你的心頭也有星辰大海 清華教授給你講講線粒體 領略呼吸的奧秘

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導讀

生命在於運動。宇宙星辰周轉不息，同樣，細胞內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，甚至於每一個蛋白質分子發生構象變化都是在運動，運動是生命乃至宇宙的基本規律。

出品 | 新浪科技《科學大家》

撰文 | 楊茂君 清華大學生科院教授

一花一世界，一樹一菩提

慧者觀之，每一個生命，甚至每一個小小的細胞中，都包含著一個無窮無盡的宇宙。莊子《齊物論》中論述道，「天下莫大於秋毫之末，而泰山為小；莫壽於殤子，而彭祖為夭」。意思是說，世間最大的事物莫過於秋天鳥獸的毛尖發尖，因為這些毛髮可以無窮盡地不斷細分，而泰山其實很小，因為登上山頂你便可以一攬全貌；沒有什麼人比夭折的孩子更長壽，因為對孩子來說他已經歷了一個輪迴，而八百八十歲的彭祖卻是短命的，因為再長的歲月也抵不過天地無情運轉。亞原子世界的精度和深遠宇宙的廣度通過量子力學的理論融會貫通，莊子的思想竟與現代科學暗自相合，不得不令人嘖嘖稱奇。每當我們仰望星空，憧憬著遠處的星辰大海，你是否知道，你的心頭也有一片星辰大海呢？（圖一）

探索廣袤宇宙的星辰大海和研究精巧的細胞內原子運行規律是人類擴展認知的兩個基本方向。人們一方面用空間天文衛星來觀測大尺度時空維度中的奇觀，另一方面也運用冷凍電子顯微鏡來探索細胞內部微觀世界各式各樣複雜而又精巧的結構。隨著人們的認識不斷深入，細胞內部豐富的物質結構和有序的協調機制令人嘆為觀止。

據估計，一個普通的動物細胞內，各類蛋白質分子機器的總數超過十的十二到十三次方數量級，其它各類功能性的小分子更是不計其數。這些大大小小的生物分子或穿梭於各種功能迥異的細胞器之間，或錨定於某一特定的膜結構浮游其上，如果你化身為一個原子置於其間，一定會慨嘆這壯闊的奇景翰如星海。儘管物質結構紛繁複雜，細胞內所有的生命活動都受到精細的調控，從物質代謝到能量供應，再到細胞分裂、分化、自噬等整體水平上的行為，無不井井有條，其中的奧妙令人神往。

細胞的發動機：呼吸

生命在於運動。宇宙星辰周轉不息，同樣，細胞內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，甚至於每一個蛋白質分子發生構象變化都是在運動，運動是生命乃至宇宙的基本規律。運動必須有能量供應，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，看似平常，一呼一吸之間實則另有乾坤。

圖一 大小之辯（國畫作者：董書林）

作為個體水平上的呼吸運動指的是人通過口鼻吸入空氣進入肺部，空氣中的氧氣在肺泡中透過毛細血管進入血液與血紅蛋白結合併被運送到身體消耗氧氣的部位，另外血液中的二氧化碳在肺泡中透過毛細血管進入肺葉中的空氣，並隨著呼氣排出體外。

在細胞水平上，呼吸作用（cellular respiration）則有另外一番完全不同的含義。細胞呼吸發生在線粒體中。攝入人體的營養物質經過分解代謝產生大量的高能化學分子，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膜上的線粒體呼吸鏈傳遞給分子態氧生成水，同時溫和地釋放能量產生質子梯度電化學勢能，之後，ATP合成酶利用質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複雜的生化反應，並且受到嚴格的調控以滿足不同狀態下細胞的能量需求。接下來，讓我們窺探微觀世界中的小宇宙。

線粒體是什麼

我們的故事從線粒體開始講起。線粒體（mitochondria）是細胞內由雙層膜包被的大型細胞器，是細胞內的能量工廠，呼吸作用發生的主要場所，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，包括糖類和脂質的代謝、細胞凋亡（apoptosis）、衰老（senility）以及鈣離子穩態（calcium homeostasis）的調節等等。

線粒體外膜組成成分類似於細胞膜，且通透性較高，結構簡單。線粒體內膜組成成分則較為複雜，含有豐富的蛋白質和心磷脂（cardiolipin）以及較少的膽固醇（cholesterol），且結構複雜。線粒體內膜可以向內摺疊形成嵴（cristae），而這些嵴上分布著大量進行細胞呼吸的蛋白質複合物。

