全 文 ：第23卷 第11期
2011年11月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 11
Nov., 2011
文章编号：1004-0374(2011)11-1042-10
线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义
李红智1，刘丹慧1，吕建新1，白益东1,2*
(1 温州医学院浙江省医学遗传学重点实验室，检验医学教育部重点实验室，温州 325035；
2 德克萨斯大学圣安东尼奥医学科学中心细胞与结构生物学系，圣安东尼奥 78229，美国)
摘　要：电子传递链亦称呼吸链，由位于线粒体内膜的 I、II、III、IV 4种复合物组成，负责电子传递和产
生质子梯度。电子主要从复合物 I进入电子传递链，经复合物 III传递至复合物 IV。电子传递系统的组装
是一个十分复杂的过程，目前已知主要有约 69个结构亚基以及至少 16个组装因子参与了人类复合物 I、
III、IV的组装，这些蛋白质由核基因组与线粒体基因组共同编码。对线粒体电子传递系统的蛋白质组成及
其结构已研究得较为清楚，但对它们的组装了解得还比较初步。许多人类线粒体疾病是由于电子传递系统
的功能障碍引起的，其中又有许多是由于该系统中一个或多个部件的错误组装引起的。研究这些缺陷不仅
能够加深对线粒体疾病发病机理的了解，也有助于揭示线粒体功能的调控机制。将着重对电子传递系统复
合物的组装及其与人类疾病关系的研究进展进行综述。
关键词：电子传递链；组装；线粒体疾病
中图分类号：Q244; R589 文献标志码：A
The assembly of the mitochondrial electron transport chain system and its
biological implications
LI Hong-Zhi1, LIU Dan-Hui1, LÜ Jian-Xin1, BAI Yi-Dong1,2*
(1 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Medical Genetics, Ministry of Education Key Laboratory of Laboratory
Medicine, Wenzhou Medical College, Wenzhou 325035, China; 2 Department of Cellular and Structural Biology,
University of Texas Health Science Center at San Antonio, San Antonio, TX 78229, USA)
Abstract: The mitochondrial electron transport chain (ETC), or respiration chain, is composed of four respiratory
complexes (I, II, III and IV), which are responsible for electron transfer and generation of the proton gradient across
the mitochondrial inner membrane. The majority of electrons enter the respiratory system at complex I, through
complex III, and complex IV, and finally deliver to oxygen. The assembly of ETC is a very complicated and
intricately regulated process. There are about 69 structural subunits and at least 16 assembly factors, which are
encoded by both nuclear and mitochondrial genomes, involved in the assembly of complexes I, III and IV. The
protein composition and structure of each complex have been well established, whereas the study of their assembly
process just starts. Many human disorders are caused by ETC dysfunction, and many of them are associated with
defective assembly of one or more ETC components. The investigation of the assembly ETC is not only useful in
understanding the pathogenesis of several mitochondrial disorders, but also important in unraveling the regulatory
mechanism of mitochondrial function. Here we will review the current knowledge of the assembly of ETC and its
implications in human diseases.
