之前簡單介紹了氫化酶。氫化酶催化氫分子(H2)、質子(H+)和電子(e)的可逆轉化，其中的電子無法獨立存在，它們必須是原子或分子的一部分，這決定了氫化酶除了具有催化H2可逆轉化的活性位點，還應該具有提供電子或接受電子的模塊。實際上，不同種類的氫化酶主要是由不同模塊如搭積木般進行組合。
 

[NiFe]和[FeFe]氫化酶的結構。Lubitz Wolfgang，2014
 

復合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化還原酶，EC 1.6993)在線粒體以及細菌的呼吸鏈中廣泛存在，與氫化酶有天然的聯(lián)系，是細胞內能量轉換網(wǎng)絡的重要組成部分。對復合物Ⅰ的解析將有助于對細胞能量代謝的理解。
 

細胞的能量工廠：線粒體
 

線粒體(mitochondrion)是高等生物細胞的能量工廠，正常細胞生存所需能量的90%以上由線粒體呼吸鏈提供。線粒體由兩層膜包被，由外至內可劃分為線粒體外膜、膜間隙、內膜和基質四個功能區(qū)。
 

線粒體外膜較光滑，通透性較高;線粒體內膜則向內皺褶形成線粒體嵴，通透性低，線粒體嵴的存在增大了內膜的表面積，內膜含有超過150種蛋白質，呼吸電子傳遞鏈的酶系都在內膜上。這兩層膜將線粒體分出兩個區(qū)室，位于兩層線粒體膜之間的是線粒體膜間隙，被線粒體內膜包裹的是線粒體基質。
 

真核生物線粒體的電子傳遞鏈是能量代謝的核心部位，線粒體內膜上的5個復合體(復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)組成線粒體呼吸電子傳遞鏈(respiratory electron-transport chain，ETC)。葡萄糖等代謝產(chǎn)生的具有還原性的NADH等分子，通過呼吸鏈復合物I/II→III→IV的順序將電子傳遞給氧氣生成水;同時將質子泵出到線粒體膜間隙，線粒體內膜兩側便建立起了電化學梯度，這個電化學梯度有兩個組成部分：膜電位(H+帶正電荷)和pH梯度(H+也決定酸度)。
 

哺乳動物線粒體的膜電位約在180 mV左右，pH梯度約為一個單位(相當于60 mV)，其總能量約為240mV。一個跨越5nm質膜的60mV電位，相當于在1cm膜上施加120000 V的電位，這是相當高的!當H+通過嵌在內膜的ATP合成酶(呼吸鏈復合物V，F(xiàn)0F1 ATPase)這個“分子馬達”回到線粒體基質時,可以驅動通用能量貨幣ATP的合成(Chen L B ，1988);膜有一定的通透性，質子跨膜的滲透也是生物系統(tǒng)產(chǎn)熱的重要來源。
 

線粒體跨生物膜的電化學梯度是生物系統(tǒng)進化出的用于儲存多余的氧化還原能量的機制，也稱為化學滲透機制，這成為細胞重要的能量來源，對細胞的生理功能有重要的影響。在如何將化學能轉換為生物能方面，生物系統(tǒng)非常精妙，單個化學反應的能量不好控制，但是當化學能轉換成跨生物膜的電化學梯度，膜電位的控制彈性就大多了，電位本身的高低既可以可以調節(jié)電子傳遞速率，也可以調節(jié)ATP的產(chǎn)生和產(chǎn)熱等。我們在細胞研究中經(jīng)常要測定線粒體膜電位，就是對細胞的能量狀況和線粒體的功能的分析。除了線粒體，細胞膜也是不對稱的，在細胞膜兩側也存在電位差，細胞膜上有質子、鈉離子、鉀離子和鈣離子等離子通道，對細胞的功能具有非常重要的調節(jié)作用。
 

復合物 Ⅰ 和氫化酶
 

線粒體復合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化還原酶)是線粒體電子傳遞鏈的第一個酶，復合物Ⅰ催化負氫離子從NADH轉移到FMN，其中兩個電子通過復合物I的系列FeS簇到達N2鐵硫簇。電子從N2轉移到輔酶Q(也稱泛醌)形成QH2，QH2傳遞電子到復合物Ⅲ，它本身被氧化為Q，Q可以重新循環(huán)利用。復合物 Ⅰ 每次傳遞電子的同時可偶聯(lián)將4個質子從線粒體內膜基質側泵到內膜胞質側的膜間隙。
 

NADH在細胞內通常作為電子和氫的可溶性載體。細胞內的很多脫氫反應在線粒體中進行，葡萄糖代謝和脂代謝等的中間物在脫氫酶的催化下發(fā)生脫氫反應，催化NAD+接受一個負氫離子(一個質子和兩個電子)形成還原型NADH。
 

復合物I示意圖。Lehninger Principles of Biochemistry
 

線粒體復合物 Ⅰ 有很多同源酶存在，它們是一類結合在膜上的氧化還原酶家族。如在微生物中廣泛存在的產(chǎn)氫的膜結合氫化酶(Hydrogen gas-evolving membrane-bound hydrogenase，MBH)和醌還原復合物I(quinone-reducing complex I)，它們是具有共同祖先的同源呼吸復合物，從細菌到人類均高度保守。
 

