【烧脑知识点】氢气生物学机理之：复合物 I 和氢化酶：【烧脑知识点】氢气生物学

原标题：【烧脑知识点】氢气生物学机理之：复合物I和氢化酶
氢化酶催化氢分子（H2）、质子（H+）和电子（e）的可逆转化，其中的电子无法独立存在，它们必须是原子或分子的一部分，这决定了氢化酶除了具有催化H2可逆转化的活性位点，还应该具有提供电子或接受电子的模块。实际上，不同种类的氢化酶主要是由不同模块如搭积木般进行组合。

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[NiFe]和[FeFe]氢化酶的结构。 LubitzWolfgang ， 2014
复合物Ⅰ（NADH:泛醌氧化还原酶， EC1.6993）在线粒体以及细菌的呼吸链中广泛存在，与氢化酶有天然的联系，是细胞内能量转换网络的重要组成部分。对复合物Ⅰ的解析将有助于对细胞能量代谢的理解。
细胞的能量工厂：线粒体【【烧脑知识点】氢气生物学机理之：复合物 I 和氢化酶】线粒体（mitochondrion）是高等生物细胞的能量工厂，正常细胞生存所需能量的90%以上由线粒体呼吸链提供。线粒体由两层膜包被，由外至内可划分为线粒体外膜、膜间隙、内膜和基质四个功能区。
线粒体外膜较光滑，通透性较高；线粒体内膜则向内皱褶形成线粒体嵴，通透性低，线粒体嵴的存在增大了内膜的表面积，内膜含有超过150种蛋白质，呼吸电子传递链的酶系都在内膜上。这两层膜将线粒体分出两个区室，位于两层线粒体膜之间的是线粒体膜间隙，被线粒体内膜包裹的是线粒体基质。

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真核生物线粒体的电子传递链是能量代谢的核心部位，线粒体内膜上的5个复合体(复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)组成线粒体呼吸电子传递链（respiratoryelectron-transportchain ， ETC）。葡萄糖等代谢产生的具有还原性的NADH等分子，通过呼吸链复合物I/II→III→IV的顺序将电子传递给氧气生成水；同时将质子泵出到线粒体膜间隙，线粒体内膜两侧便建立起了电化学梯度，这个电化学梯度有两个组成部分：膜电位（H+带正电荷）和pH梯度（H+也决定酸度）。
哺乳动物线粒体的膜电位约在180mV左右， pH梯度约为一个单位(相当于60mV) ，其总能量约为240mV 。一个跨越5nm质膜的60mV电位，相当于在1cm膜上施加120000V的电位，这是相当高的！当H+通过嵌在内膜的ATP合成酶（呼吸链复合物V ， F0F1ATPase）这个“分子马达”回到线粒体基质时,可以驱动通用能量货币ATP的合成（ChenLB ， 1988）；膜有一定的通透性，质子跨膜的渗透也是生物系统产热的重要来源。
线粒体跨生物膜的电化学梯度是生物系统进化出的用于储存多余的氧化还原能量的机制，也称为化学渗透机制，这成为细胞重要的能量来源，对细胞的生理功能有重要的影响。在如何将化学能转换为生物能方面，生物系统非常精妙，单个化学反应的能量不好控制，但是当化学能转换成跨生物膜的电化学梯度，膜电位的控制弹性就大多了，电位本身的高低既可以可以调节电子传递速率，也可以调节ATP的产生和产热等。我们在细胞研究中经常要测定线粒体膜电位，就是对细胞的能量状况和线粒体的功能的分析。除了线粒体，细胞膜也是不对称的，在细胞膜两侧也存在电位差，细胞膜上有质子、钠离子、钾离子和钙离子等离子通道，对细胞的功能具有非常重要的调节作用。
复合物Ⅰ和氢化酶线粒体复合物Ⅰ（NADH:泛醌氧化还原酶）是线粒体电子传递链的第一个酶，复合物Ⅰ催化负氢离子从NADH转移到FMN ，其中两个电子通过复合物I的系列FeS簇到达N2铁硫簇。电子从N2转移到辅酶Q（也称泛醌）形成QH2 ， QH2传递电子到复合物Ⅲ ，它本身被氧化为Q ， Q可以重新循环利用。复合物Ⅰ每次传递电子的同时可偶联将4个质子从线粒体内膜基质侧泵到内膜胞质侧的膜间隙。
NADH在细胞内通常作为电子和氢的可溶性载体。细胞内的很多脱氢反应在线粒体中进行，葡萄糖代谢和脂代谢等的中间物在脱氢酶的催化下发生脱氢反应，催化NAD+接受一个负氢离子（一个质子和两个电子）形成还原型NADH 。

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复合物I示意图。 LehningerPrinciplesofBiochemistry
线粒体复合物Ⅰ有很多同源酶存在，它们是一类结合在膜上的氧化还原酶家族。如在微生物中广泛存在的产氢的膜结合氢化酶(Hydrogengas-evolvingmembrane-boundhydrogenase ， MBH)和醌还原复合物I（quinone-reducingcomplexI），它们是具有共同祖先的同源呼吸复合物，从细菌到人类均高度保守。