浅谈研究热点：线粒体呼吸链复合体I/II/III/IV/V

对线粒体呼吸链的研究一直都是国际生命科学领域的热点之一。彼得·米切尔（Peter D. Mitchell）曾于 1978 年因提出线粒体呼吸链的化学渗透假说而获得了诺贝尔化学奖；1997 年英国著名结构生物学家约翰·沃克（John E. Walker）因对线粒体复合物 V（ATP 合成酶）的结构生物学研究而获得诺贝尔化学奖。据统计，约有30-40%线粒体病是由于线粒体呼吸链酶复合体缺陷所致，通常采用线粒体基因组分析与线粒体呼吸链酶活性检测相结合的方式予以确诊。

线粒体呼吸链复合体I/II/III/IV/V的结构和功能已被广泛研究。目前临床上以营养支持对症治疗复合体缺陷或酶活性异常，从而改善患者症状及延缓病情发展，然而其确切的发病机制和特异性治疗方法仍亟待解决。

线粒体呼吸链复合体到底是什么物质，又有什么作用呢

呼吸链是由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。实际上呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能，呼吸链中的递氢体和递电子体就是能传递氢原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由H+和e组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。线粒体呼吸链上所有进行电子传递的辅基包括：NADH、FAD、FMN、铁硫中心、泛醌、铜中心以及细胞色素 α、α3、bH、bL、c、c1。相应的酶类和辅基并非单独发挥作用，而是相互结合在一起，形成功能相对独立的呼吸链蛋白复合物，即呼吸链复合物Ⅰ（NADH 脱氢酶），呼吸链复合物Ⅱ（琥珀酸脱氢酶），呼吸链复合物Ⅲ（细胞色素 c 还原酶）和呼吸链复合物Ⅳ（细胞色素 c 氧化酶），呼吸链复合物Ⅳ，呼吸链复合物V。

一、呼吸链复合体Ⅰ

线粒体中大多数的ATP都是复合体Ⅰ。呼吸链复合体Ⅰ是最复杂的复合物单体，由45个蛋白亚基、8个铁硫中心和1个 FMN 分子组成，并且可以结合 NADH、NADPH 和辅酶 Q。呼吸链复合体Ⅰ由跨膜臂和伸入线粒体基质的亲水臂两部分组成，亲水臂和跨膜臂连接呈 L 形。亲水臂完成 NADH 的氧化并将电子传递至两臂连接的区域；跨膜臂完成辅酶 Q 的还原和质子的转运。两臂之间功能的协调由一系列蛋白亚基的相互作用和构象变化来完成。

二、呼吸链复合体Ⅱ

复合体Ⅱ由琥珀酸脱氢酶和一种铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。细胞色素类都以血红素为辅基，红色或褐色。将电子从辅酶Q传递到氧。呼吸链复合体Ⅱ 从 FADH 中获得电子，并将电子传递给氧化态泛醌 Q 生成还原态泛醌 QH2，整个过程没有发生质子的跨膜转运。呼吸链复合体Ⅱ 的蛋白结构相对简单，由4个蛋白亚基组成。呼吸链复合体Ⅱ 与 呼吸链复合体Ⅰ、呼吸链复合体Ⅲ、呼吸链复合体Ⅳ 的功能也不同，并不转运质子，可视为电子传递链的一个旁路。目前已经发现许多与呼吸链复合体Ⅱ功能类似的蛋白复合物，比如黄素蛋白辅酶 Q 氧化还原酶、二氢乳清酸脱氢酶、胆碱脱氢酶等，它们接受来自不同电子供体的电子，最终将电子传递给辅酶 Q，但不介导质子的转运。这说明线粒体电子传递链是由呼吸链复合体Ⅰ、呼吸链复合体Ⅲ、呼吸链复合体Ⅳ构成的主链和许多支链组成的，以接受来自不同代谢通路的电子供体，最终还原氧气生成水。

三、呼吸链复合体Ⅲ

呼吸链复合体Ⅲ 自身发生聚合形成二聚体，而每一个单体中都包含11个蛋白亚基、1个铁硫中心以及多种细胞色素。呼吸链复合体Ⅲ 从还原态的泛醌 QH2 中得到电子，并将电子传递给细胞色素 c，同时利用释放的能量将质子泵入膜间隙。基于其结构信息，科学家提出了多种 呼吸链复合体Ⅲ 作用机理模型，目前影响最广的是 Q-Cycle 模型。

四、呼吸链复合体Ⅳ

呼吸链复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶复合体。将电子传递给氧。呼吸链复合体Ⅳ 含有14个蛋白亚基以及多种辅基，催化电子传递的最后一步。简单来说，CⅣ 中来自细胞色素 c 的电子通过 CuA 传递给细胞色素 α，继而传递至细胞色素 α3 和 CuB 组成的氧气反应中心，电子传递过程中释放的能量导致 CⅣ 蛋白构象发生变化，使线粒体基质中的一部分质子通过 K 通道和 D 通道传递至氧气反应中心还原氧气生成水，同时另一部分质子通过H通道直接被泵入线粒体膜间隙中。

五、呼吸链复合体V

呼吸链复合体V是与呼吸链四个复合酶复合物偶联完成的氧化磷酸化生成ATP，因此又常成为ATP合酶。呼吸链复合体V是一个可旋转的酶，其利用电子传递过程中在线粒体内膜两侧形成质子电化学势梯度来合成ATP。

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