低等動物和植物的線粒體中，嵴呈管狀（tubular cristae），而在高等動物線粒體中嵴則多呈片狀（lamellar cristae）。嵴的存在極大地擴展了線粒體內膜的表面積，增加了呼吸作用進行的空間。線粒體擁有自身的環狀DNA分子，可以編碼部分進行呼吸作用所必須的蛋白質，且其內蛋白質的合成受到細胞核的調控，是半自主性的細胞器。不同細胞中線粒體的數量差異很大，一般來說取決於細胞內能量代謝的水平，細胞代謝活動越旺盛則線粒體的數量越多。（圖二）

線粒體的結構

線粒體之所以叫線粒體，是因為它以「線」和「粒」兩種狀態存在，彼此之間依據細胞狀態的不同不斷轉換，處於動態平衡之中。在細胞分裂（mitosis）或者出現自噬（autophage）的狀態下，線粒體多分裂呈粒狀，其內膜上嵴的結構被破壞呈洋蔥狀，氧化磷酸化停止而進行有氧糖酵解（aerobic glycolysis），能量轉化效率明顯降低；而在細胞處於正常或飢餓狀態下時，線粒體多融合呈線狀，內膜嵴的結構發達，能量代謝形式主要為氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），可以進行高效率的能量轉化。

線粒體的融合和分解各由一系列通過水解GTP產生機械力的動力蛋白分子（dynein-like GTPase）介導，並且受到細胞內某一信號通路精細的調控。簡而言之，不同的線粒體形態對應著細胞不同的能量需求和不同的呼吸形式，是細胞調節呼吸作用的第一層機制。

處於融合狀態的線粒體含有豐富的內膜嵴的結構，可以進行高效的氧化磷酸化。磷酸化（phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用，包括底物水平磷酸化和氧化磷酸化兩種形式。

在糖酵解的過程中，一些高能分子在分解時會釋放出高能磷酸根直接將ADP合成ATP，這被稱為底物水平磷酸化。如1，3-二磷酸甘油酸降解為3-磷酸甘油酸時將一個磷酸根轉移到ADP分子上。相對的，氧化磷酸化則指的是分解代謝產生的高能小分子將電子通過線粒體氧化呼吸鏈一步一步傳遞給氧氣的過程中逐步釋放能量，產生質子梯度，之後ATP合成酶（ATP synthase）利用質子梯度合成ATP分子，將電化學勢能轉化為ATP中活躍的化學能的過程。生物體內95%的ATP來自氧化磷酸化。

進行氧化磷酸化的酶，呼吸鏈大分子蛋白質複合物都位於線粒體內膜上。最新的冷凍電鏡斷層成像技術顯示，進行電子傳遞的呼吸鏈大分子蛋白複合物主要位於內膜嵴結構中較為平緩的區域，而利用質子梯度合成ATP的ATP合成酶則主要位於嵴結構中摺疊彎曲的部位，內膜嵴與外膜相臨的一端則被一系列蛋白質複合物扎捆鎖定。這樣的分布有利於質子梯度的產生、維持和利用，可以有效地提高能量轉換效率。

參與呼吸作用的蛋白質複合物

從上世紀中葉開始，進行呼吸作用的大分子蛋白質複合物相繼被分離和鑒定出來，至今科學家們都在研究這些大分蛋白機器的功能機理。這些蛋白質機器包括複合物I（NADH脫氧酶，NADH dehydrogenase），複合物II（琥珀酸脫氧酶，succinate dehydrogenase），複合物III（細胞色素c還原酶，cytochrome c reductase），複合物IV（細胞色素c氧化酶，cytochrome c oxidase），以及複合物V（ATP合成酶，ATP synthase）。

其中，複合物IV以二聚體的形式存在於線粒體嵴上，並且常常沿著嵴的摺疊處呈條帶狀排列，而複合物I到IV的組合形式則較為複雜。

起初，人們認為複合物I到IV在線粒體嵴上是相互獨立存在的，每一個單獨的複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膜上遊離的輔酶Q和細胞色素c來完成。現在看來這樣的電子傳遞方式和蛋白質組合形式是低效的。

本世紀初，科學家們檢測到了複合物I到IV更高級的組合形式，超級複合物（supercomplex）。在超級複合物中，複合物單體的數量可以發生變化，以形成不同組合形式的超級複合物，而其中具有完整呼吸活性的超級複合物又被稱為呼吸體（respirasome）。

由於物種來源的不同，超級複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，土豆微管組織中的存在有I1III2，牛心中主要是I1III2IV1，而小鼠肝臟中則存在I1II1III2IV1。甚至在同一個物種中，正常的生理條件下也同樣存在不同組成形式的超級複合物。高等哺乳動物中，最為常見的呼吸體形式為I1III2IV1和I2III2IV2。