Key words: electron transport chain; assembly; mitochondrial disorders
收稿日期：2011-06-14
基金项目：国家自然科学基金项目(31070765, 810004611)
*通信作者：E-mail: baiy@uthscsa.edu
李红智，等：线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义第11期 1043
线粒体电子传递系统的 4种复合物成员分别
为：复合物 I (CI，NADH脱氢酶 )、复合物 II (CII，
琥珀酸脱氢酶 )、复合物 III (CIII，细胞色素 C还原
酶 )和复合物 IV (CIV，细胞色素 C氧化酶 )。细胞
将从大分子物质氧化获得的电子通过呼吸链传递，
主要从复合物 I进入，经由复合物 III传递至复合
物 IV，也有部分电子从复合物 II进入，由复合物
III至复合物 IV。电子传递产生的能量维持着线粒
体内膜的质子梯度，这个质子梯度被复合物 V (CV，
F1F0 ATP合酶 )所利用，催化形成 ATP。电子传递
和 ATP合成的耦联被称为氧化磷酸化。
由电子传递系统缺陷所导致的人类线粒体疾病
具有临床症状复杂和多器官累及的特点，尽管在儿
童期严重症状较常见，但在任何年龄阶段均可见发
病。线粒体 DNA (mtDNA)和细胞核 DNA的基因
突变都可能会引起电子传递系统缺陷，这些基因可
能编码：(1)复合物亚基；(2)组装因子；(3)影响
mtDNA稳定性和表达的因子；(4)与呼吸链中除蛋
白质外其他物质合成有关的酶类；(5) 与电子传递
间接相关的蛋白。
1　呼吸链复合物I
复合物 I催化电子从 NADH转移到泛醌，是
电子进入呼吸链的入口。它由 45个亚基组成，其
中 7个亚基由 mtDNA编码，其余的 38个亚基由核
基因编码 [1]。人们已经对从牛心脏纯化获得的复合
物 I的亚基组成和拓扑学进行了大量的研究 [2]。通
过同源序列分析，人的复合物 I的核编码亚基也已
经得到了确定。哺乳动物的复合物 I 呈“L”型，
由两个互相垂直的臂组成：一个疏水臂嵌入线粒体
内膜，其中包含 mtDNA编码的亚基；另一个亲水
臂伸出到基质中 [3]。复合物 I由 3个功能模块组成，
其亚基组成已经通过部分收集实验确定 [3]：(1)脱
氢酶模块，使 NADH 氧化成 NAD+，至少包括
NDUFV1、NDUFV2和 NDUFS1亚基；(2)氢化酶
模块，将电子传递给泛醌，至少包括 NDUFS2、
NDUFS3、NDUFS7和 NDUFS8亚基；(3)质子转
位模块，这个模块组成了膜臂的大部分，至少包括
mtDNA编码的 7个 ND亚基 [4](图 1)。巨大的体积
和亚基数目以及一些全酶的辅基决定了复合物 I的
组装是一个非常复杂的过程，一些相关的细节还不
清楚 [4]。
大约 1/3的氧化磷酸化系统缺陷是由于复合物
I的缺陷引起的，因此复合物 I功能异常也是儿童
和成人线粒体疾病最普遍的病因 [3]。虽然这些疾病
的临床表现不尽相同，但大多数的婴儿患者都表现
出以下六种主要的临床表型：Leigh综合征、致死
性新生儿乳酸酸性中毒、新生儿心肌病、脑白质病、
单纯性肌病以及肝脏肾小管并发病。其余无法归类
的被统称为复合物 I缺陷引起的线粒体脑肌病 [3]。
在复合物 I缺陷引起的疾病中，大约 20%~40%
的病例已经查出致病性的突变，但大多数复合物 I
缺陷在遗传和分子水平还不明确。在目前已知的致
病基因 [5]中，有的与复合物 I组装以及稳定有关，
如 mtDNA 编码的亚基 ND1~6，核编码的亚基
NDUFS1、2、4、6、7、8，NDUFA1 和 NDUFV1，
以及核编码的组装蛋白 NDUFAF1、NDUFA12L和
C6ORF66[6]。考虑到复合物 I的复杂性，可能仍有
图1 人线粒体复合物I模块结构及其亚基组成图
