结合还原型泛醌‑10后的线粒体I复合物催化后结构

细胞如何把食物变成能量

线粒体常被称为细胞的发电站，其中一台关键装置——称为复合物I——启动了将食物中能量转化为ATP这一过程。本研究以原子级分辨率聚焦复合物I，观察它在完成工作后瞬间的模样，即一种脂溶性小分子泛醌‑10刚被还原为带电、富含能量的形式的时刻。理解这一转瞬即逝的状态有助于说明细胞如何高效捕获能量，以及该机器的功能失常为何会导致脑、肌肉和心脏等疾病。

嵌在线粒体膜中的分子机器

复合物I是嵌入线粒体内膜的一种巨大的L形蛋白复合体。它从燃料分子NADH提取电子，并通过内置的金属簇“导线”将电子传递，直到到达可移动的载体泛醌‑10，后者将电子进一步运送到呼吸链的下游。同时，复合物I利用释放的能量将四个质子搬运穿过膜，从而建立起驱动ATP合成的电化学梯度。由于其核心作用，复合物I功能异常与多种神经肌肉和代谢性疾病相关，并与血供中断时的组织损伤有关。

在机器“吸气”时瞬间冷冻

研究者将牛源复合物I重新组装进含有泛醌‑10的人造微小膜盘中，然后迅速加入大量过量的NADH，并在数十秒内将样品浸入冷冻，捕获了该酶完成至少一次催化循环后的状态。利用分辨率可达约两埃的先进冷冻电镜——足以看到单个水分子——他们能够重构出复合物I处于不同静止形式的多个三维结构。关键在于，在所谓的闭合、活性构象中，他们观察到还原产物泛醇‑10完全占据了反应发生的狭长通道的整个长度。

追踪能量载体的路径

在活性构象中，团队发现同一泛醇‑10分子在其结合通道末端、靠近末端铁‑硫簇处存在两种不同的构象。与先前含氧化态泛醌的结构相比，该分子的头部位置和取向发生了移动，与某个酪氨酸侧链形成了强氢键，但与邻近的组氨酸距离过远而无法直接相互作用。对周围电荷和水分子的互补计算模拟显示，当该酪氨酸和一个天冬氨酸残基都去质子化时，这一构型最稳定——这与它们刚好各自提供了将泛醌转化为泛醇所需的两个质子的情形一致。第二种更模糊的构象很可能代表若干紧密相关产物状态的平均，反映泛醇准备离开结合位点的过程。

勘测质子通路

由于电子密度图解析出许多有序水分子，作者得以追踪贯穿复合物I膜臂的近连续极性残基和水分子链。这些链将泛醌反应位点连接到三个分离的“反向转运蛋白样”模块，这些模块负责跨膜移动质子。在与泛醇结合的催化后闭合状态中，这些连接大体保持完整，但在某些位置间断，表明那里的水分子可能过于活跃而无法被观测到，暗示通道是灵活的而非刚性管道。相比之下，一种由洗涤剂分子卡在通道中而稳定的开放、失活状态显示出一段弯曲的螺旋打断了一处关键连接，支持了这一调节状态可以暂时阻断长程质子传递的观点。

这对细胞健康意味着什么

总体而言，结构快照与模拟支持这样一个序列：泛醌先以反应前构象结合，接受两个电子和两个质子成为泛醇，然后在反应后构象中停留，同时附近的蛋白基团等待膜基质一侧重新质子化。该工作阐明了活性位点中少数原子位置和电荷的微小变化如何沿着长程质子通路产生连锁效应以驱动泵送，以及可替代的失活构象如何中断这一流动。通过更清晰地展现复合物I的工作状态，这些结果为理解遗传缺陷、药物作用以及心脏病发作和中风等事件中发生的线粒体损伤提供了框架。

引用: Chung, I., Pereira, C.S., Wright, J.J. et al. Post-catalysis structures of mitochondrial complex I with ubiquinol-10 bound in the active site. Nat Commun 17, 3506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70030-0

关键词: 线粒体复合物I, 泛醌‑10, 冷冻电镜结构, 质子泵送, 氧化磷酸化