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和人類中呼吸體I1III2IV1的高分辨結構及呼吸鏈超超級複合物I2III2IV2的結構，檢測到複合物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質子轉運的分子機理，為呼吸體高效地進行能量轉換提供了有力的證據，相關論文連續發表在國際頂級學術期刊《自然》雜誌（Nature）和《細胞》雜誌（Cell）上2-4。（圖二）

組合形式不同的超級複合物，其所適應的代謝通路也不盡相同。比如，最主要的呼吸體形式I1III2IV1隻能完成NADH的氧化，而NADH主要是葡萄糖代謝的產物；超級複合物III2IV1則不同，它可以接受來自CII的輔酶Q，進而完成FADH的氧化，而FADH則是琥珀酸鹽以及3-磷酸甘油的代謝產物。不同組成形式的超級複合物在線粒體上的存在比例會隨著細胞狀態的變化而不斷調整，以滿足細胞不同生長狀態下特定的能量需求。

現在的理論認為，在正常的生理條件下，多種超級複合物，甚至是單獨的複合物I-IV都是有生理活性的。也就是說，雖然形成超級複合物可以有效地提高能量代謝效率，但並不是所有單獨的複合物都會相互結合形成超級複合物，而是單獨的呼吸複合物與各類超級複合物之間處於動態平衡當中，以適應不同生理狀態下細胞能量代謝的特定需求。這一描述線粒體內膜上呼吸鏈蛋白質複合物組織形式的模型被稱為動態模型（plasticity model）。

據觀測，在哺乳動物線粒體中，複合物I總量的80%以上固定在超級複合物中，複合物III總量的60%左右組裝進入不同形式的超級複合物，而大部分的複合物IV（大於80%）和複合物II（幾乎全部）則處於遊離狀態。隨著細胞狀態的不同，這些比例也會發生相應的變化。目前已有一些實驗顯示，線粒體內膜膜電位的變化、膜脂成分的變化以及呼吸複合物中一些氨基酸位點的磷酸化修飾會影響單獨呼吸複合物與超級複合物之間的動態平衡，但是其中所涉及的具體調節機制和信號通路還遠遠沒有搞清楚5。

圖二 線粒體嵴剖面圖

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有害分子活性氧簇（ROS，reactive oxygen species）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。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（substrate channel），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。

現在我們認識到，進行呼吸作用的載體呼吸體是一個龐大的分子機器，由數量驚人的蛋白亞基和各類輔基，以極其複雜而有序的方式層層組裝而成。複合物I、II、III、IV分別由45、4、11、14個蛋白亞基組成，而且其中包含有大量的細胞色素分子，鐵硫中心、銅中心等金屬原子簇，NADPH、各類脂質等功能分子，其結構十分複雜。每一個小的分子都是一個精巧的零件，在各自的位置上發揮自身獨特的功能。同時，這些零件又相互協調，形成更高級的結構，以功能單元或更高級的複合物的形式有效地發揮作用。

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。

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。（圖三）

圖三 呼吸體結構模型

如何高效地利用能量

下面，我們以複合物I為例來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（Membrane arm）和親水臂（Matrix arm）接合而成，其中跨膜臂總共含有78個跨膜螺旋（transmembrane helices）。

除蛋白質外，在此大分子機器中，還包含11個功能性磷脂分子、8個鐵硫中心、1個配位結合的鋅原子，1個FMN輔基和1個NADPH輔基，它們各自發揮著獨特的功能。在哺乳動物複合物I的45個蛋白亞基中，有14個是由線粒體內的基因組編碼的高度保守的蛋白亞基，與細菌複合物I中的14個蛋白亞基有非常高的同源性。這14個蛋白亞基是複合物I發揮電子傳遞和質子轉運功能的核心亞基，其中7個蛋白亞基位於跨膜臂內，7個蛋白亞基位於親水臂內。

複合物I另外的31個蛋白亞基則被稱為附屬亞基，它們起到穩定複合物I蛋白結構，與其它複合物相互作用以聚合形成超級複合物，幫助複合物I組裝，接受細胞內的信號調節等功能。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（loop）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（flexibility）。

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從環境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。（圖四）

圖四 複合物I機理圖 左圖為激髮狀態，右圖為釋放狀態

固定於複合物I跨膜區中的11個磷脂分子，有些結合在質子通道的周圍，有些結合在與其它複合物相互作用的附屬蛋白亞基周圍。我們認為這些磷脂分子一方面可以增強質子通道構象的可變性，起著潤滑劑的作用，另一方面又可以使整個複合物I的結構更加穩定，起著粘連劑的作用。除了8個鐵硫中心外，在親水臂蛋白亞基NDUFS6中還含有一個配位結合的鋅原子，臨近鐵硫中心N6a和N5。