復合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化還原酶)的核心是由14個保守的“核心”亞單位組成的L型復合物，7個親水亞單位在線粒體基質側，7個疏水亞單位位于內膜內。核心亞基根據(jù)功能可以分成三個模塊：NADH脫氫酶模塊(N-module，NuoE、NuoF和NuoG亞基)、醌模塊(Q-module，NuoC、NuoI、NuoB和NuoD亞基)和質子泵模塊(P-module, NuoA, H, J, K, L, M 和N亞基)(圖)。這些亞基從原核生物的細胞膜到真核生物的線粒體都是保守的，真核生物的線粒體復合物 Ⅰ 還含有31個額外的輔助亞基。

復合物 I 模式圖，Moparthi V K，2011
 

N模塊的E和F亞基含有FMN和FeS簇，具有NADH脫氫酶活性，可以從NADH獲得電子;G亞基與[Fe]氫化酶類似，含有可以傳遞電子的FeS簇。
 

Q模塊接受自來自N模塊的電子，并經(jīng)FeS簇將電子傳給輔酶Q，I亞基與鐵氧還蛋白相似，B和D亞基分別與可溶性[NiFe]氫化酶的小亞基和大亞基相似。值得關注的是，復合物I中的輔酶Q結合位點與D亞基氫化酶中的[NiFe]活性位點相對應。
 

P模塊也稱質子易位模塊。L、M和N亞基都與H+/Na+逆向轉運體(Mrp H+/Na+ antiporter)中的蛋白質亞基同源，如MrpA與L同源，MrpD與 M和N同源， MrpC與K同源，表明KLM亞基可能是被招募到復合物I的?？缒さ腍+/Na+逆向轉運具有重要的生物學功能，之后會介紹我們在這方面的研究線索。

Hongjun Yu, et al. Cell. 2018
 

目前的研究認為，復合物 I 是由較小的功能模塊組合演變而來。進一步的基因組序列分析發(fā)現(xiàn)，Q和P模塊的11個亞基更為普遍，N模塊則作為電子輸入模塊(Moparthi V K，2011)。據(jù)此重新將復合物I按比較小的酶作為功能模塊拆分可以分為三個模塊：氫化酶模塊、轉運模塊、電子輸入模塊。氫化酶模塊包括了Q模塊和P模塊的NuoH在內的兩個膜蛋白,與存在于許多厭氧或兼性厭氧微生物中的能量轉換氫化酶(Energy-converting hydrogenase, Ech)和Hyc類似，在NuoD上含有[NiFe]氫化酶的活性位點。N-模塊則作為添加到復合物I的電子輸入模塊，通過對NADH的氧化連接線粒體的TCA循環(huán)和有氧電子傳遞鏈。電子輸入模塊也可以有其他形式，如F420脫氫酶模塊(FpoF)，甲酸脫氫酶模塊(NuoG),硫氧還蛋白(Fd)等。
 

復合物 I 和膜結合氫化酶進化示意圖。鎳鐵活性部位用圓圈表示
 

Moparthi V K，2011
 

復合物 I 和膜結合氫化酶進化關系表明，復合物 I 的11核心亞單位是膜結合[NiFe]氫化酶以及目前所有類型復合物I的最后一個共同祖先，在進化過程中，一些酶仍然是氫化酶，但是逐漸退化和丟失了一些組分，或有的亞基的功能變得專一化，如NuoL，M和N的同源蛋白H+/Na+逆向轉運體(Mrp H+/Na+ antiporter)。有些酶獲得永久性的電子供體蛋白(如 NADH脫氫酶，硫氧還蛋白等)，最終進化成今天的全尺寸復合物 I 。
 

通過以上的介紹可以看出來，線粒體復合物 I 與氫化酶有千絲萬縷的聯(lián)系，特別是復合物 I 的Q模塊本身就與[NiFe]氫化酶同根生，輔酶Q接受電子的N2位點與[NiFe]氫化酶的活性中心對應，但是在線粒體復合物 I 中，與活性中心金屬配位的半胱氨酸突變導致氫化酶的活性“喪失”，由輔酶Q“替代”H+接受電子，這也是現(xiàn)有的研究認為線粒體復合物 I 不再具有氫代謝能力的原因。
 

但是，關于復合物 I 還有很多未解之謎，如電子的傳遞是如何導致質子泵出的?電子、質子、負氫離子、輔酶Q、氫分子(H2)、以及我們在第一篇“生命中的氫元素”介紹的氫鍵在酶活性位點附近是怎樣的存在方式?盡管復合物 I 的精細結構已經(jīng)解析，但電子傳遞是如何偶聯(lián)質子泵出的細節(jié)還有待揭秘，也許還有很多沒有考慮到的因素。我們推測氫分子是有可能以某種方式參與酶的活性中心的這些過程的。
 

參考文獻

Moparthi V K , Cecilia Hägerhäll. The Evolution of Respiratory Chain Complex I from a Smaller Last Common Ancestor Consisting of 11 Protein Subunits[J]. Journal of Molecular Evolution, 2011, 72(5-6):484-497.

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