【烧脑知识点】氢气生物学机理之：复合物 I 和氢化酶( 二 ) ：【烧脑知识点】氢气生物学

复合物Ⅰ（NADH:泛醌氧化还原酶）的核心是由14个保守的“核心”亚单位组成的L型复合物， 7个亲水亚单位在线粒体基质侧， 7个疏水亚单位位于内膜内。核心亚基根据功能可以分成三个模块：NADH脱氢酶模块（N-module ， NuoE、NuoF和NuoG亚基）、醌模块（Q-module ， NuoC、NuoI、NuoB和NuoD亚基）和质子泵模块（P-module,NuoA,H,J,K,L,M和N亚基）（图）。这些亚基从原核生物的细胞膜到真核生物的线粒体都是保守的，真核生物的线粒体复合物Ⅰ还含有31个额外的辅助亚基。

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复合物I模式图， MoparthiVK ， 2011
N模块的E和F亚基含有FMN和FeS簇，具有NADH脱氢酶活性，可以从NADH获得电子；G亚基与[Fe]氢化酶类似，含有可以传递电子的FeS簇。
Q模块接受自来自N模块的电子，并经FeS簇将电子传给辅酶Q ， I亚基与铁氧还蛋白相似， B和D亚基分别与可溶性[NiFe]氢化酶的小亚基和大亚基相似。值得关注的是，复合物I中的辅酶Q结合位点与D亚基氢化酶中的[NiFe]活性位点相对应。
P模块也称质子易位模块。 L、M和N亚基都与H+/Na+逆向转运体（MrpH+/Na+antiporter）中的蛋白质亚基同源，如MrpA与L同源， MrpD与M和N同源， MrpC与K同源，表明KLM亚基可能是被招募到复合物I的。跨膜的H+/Na+逆向转运具有重要的生物学功能，之后会介绍我们在这方面的研究线索。

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HongjunYu,etal.Cell.2018
目前的研究认为，复合物I是由较小的功能模块组合演变而来。进一步的基因组序列分析发现， Q和P模块的11个亚基更为普遍， N模块则作为电子输入模块（MoparthiVK ， 2011）。据此重新将复合物I按比较小的酶作为功能模块拆分可以分为三个模块：氢化酶模块、转运模块、电子输入模块。氢化酶模块包括了Q模块和P模块的NuoH在内的两个膜蛋白,与存在于许多厌氧或兼性厌氧微生物中的能量转换氢化酶（Energy-convertinghydrogenase,Ech）和Hyc类似，在NuoD上含有[NiFe]氢化酶的活性位点。 N-模块则作为添加到复合物I的电子输入模块，通过对NADH的氧化连接线粒体的TCA循环和有氧电子传递链。电子输入模块也可以有其他形式，如F420脱氢酶模块（FpoF），甲酸脱氢酶模块（NuoG）,硫氧还蛋白（Fd）等。

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复合物I和膜结合氢化酶进化示意图。镍铁活性部位用圆圈表示MoparthiVK ， 2011
复合物I和膜结合氢化酶进化关系表明，复合物I的11核心亚单位是膜结合[NiFe]氢化酶以及目前所有类型复合物I的最后一个共同祖先，在进化过程中，一些酶仍然是氢化酶，但是逐渐退化和丢失了一些组分，或有的亚基的功能变得专一化，如NuoL ， M和N的同源蛋白H+/Na+逆向转运体（MrpH+/Na+antiporter）。有些酶获得永久性的电子供体蛋白（如NADH脱氢酶，硫氧还蛋白等），最终进化成今天的全尺寸复合物I 。
通过以上的介绍可以看出来，线粒体复合物I与氢化酶有千丝万缕的联系，特别是复合物I的Q模块本身就与[NiFe]氢化酶同根生，辅酶Q接受电子的N2位点与[NiFe]氢化酶的活性中心对应，但是在线粒体复合物I中，与活性中心金属配位的半胱氨酸突变导致氢化酶的活性“丧失” ，由辅酶Q“替代”H+接受电子，这也是现有的研究认为线粒体复合物I不再具有氢代谢能力的原因。
但是，关于复合物I还有很多未解之谜，如电子的传递是如何导致质子泵出的？电子、质子、负氢离子、辅酶Q、氢分子（H2)、以及我们在第一篇“生命中的氢元素”介绍的氢键在酶活性位点附近是怎样的存在方式？尽管复合物I的精细结构已经解析，但电子传递是如何偶联质子泵出的细节还有待揭秘，也许还有很多没有考虑到的因素。我们推测氢分子是有可能以某种方式参与酶的活性中心的这些过程的。接下来的问题就是氢分子是否能与酶分子作用？氢分子是如何与酶分子发生作用的？

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参考文献
MoparthiVK,CeciliaH?gerh?ll.TheEvolutionofRespiratoryChainComplexIfromaSmallerLastCommonAncestorConsistingof11ProteinSubunits[J].JournalofMolecularEvolution,2011,72(5-6):484-497.
ChenLB.Mitochondrialmembranepotentialinlivingcells.AnnRevCellBiol4:151-181[J].AnnualReviewofCellBiology,1988,4:155-181.
YuH,WuCH,SchutGJ,etal.StructureofanAncientRespiratorySystem[J].Cell,2018:S0092867418304033.