生命科学 第23卷1044
许多未知的核编码蛋白参与到它的合成与组装中，
这些因子的任一突变都可能导致复合物 I缺陷和相
关疾病的发生。
1.1　复合物I的组装过程
目前关于复合物 I的组装过程已经提出了几个
模型 [4,6-9]。其中一个已经得到部分确定的模型，是
基于对不同遗传缺陷患者复合物组装中间体的亚基
分析得到的 [7,9]。在这个模型中，复合物 I的侧臂和
膜臂在分别完成组装之前就组合在一起 [8]。一个组
装早期的侧臂 (至少包括NDUFS2、NDUFS3、NDUFS7
和 NDUFS8)通过一个部分组装的包含 mtDNA编
码亚基 (至少包括ND1)的膜臂固定在膜上 [4]。接着，
膜臂展开，其余的侧臂亚基 NDUFV1、NDUFV2、
NDUFV3、NDUFS1、NDUFS4和 NDUFS6组装入
复合物，从而完成组装。NDUFAF1/CIA30可能在
复合物 I组装的早期阶段发挥作用，在亚基簇形成
侧臂尖端之前稳定相对分子质量约 830 000的复合
物中间体。组装完成后，NDUFA12L/B17.2L从复
合物上释放 [9-10](图 2)。
1.2　线粒体DNA编码的复合物I结构性亚基的突变
由于 ND1、ND4和 ND6的突变会引起酶水平
的显著下降，因此，它们对于复合物 I的组装至关
重要 [11-12]。临床上发现一个 Leigh综合征患者的
ND6基因发生一个错义突变 T14487C，使相应的蛋
白中第 63位高度保守的甲硫氨酸变成缬氨酸，因
此破坏了复合物 I的组装 [5]。更有意思的是，本研
究组在一个 ND6纯质性突变的小鼠细胞系中筛选
出一个能在半乳糖培养液中生长的自发回复突变的
细胞系。在这个回复突变细胞系中，尽管没有 ND6
蛋白合成，但复合物 I的其他亚基的组装都是正常
的，而且呼吸活动和膜电位也完全回复，这种回复
与核基因背景的变化有关 [13]。有研究发现核基因背
景的变化也可以回复 ND5突变导致的组装缺陷 [13]。
另外，ND2的突变会导致复合物 I中间产物的累积 [14]；
而 ND3和 ND5的突变虽然对酶活性有影响，但对
复合物 I的组装不是至关重要的 [11]。
1.3　核基因编码的复合物I结构性亚基的突变
结构亚基的异常往往导致组装中间体的累积。
例如 NDUFS2、NDUFS7和 NDUFS8亚基是组装
早期侧臂的组成部分，这解释了为什么它们的突
变会使完全组装的复合物 I的含量很低 [15]。同样，
NDUFS6、NDUFS1、NDUFS4和 NDUFV1亚基的
突变会引起一个相对分子质量约为 830 000的组装
中间体的累积。这些亚基在复合物 I组装的晚期发
挥作用，并且集中在侧臂的顶部，这就解释了为什
么这些亚基的突变会引起相同的组装缺陷 [4,9]。
1.4　核基因编码的复合物I组装因子的突变
组装因子指一些参与了复合物 I的组装，但并
不是复合物 I的最终结构组分的蛋白质分子，主要
包括 B17.2L (牛 )或NDUFA12L (人 )[16]、CIA30 (在
图2 人线粒体复合物I组装过程图
李红智，等：线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义第11期 1045
人类被称为 NDUFAF1[17])和 C6ORF66 [18]。另外，
凋亡诱导因子 (AIF)和胞浆蛋白 Ecsit也参与了复合
物 I的组装 [5-6,19]。
研究发现 NDUFAF1对于复合物 I的组装是必
需的，有报道在一个心脑病患者中发现一个
NDUFAF1的突变，患者体内复合物 I的水平下降 [17]。
免疫共沉淀实验表明，NDUFAF1/CIA30与一些复
合物 I的亚基存在特殊的相互作用 [17]。这些结果表
明，NDUFAF1/CIA30可能与复合物 I的中间体有
瞬时作用，但不与复合物 I全酶发生反应 [4]。
有报道称，在一个早期发作的进行性脑病患者
