4.2和3.9，也证明了杨茂君教授研究小组对超复合体结构分析的正确性。

呼吸链的整体结构超级复杂ⅰ 1 ⅲ 2 ⅳ 1 (m，矩阵；IM，线粒体内膜；国际监测系统，薄膜间隙)

研究人员发现膜蛋白超复合体由81个蛋白亚基(70个不同的蛋白分子)组成，分子量高达1.7MDa，其中C ⅰ和C ⅲ之间有一个间隙，很可能是辅酶Q储存和流动的地方。

c ⅳ和c ⅰ之间不存在电子传递载体的直接交换，但c ⅳ和c ⅲ中细胞色素c的结合位点位于线粒体膜间隙，在同一平面上，两者之间的距离很近。这一结构特征将促进细胞色素c在c ⅲ和c ⅳ之间的交换。

同时，课题组还详细阐述了呼吸链复合体本身是如何维持其结构稳定性的。配合物中c ⅰ和c ⅲ之间有密切的相互作用。c ⅰ中的蛋白亚基NDUFA11在跨膜区可与c ⅲ中的蛋白亚基UQCRQ和uqccrb相互作用。同时，c ⅰ中的亚基NDUFB4和NDUFB9也与c ⅲ中的UQCRC1直接相互作用，进一步加强了c ⅰ与c ⅲ之间的联系。

而c ⅳ与c ⅰ和c ⅲ的相互作用相对较弱，c ⅳ中的蛋白亚基COX7C与c ⅰ中的ND5相互作用，而c ⅳ中的COX7A与c ⅲ中的uqcr1和UQCR11相互作用。

不同侧面呼吸体的结构模型和密度。b、化合物I的结构模型和密度(m，矩阵；IM，线粒体内膜；国际监测系统，薄膜间隙)

随后，杨茂君的研究团队通过不断创新蛋白质纯化技术和电子显微镜数据处理方法，成功地将呼吸结构的原子分辨率提高到3.3-3.9，并以迄今为止最高的分辨率解析出哺乳动物呼吸链最大、最复杂的复合体I (I 1 ⅲ 2 ⅳ 1)的精细结构(3.3-3.6)。同年12月，他们在《细胞》杂志上发表了研究结果。

3.6呼吸链复合体ⅰ整体密度图(m，矩阵；IM，线粒体内膜；国际监测系统，薄膜间隙)

考虑到配合物I、III、IV 空在呼吸体中的相对位置，教授提出了一个全新的电子转移模型，即辅酶Q从配合物I向配合物III的扩散过程不需要逆转，Q- cycle模型中的Qi位点是辅酶Q的真实结合位点，这个模型与1975年诺贝尔奖获得者Peter Mitchell提出的占主导地位的Q-Cycle理论完全不同。

根据呼吸体的原子分辨结构，该复合体的蛋白质亚基之间存在复杂而细致的相互作用，这也说明呼吸体是一个非常精密的分子机器，人们对这种精密机器的认识还处于起步阶段。

此外，杨教授还发现，包括心磷脂、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺在内的磷脂分子在呼吸蛋白亚基的相互作用中起着关键作用。

最近，杨教授最新的Cell论文在分析超超复合物(MCⅰ2ⅲ2ⅳ2，17.4)的高分辨率三维结构(近中心对称环结构)和超复合物(scⅰ1ⅲ2ⅳ1，3.9)的原子分辨率结构方面有了突破，这是人类呼吸链蛋白复合物的最高组织形式，从而首次直接证明呼吸链超超蛋白复合物高于呼吸体