新陈代谢——物质代谢和能量代谢——是生命最基本的特征之一。 总体上，从能量流动的方向来说，能量代谢可以分为两类：光合作用（储存化学能）和呼吸作用（利用化学能）。一直以来，呼吸作用的媒介和机制问题都是科学家关注的重要研究课题，人们对它们的认知也在不断更新和进步。9月21日，清华大学杨茂君教授研究组在《自然》发表对呼吸作用的载体——呼吸体蛋白超级复合物的结构生物学研究[1]，向我们展示了细胞内这个复杂而又精妙的生物能量转换器的全貌，不但让我们更真切地领略到了大自然之鬼斧神工，也为治疗多种与线粒体功能紊乱有关的疾病提供了药物设计及筛选的生物学基础。

　　撰文郭润域、杨茂君*

　　编辑木東

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　　生命能量代谢

　　所有的生命活动都离不开能量的供应与消耗——能量代谢，就像汽车需要燃油，直播，家电需要电力，区别在于生命体内的能量活动一般都是在非常温和的条件下发生的，能量的有效利用率也远高于现有的人造机器。经过漫长的生物演化，生命体的能量代谢过程变得既复杂又精妙。从能量流动的方向来说，能量代谢可以分为两类：光合作用将光能储存到有机化合物中转换成稳定的化学能；呼吸作用将所储存的化学能释放出来，生成具有不稳定化学能的 ATP（三磷酸腺苷）分子，提供生命活动所需的能量。

　　光合作用主要发生在低等的光合细菌、藻类和高等植物的叶绿体中，分为光反应和暗反应两个部分。光反应发生在叶绿体的类囊体膜上。进行光反应的蛋白系统包括光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ），分别都有自己的天线蛋白复合物和核心蛋白。天线蛋白复合物捕获光子，将能量传递至核心蛋白以产生高能电子。高能电子可以通过线性电子传递链（LEF）或环状电子传递链（CEF）两种途径传递至最终电子受体，并在过程中产生 ATP 和 NADPH。随后，暗反应消耗 ATP和 NADPH，固定 CO2，形成碳水化合物，完成光能到化学能的转化，供呼吸作用利用（图1）[2]。

　　呼吸作用发生在几乎所有的生命体中，并且越高等的生物其进行呼吸作用的蛋白复合物越复杂，简单来说，呼吸作用就是消耗生物体内储存的化学能并最终重新生成高能分子 ATP 的过程（图1）。在哺乳动物中，线粒体是进行呼吸作用的场所。首先，在线粒体基质中，有机物质通过一系列生化反应生成 NADH、FADH 或其它形式的电子供体，随后这些电子供体进入氧化呼吸链进行电子传递，同时在线粒体内膜两侧形成质子梯度——电化学势能。最后，线粒体内膜上的 ATP 合成酶（呼吸链复合物 V 和复合物 CV）利用所形成的电化学势能合成高能分子 ATP。

　　图1

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　　呼吸链的认知历史

　　人们对形成质子梯度的氧化呼吸链的认识经历了一个漫长的过程，大致可以分为三个重要历史阶段（图2）。

　　第一阶段中，科学家相继发现了多种氧化还原酶类和进行电子传递的辅基。1900年，美国科学家 Michaelis发现健那绿可以将线粒体染成蓝绿色，而在细胞消耗氧气之后线粒体所染的蓝绿色逐渐消失。健那绿颜色的变化与染料的氧化还原状态有关，这就说明线粒体是细胞内氧化还原反应发生的场所。1912年，Warburg从豚鼠肝细胞中提取出线粒体，并从中分离出一些与氧化还原反应相关的酶，命名为呼吸酶。随后人们逐渐认识到，参与氧化反应的并不是单一的酶类，而是由一系列功能相关的呼吸酶组成的氧化还原反应链。到20世纪60年代，科学家基本鉴定出线粒体呼吸链上所有进行电子传递的辅基，并且确定了这些辅基在呼吸链上的排列顺序，它们包括：NADH、FAD、FMN、铁硫中心（Fe-S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4种功能相对独立的呼吸链蛋白复合物，即呼吸链复合物Ⅰ（CⅠ，NADH 脱氢酶），呼吸链复合物Ⅱ（CⅡ，琥珀酸脱氢酶），呼吸链复合物Ⅲ（CⅢ，细胞色素 c 还原酶）和呼吸链复合物Ⅳ（CⅣ，细胞色素 c 氧化酶）[3]。