伴随着结构生物学尤其是 X 射线晶体学的发展，科学家对呼吸链的研究进入了第二阶段，即解析呼吸链复合物Ⅰ-Ⅳ 的晶体结构。从1995年到2003年，从原核生物到哺乳动物 CⅣ 的完整结构被逐步确定，CⅣ 的功能机理也逐渐清晰。从1997年到2002年，单独的 CⅢ 与结合了各类抑制剂的 CⅢ 的晶体结构相继被解析，多种关于 CⅢ 功能机理的模型也相继出现。2003年，Yankovskaya等从大肠杆菌中获得了原核生物 CⅡ 的晶体结构。2005年，我国著名结构生物学家饶子和研究组从猪心中获得了首个哺乳动物线粒体中 CⅡ 的高分辨率晶体结构。呼吸链复合物 CⅠ 是线粒体呼吸链的起点，也是细胞内结构最为复杂的蛋白复合物之一[4]。从2006年到2013年，Sazanov等逐步解析了原核生物中CⅠ 的完整晶体结构，揭示了 CⅠ 传递电子和转运质子的核心功能。但是，与功能相对简单、只有14个核心蛋白亚基的原核生物 CⅠ 相比，哺乳动物的CⅠ 含有45个亚基，其复杂程度使得传统的 X 射线晶体学方法对解析其晶体结构显得无能为力。2014年，Hirst等通过冷冻电镜的方法解析了哺乳动物牛心中 CⅠ的中等分辨率结构[5]。而在我们研究组最近发表的工作中，则以猪心为实验原材料，成功获得了目前为止哺乳动物 CⅠ 分辨率最高的完整电镜结构[1]。

　　2000年呼吸链超级复合物的发现，标志着科学家对呼吸链的研究进入了第三阶段[6]。在正常生理条件下，线粒体呼吸链上各个蛋白复合物并不是独立存在的，它们互相结合形成更高级的组织形式——超级复合物（respiratory supercomplex）。这种超级复合物中的复合物单体，可以通过不同的形式结合在一起，产生多种超级复合物的组合形式，而其中具有完整呼吸活性的呼吸链超级复合物又被称为呼吸体（respirasome）。由于物种来源的不同，超级复合物的组成形式差异也很大，比如，酵母中最主要的形式为 Ⅲ2Ⅳ1，土豆微管组织中的主要形式为 Ⅰ1Ⅲ2，牛心中主要是 Ⅰ1Ⅲ2Ⅳ1，而小鼠肝脏中则存在 Ⅰ1Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ1[7]。甚至在同一个物种中，正常的生理条件下也同样存在不同组成形式的超级复合物。

　　组合形式不同的超级复合物，其所适应的代谢通路也不尽相同。根据最新的理论，不同组成形式的超级复合物在线粒体上的存在比例会随着细胞状态的变化而不断调整，以满足细胞不同生长状态下特定的能量需求[8]。哺乳动物中，最为常见的呼吸体形式为 Ⅰ1Ⅲ2Ⅳ1。不久前，我们研究组通过单颗粒冷冻电镜的方法首次获得了哺乳动物中呼吸体 Ⅰ1Ⅲ2Ⅳ1 的高分辨结构，为呼吸体高效地进行能量转换提供了有力的证据。

　　图2

　　现在我们认识到，进行呼吸作用的载体呼吸体是一个庞大的分子机器，由数量惊人的蛋白亚基和各类辅基，以极其复杂而有序的方式层层组装而成。每一个小的分子都是一个精巧的零件，在各自的位置上发挥自身独特的功能。同时，这些零件又相互协调，形成更高级的结构，以功能单元或更高级的复合物的形式有效地发挥作用。化学燃料的燃烧通常是一个不可控的、剧烈的能量释放过程，而作为生物体能量来源的有机物质，本质上也是化学燃料。显而易见，生物体对有机物质中能量的利用，绝不能以燃烧的方式进行，而需要以一个可控、温和的方式，完成对能量的高效利用。在呼吸体中，CⅠ-CⅣ 作为功能相对独立的单元，各自都受到严格的调控，只完成能量释放的一部分过程。同时，由于呼吸体中能量转换的方式并不是通过氧化还原反应直接产生内能，而是通过电子传递引起蛋白质的构象变化来转运质子以产生电化学势能。在呼吸作用能量转换的过程中，只有很少部分的能量逸散成了内能。作为一个整体，呼吸体内各个单元以特定的方式相互结合，相互稳定，以保证底物的高效利用与流通。正是由于呼吸体这一复杂而精妙的结构，才使得生物体对有机物中的能量进行温和而高效地利用成为可能。

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　　呼吸链的组织形式