科学大家|你的心头也有星辰大海 带你领略呼吸奥秘

　　出品 | 新浪科技《科学大家》

　　撰文 | 杨茂君 清华大学生命科学学院教授

　　一花一世界，一树一菩提

　　慧者观之，每一个生命，甚至每一个小小的细胞中，都包含着一个无穷无尽的宇宙。庄子《齐物论》中论述道，“天下莫大于秋毫之末，而泰山为小；莫寿于殇子，而彭祖为夭”。意思是说，世间最大的事物莫过于秋天鸟兽的毛尖发尖，因为这些毛发可以无穷尽地不断细分，而泰山其实很小，因为登上山顶你便可以一揽全貌；没有什么人比夭折的孩子更长寿，因为对孩子来说他已经历了一个轮回，而八百八十岁的彭祖却是短命的，因为再长的岁月也抵不过天地无情运转。亚原子世界的精度和深远宇宙的广度通过量子力学的理论融会贯通，庄子的思想竟与现代科学暗自相合，不得不令人啧啧称奇。每当我们仰望星空，憧憬着远处的星辰大海，你是否知道，你的心头也有一片星辰大海呢？（图一）

　　探索广袤宇宙的星辰大海和研究精巧的细胞内原子运行规律是人类扩展认知的两个基本方向。人们一方面用空间天文卫星来观测大尺度时空维度中的奇观，另一方面也运用冷冻电子显微镜来探索细胞内部微观世界各式各样复杂而又精巧的结构。随着人们的认识不断深入，细胞内部丰富的物质结构和有序的协调机制令人叹为观止。据估计，一个普通的动物细胞内，各类蛋白质分子机器的总数超过十的十二到十三次方数量级，其它各类功能性的小分子更是不计其数。这些大大小小的生物分子或穿梭于各种功能迥异的细胞器之间，或锚定于某一特定的膜结构浮游其上，如果你化身为一个原子置于其间，一定会慨叹这壮阔的奇景翰如星海。尽管物质结构纷繁复杂，细胞内所有的生命活动都受到精细的调控，从物质代谢到能量供应，再到细胞分裂、分化、自噬等整体水平上的行为，无不井井有条，其中的奥妙令人神往。

　　细胞的发动机：呼吸

　　生命在于运动。宇宙星辰周转不息，同样，细胞内的一切都在不断运动之中。细胞作为一个整体在运动，单独的细胞器行使功能也在运动，甚至于每一个蛋白质分子发生构象变化都是在运动，运动是生命乃至宇宙的基本规律。运动必须有能量供应，而为细胞运动提供能量的则是呼吸。你可能从来都没有想过，看似平常，一呼一吸之间实则另有乾坤。

图一 大小之辩（国画作者：董书林）

　　作为个体水平上的呼吸运动指的是人通过口鼻吸入空气进入肺部，空气中的氧气在肺泡中透过毛细血管进入血液与血红蛋白结合并被运送到身体消耗氧气的部位，另外血液中的二氧化碳在肺泡中透过毛细血管进入肺叶中的空气，并随着呼气排出体外。在细胞水平上，呼吸作用（cellular respiration）则有另外一番完全不同的含义。细胞呼吸发生在线粒体中。摄入人体的营养物质经过分解代谢产生大量的高能化学分子，最常见的是NADH和FADH，这些高能分子在线粒体中将高能电子通过固定在线粒体内膜上的线粒体呼吸链传递给分子态氧生成水，同时温和地释放能量产生质子梯度电化学势能，之后，ATP合成酶利用质子梯度合成可直接为生命活动供能的高能分子三磷酸腺苷（ATP）。这一过程概括起来很简单，而实际上，每一步都涉及到非常复杂的生化反应，并且受到严格的调控以满足不同状态下细胞的能量需求。接下来，让我们窥探微观世界中的小宇宙。

　　线粒体是什么

　　我们的故事从线粒体开始讲起。线粒体（mitochondria）是细胞内由双层膜包被的大型细胞器，是细胞内的能量工厂，呼吸作用发生的主要场所，其直径大约为0.5~1微米。除呼吸作用外，线粒体还参与了一系列重要的生命活动，包括糖类和脂质的代谢、细胞凋亡（apoptosis）、衰老（senility）以及钙离子稳态（calcium homeostasis）的调节等等。