体内发现 NDUFA12L的一个突变体，这个突变完
全破坏了 NDUFA12L的合成，患者体内复合物 I的
组装明显受到了影响；而向患者的成纤维细胞中转
入 NDUFA12L的复合物 I的相关 cDNA，则回复了
复合物 I的组装能力 [20]。NDUFA12L/B17.2L的完
全缺失不会彻底地抑制复合物 I的组装 [16]，表明这
种蛋白的作用是稳定组装中间体并可能帮助一些特
定亚基进入这个中间体。
有报道对 5个有亲缘关系的婴儿线粒体脑病患
者进行研究，发现这些患者都存在严重的复合物 I
缺陷，而这些缺陷与 C6ORF66的一个纯合子突变
密切相关。患者肌肉线粒体的研究结果显示其复合
物 I的完全组装水平低，组装中间体积累，而在正
常人中没有发现组装中间体 [18]。导入外源性
C6ORF66则可以完全回复这种缺陷 [18]。
1.5　研究展望
事实上复合物 I的组装是一个在组装因子和超
级复合物协助下的，与蛋白质运输、mtDNA表达、
膜蛋白插入和稳定等密切相关的，可调节的相互影
响的过程。除了对人类复合物 I缺陷患者样品进行
研究外，遗传学分析也可以做为一个补充手段来分
离更多的组装因子。复合物 I中很多亚基的功能还
有待于进一步研究，尤其是那些从序列上看与复合
物 I的电子和质子传递功能没有直接关系的亚基。
此外，还要进一步研究复合物 I相关超级复合物的
形成及其组装因子。随着研究的不断深入和新的相
关组装因子的鉴定，有望在不久的将来解开复合物
I的组装之谜。
2　呼吸链复合物III
FADH2的电子从复合物 II经泛醌传递到复合物
III。复合物 III是一个结合非常紧密的二聚体。在哺
乳动物中，每个单体由 11个不同的结构亚基组成。
其中 3个亚基负责电子的转移：细胞色素 b (MTCYB)、
细胞色素 c1 (CYC1)和 ISP (RIP1, UQCRFS1)，又
被称为催化亚基。其他 8个亚基包括核心蛋白 I
(UQCRC1)、核心蛋白 II (UQCRC2)、亚基 6 (Qcr7p、
UQCRB)、亚基 7 (Qcr8p、UQCRQ)、亚基 8 (Qcr6p、
UQCRH)、亚基 10 (Qcr9p、UQCR10)、亚基 11 (Qcr10p、
UQCR11)和亚基 9 (酵母中无，基因序列未知 )，
这些亚基的功能还有待阐明。细胞色素 b 由
mtDNA编码，其余的亚基由核基因编码。
复合物 III的异常引起的临床表现多种多样，
但相对来说病例比较少见。其中大部分都是由于
MTCYB的突变引起的。
2.1　复合物III的组装过程
虽然酵母复合物 III比哺乳动物复合物 III少一
个亚基 (亚基 9)，但两者在结构上很相似，因此可
以使用酵母来研究哺乳动物复合物 III的组装过程。
Zara等 [21]提出一个新的模型，与先前的模型有部
分重叠，但对新的亚基组装进复合物中间体的过程
进行了详细的描述。在这个模型中，细胞色素 b与
Qcr7p和 Qcr8p亚基组成复合物组装核心固定在线
粒体内膜上，细胞色素 c1则在组装的早期阶段与
核心蛋白 I、核心蛋白 II发生相互作用。Zara等 [21]
认为这种以前从未提出过的相互作用可能是这三种
蛋白在所有酵母突变株中都紧密结合的分子基础。
组装核心与两个核心蛋白、细胞色素 c1以及 Qcr6p
组装在一起形成相对分子质量为 500 000的复合物
中间体后，再与 Qcr9p、Qcr10p和 RIP1结合。研
究结果还显示，在单体完成组装之前，单体之间的
二聚化就开始发生。另外，还有一个组装因子 (酵母：
Bcs1p；人：BCS1L)调节复合物 III的最终组装。
人的复合物 III组装模型与酵母的类似但略不同 (图
3) 。
2.2　复合物III结构亚基的突变
MTCYB的突变与很多疾病密切相关，如线粒
体脑病、脑肌病、心肌病等。然而，带有MTCYB
突变的大部分患者都出现 RRFs肌病。有趣的是，
MTCYB的突变与复合物 I和 III的并发缺陷有关，