當複合物I的親水臂處於異常的氧化還原狀態時，經過N6A和N5的電子可能不繼續傳遞給輔酶Q而是傳遞給配位的鋅原子並隨之解離釋放入線粒體基質中，從而實現對呼吸鏈電子傳遞的調控。此外，親水臂蛋白亞基NDUFA9中還含有一個NADPH輔基，臨近複合物I電子傳遞鏈末端的鐵硫中心N2。NADPH的結合與脫離可能會導致複合物I親水臂的構象變化，而NADPH的水平又與線粒體內的氧化還原狀態有關，因而這細胞狀態對複合物I活性的又一層調控機制。

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繫了起來。更為神奇的是，通過調節呼吸鏈超級複合物解離成單獨複合物與單獨複合物聚合成超級複合物之間的動態平衡，細胞可以在更大的尺度上調節線粒體能量代謝的效率以適應不同狀態下細胞的能量需求。

對線粒體呼吸作用的研究不僅具有重要的科學意義，而且有助於攻克多種嚴重的綜合性疾病。線粒體功能缺陷會導致細胞功能出現嚴重異常，進而引發眾多目前非常棘手的病症，比如阿茲海默綜合症（老年痴呆症）、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）以及多種癌症的發生等。通過我們解析的呼吸體的近原子解析度蛋白質結構，我們確定了數百種致病性氨基酸突變在呼吸體中的精確位置，可以清楚地分析這些突變的致病機理，進而有機會找到有效的治療手段。

另一方面，除了應用於醫療行業，對呼吸體的研究還可以應用於能源領域。目前的技術條件對能量的利用效率還處於較低的水平。比如，燃煤發電的效率約為10%，內燃機能量利用效率只有30%左右，柴油機也不過35%，太陽能電池的能量轉化效率也僅僅達到20%以下，蓄電池將化學能轉換為電能的效率理論上最高也只能達到50%，實際上往往只有20%左右。

然而，細胞通過呼吸作用利用化學能的效率卻非常高。1摩爾的葡萄糖經過充分燃燒可以釋放2870kJ的能量，而通過有氧呼吸則可以產生約38摩爾的ATP，這些ATP經過水解可以釋放出約1178kJ的能量，也就是說有氧呼吸的能量利用效率可以達到41%，這使得研製運用呼吸作用原理提供能量生物電池具有極高的價值。實際上，我們不需要通過呼吸作用產生ATP，只需要產生質子梯度就可以了，這樣可以進一步提高能量利用效率。

此外，線粒體內質子流動過程還可以產生生物體維持體溫的熱量，目前科學研究還不能把這一部分能量量化，但是我們可以預計生物體線粒體內的能量轉化效率是遠遠高於目前我們所製造的所有機器的，根據能量守恆原理，生物體利用能量的效率非常有可能是100%全部利用。

圖五 陰陽是人類認識事物的基本法則

古人賢達的陰陽理論則是自然界的客觀規律，是萬物運動變化的本源，是人類認識事物的基本法則。同樣，呼吸作用也是自然界的一個基本法則，遵循陰陽規律。我們都知道「萬物生長靠太陽」，而絕大多數人不知道為什麼會這麼說。億萬年來地球上綠色植物靠太陽照射到地球上的光而生長，它們通過植物細胞內的葉綠體把太陽的光能轉化成能量進而將空氣中的二氧化碳固定到碳水化合物中同時把水分子分解成我們賴以生存的氧氣和質子。碳水化合物為生物體提供食物，在精妙的生物體內被分解，進而又在線粒體能通過呼吸作用把能量釋放出來為機體提供熱量及合成ATP能量分子，同時把氧氣和質子再一次轉化成水。最終，機體利用ATP分子為機體活動提供能量，而最終的最終，機體又以熱量的形式把這些能量釋放到大自然。

熱是紅外線的一種體現形式，紅外線是光的一種，所以最終機體釋放的是光能。這就是自然界的客觀規律，這就是陰陽。兩千多年以前，老子在其《道德經》第二十五章中有言 「人法地、地法天、天法道、道法自然」，這是人類首次將天、地、人乃至整個宇宙的生命規律精闢涵括、闡述出來。「道法自然」揭示了整個宇宙的特性，囊括了天地間所有事物的屬性，宇宙天地間萬事萬物均效法或遵循「道」的「自然而然」規律。

到此為止，為大家介紹了國際上關於線粒體呼吸作用的最新理論與我們的研究成果，相信大家對細胞呼吸都有了一個全新的認識。作為新一代的中國人，我們的征途是星辰大海，量子乾坤。不要忘了，你的心頭也有一片星辰大海，願砥礪前行，學海泛舟。

引文：

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