　　线粒体外膜组成成分类似于细胞膜，且通透性较高，结构简单。线粒体内膜组成成分则较为复杂，含有丰富的蛋白质和心磷脂（cardiolipin）以及较少的胆固醇（cholesterol），且结构复杂。线粒体内膜可以向内折叠形成嵴（cristae），而这些嵴上分布着大量进行细胞呼吸的蛋白质复合物。低等动物和植物的线粒体中，嵴呈管状（tubular cristae），而在高等动物线粒体中嵴则多呈片状（lamellar cristae）。嵴的存在极大地扩展了线粒体内膜的表面积，增加了呼吸作用进行的空间。线粒体拥有自身的环状DNA分子，可以编码部分进行呼吸作用所必须的蛋白质，且其内蛋白质的合成受到细胞核的调控，是半自主性的细胞器。不同细胞中线粒体的数量差异很大，一般来说取决于细胞内能量代谢的水平，细胞代谢活动越旺盛则线粒体的数量越多。（图二）

　　线粒体的结构

　　线粒体之所以叫线粒体，是因为它以“线”和“粒”两种状态存在，彼此之间依据细胞状态的不同不断转换，处于动态平衡之中。在细胞分裂（mitosis）或者出现自噬（autophage）的状态下，线粒体多分裂呈粒状，其内膜上嵴的结构被破坏呈洋葱状，氧化磷酸化停止而进行有氧糖酵解（aerobic glycolysis），能量转化效率明显降低；而在细胞处于正常或饥饿状态下时，线粒体多融合呈线状，内膜嵴的结构发达，能量代谢形式主要为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），可以进行高效率的能量转化。线粒体的融合和分解各由一系列通过水解GTP产生机械力的动力蛋白分子（dynein-like GTPase）介导，并且受到细胞内某一信号通路精细的调控。简而言之，不同的线粒体形态对应着细胞不同的能量需求和不同的呼吸形式，是细胞调节呼吸作用的第一层机制。

　　处于融合状态的线粒体含有丰富的内膜嵴的结构，可以进行高效的氧化磷酸化。磷酸化（phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用，包括底物水平磷酸化和氧化磷酸化两种形式。在糖酵解的过程中，一些高能分子在分解时会释放出高能磷酸根直接将ADP合成ATP，这被称为底物水平磷酸化。如1，3-二磷酸甘油酸降解为3-磷酸甘油酸时将一个磷酸根转移到ADP分子上。相对的，氧化磷酸化则指的是分解代谢产生的高能小分子将电子通过线粒体氧化呼吸链一步一步传递给氧气的过程中逐步释放能量，产生质子梯度，之后ATP合成酶（ATP synthase）利用质子梯度合成ATP分子，将电化学势能转化为ATP中活跃的化学能的过程。生物体内95%的ATP来自氧化磷酸化。

　　进行氧化磷酸化的酶，呼吸链大分子蛋白质复合物都位于线粒体内膜上。最新的冷冻电镜断层成像技术显示，进行电子传递的呼吸链大分子蛋白复合物主要位于内膜嵴结构中较为平缓的区域，而利用质子梯度合成ATP的ATP合成酶则主要位于嵴结构中折叠弯曲的部位，内膜嵴与外膜相临的一端则被一系列蛋白质复合物扎捆锁定。这样的分布有利于质子梯度的产生、维持和利用，可以有效地提高能量转换效率。

　　参与呼吸作用的大分子蛋白质复合物

　　从上世纪中叶开始，进行呼吸作用的大分子蛋白质复合物相继被分离和鉴定出来，至今科学家们都在研究这些大分蛋白机器的功能机理。这些蛋白质机器包括复合物I（NADH脱氧酶，NADH dehydrogenase），复合物II（琥珀酸脱氧酶，succinate dehydrogenase），复合物III（细胞色素c还原酶，cytochrome c reductase），复合物IV（细胞色素c氧化酶，cytochrome c oxidase），以及复合物V（ATP合成酶，ATP synthase）。其中，复合物IV以二聚体的形式存在于线粒体嵴上，并且常常沿着嵴的折叠处呈条带状排列，而复合物I到IV的组合形式则较为复杂。

　　起初，人们认为复合物I到IV在线粒体嵴上是相互独立存在的，每一个单独的复合物独立完成电子传递（也就是能量释放）的一部分过程，而它们之间的电子传递则通过在线粒体内膜上游离的辅酶Q和细胞色素c来完成。现在看来这样的电子传递方式和蛋白质组合形式是低效的。本世纪初，科学家们检测到了复合物I到IV更高级的组合形式，超级复合物（supercomplex）。在超级复合物中，复合物单体的数量可以发生变化，以形成不同组合形式的超级复合物，而其中具有完整呼吸活性的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