我们应该感叹呼吸体结构设计之精妙！与独立发挥作用的呼吸链复合物（CⅠ-CⅣ）相比，呼吸体在结构和功能上具有明显的优势。首先，每个单独的呼吸复合物本身就是庞大的蛋白机器，尤其是 CⅠ，而这些蛋白机器之间的相互结合则能够起到互相稳定的作用，形成一个结构和功能都更加稳定和高效的能量转换器。其次，有证据显示，与单独的呼吸复合物相比，形成呼吸体后，能够减少氧化还原反应位点的暴露，因此呼吸作用过程中产生的有害分子活性氧簇（reactive oxygen species）的量也明显减少，这对降低癌症发生和延缓衰老都有非常重要的作用。最后，如同上文所述，与单独的呼吸复合物相比，呼吸体中对辅酶 Q 和细胞色素 c的利用率都有很大的提高，使呼吸作用过程中的能量转换更加高效[10]。

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　　呼吸链功能异常与疾病

　　呼吸体的功能异常会直接或间接地引起多种严重的生理缺陷，而要想攻克这些医学难题，阐明呼吸体的结构信息和功能机理至关重要。由于组成和结构的复杂性，在 CⅠ-CⅣ 四个复合物中，复合物 CⅠ 的致病突变位点最多也最复杂，迄今为止已发现 CⅠ 的一百多个突变位点与疾病相关。非胰岛素依赖性糖尿病、MELAS 综合症、Leigh 氏综合症以及多种癌症发生都与 CⅠ 中的突变有关[11]。在所有线粒体呼吸链复合物蛋白中，CⅢ 相对来说是最少发生功能缺陷的蛋白复合物，但仍然会发生一些严重的病变。其重要亚基 Cytochrome b的基因突变会导致 Leber 遗传性视神经病变，而 BCS1L 亚基中的突变则可能导致肝脏及肾脏的功能异常[12]。CⅣ 中许多氨基酸位点的改变会导致其功能缺陷，这可能是 Leigh 氏脑病（亚急性坏死性脑病）的重要诱因之一。在 CⅣ 的组装过程中需要许多组装因子的帮助，这些组装因子基因的突变也可能会导致 CⅣ 功能缺陷[13]。呼吸体中在各个复合物单体之间发挥连接作用的蛋白亚基也非常重要，比如中的 NDUFB9 和 NDUFA11 以及 CⅣ 中的 COX7A，这些蛋白亚基的病变会直接阻碍呼吸体的形成，引起线粒体的功能缺陷甚至导致癌症的发生。另外，超级复合物模型还可以解释许多病理学问题，包括阿兹海默综合症、帕金森综合症和多样性硬化等等[1]。

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　　结语

　　关于能量代谢的科学研究是生物学领域有趣且意义重大的课题。经过一个多世纪的努力，人类对线粒体呼吸链的研究已经取得了可喜的成就。科学家已经认识到“亚基——呼吸复合物——超级复合物”这一复杂而有序的呼吸链组织形式，对呼吸体中电子传递和能量转换的分子机制有了较为深入的了解，但是，仍有许多科学难题等待我们去一一解决。比如，我们虽然知道超级复合物的组合形式会随着细胞状态的改变而改变，但是我们并不清楚调节呼吸体各组分之间结合与分离的信号通路是什么，j2直播，我们甚至不能确定这样的改变对适应不同的细胞状态究竟有怎样具体的生物学意义；此外，有科学家提出，呼吸体仍非线粒体呼吸链最高级的组织形式：不同的呼吸链超级复合物之间也可以发生相互作用而进一步形成巨型复合物（megacomplex）或者呼吸串（respiratory string）；最后，要想发挥理想的医学价值，仅仅得到哺乳动物的呼吸体结构还是不够的，我们还需要得到人源呼吸体的结构。上述这些问题，还需要科学家更加深入的研究和探索。我们相信，在不久的将来，科学家将会为我们描绘一个更加宏伟、精密的生命体能量代谢工厂。

　　杨茂君，清华大学生命科学学院教授，2016年国家杰出青年基金获得者，致力于综合运用结构生物学、生化与分子生物学等方法，聚焦于细胞感应外界信号以及物质跨膜转运、蛋白质翻译后修饰调控两方面的研究。

　　参考文献

　　[1] Gu,J.et al.The architecture of the mammalian respirasome. Nature,doi:10.1038/nature19359 (2016).

　　[2] Dudkina, N. V., Folea, I. M. &Boekema, E. J. Towards structural and functional characterization of photosynthetic and mitochondrial supercomplexes. Micron72, 39-51,doi:10.1016/j.micron.2015.03.002 (2015).

　　[3] 任衍刚, 白冠军,宋玉奇 & 卫红萍. 呼吸链的发现与揭示过程. 生物学通报50, 4 (2015).