这可能是因为突变危及活性超级复合物的形成。
2.3　核基因编码的复合物III组装因子BCS1L的突变
目前已经发现超过 20种的致病性BCS1L突变，
与多种临床表型有关：从 GRACILE综合征到先天
代谢性酸中毒、新生儿近曲肾小管病、肝功能障碍、
脑病 [23]或 Björnstad综合征 [24]。除 GRACILE综合
征患者外，所有 BCS1L突变患者的复合物 III活性
生命科学 第23卷1046
都有所降低。不同的临床表型可能与 BCS1L突变
涉及不同功能域有关，如当 ATP结合或水解结构域
发生突变时往往会导致比较严重的表型 [24]。
2.4　研究展望
复合物 III的错误组装以及功能失调是许多人
类疾病的病因所在 [23-24]。虽然近年来对复合物 III
的研究取得了一些进展，但还有一些问题没有得到
解答，如复合物 III组装时各亚基的组装顺序是怎
样的；线粒体基因组和核基因组是如何协调保证复
合物 III相关亚基的合成的；二聚化发生在组装的
什么时候；是不是 ISP调节着复合物的二聚化；组
装过程中，Cbp3p和 Cbp4p的作用是什么；除了与
ISP结合的作用外，Bcs1p在组装过程中是否还有
其他的作用。
3　呼吸链复合物IV
复合物 IV是呼吸链的最后一个酶，催化电子
从细胞色素 c转移到氧分子上。研究表明，哺乳动
物复合物 IV是一个由 13个亚基构成的异聚体，其
催化核心是 mtDNA编码的 MTCO1和 MTCO2亚
基，负责电子的传递 [25]；另外一个 mtDNA编码的
MTCO3 亚基是结构中心的一部分，可能在质子
泵的形成中起作用；其余的 10个亚基 (COX4、
COX5A、COX5B、COX6A、COX6B、COX6C、
COX7A、COX7B、COX7C和 COX8)由核基因编码，
但是必须在 mtDNA编码的亚基的帮助下一起运输、
加工和组装。这些核基因编码的亚基的功能现在并
不是很清楚，可能起着调节和稳定的作用。
复合物 IV功能缺陷是人类常见的一种呼吸链
疾病，而且由于遗传原因不同有不同的临床表现。
3.1　复合物IV的组装过程
复合物 IV组装时，MTCO1首先插入线粒体
内膜，形成组装中间体 S1。 随后，在 COX10和
COX15介导下，COX4和 COX5A亚基与 S1结合，
形成组装中间体 S2。SURF1对于 MTCO2插入到
S2上起一定作用。MTCO2结合到 S2后，其余大
部分复合物 IV亚基也迅速结合到 S2上，形成 S3
组装中间体。S3是一种已经接近完成的复合物前体。
S2到 S3的形成始于MTCO3的插入，这在MTCO3
基因缺失的细胞中得到证明。在这种细胞中缺
乏完全组装的复合物 IV，并且 MTCO1-COX4-
COX5A-MTCO2中间体会积累 [26]。随着 COX6A、
COX7A/7B和 COX6B亚基的加入，S4单体完成组
装 [22](图 4)，随后，复合物 IV开始二聚化。最近，
Fornuskova等 [27]提出另一种哺乳动物 CIV组装的
模型，与上述过程类似，但略有不同。
3.2　复合物IV结构亚基的突变
与 mtDNA编码的 3个亚基突变相关的病例报
道很少，但是这些突变都对复合物 IV的组装与稳
定有影响。这些突变与一系列的疾病表型相关，包
括单纯线粒体肌病、MELAS综合征、线粒体脑肌
病等。
图3 人线粒体复合物III组装过程图(根据Fernández-Vizarra等[22]修改)
李红智，等：线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义第11期 1047
在最初的研究中，人们一直没有找到核基因编
码的复合物 IV亚基突变，因此，有推测认为这些
亚基的突变有可能是胚胎致死性的 [28]。Zeviani课
题组在两例线粒体脑肌病患者中鉴定了广泛表达的
COX6B1的一个致病突变，但并未出现复合物 IV
的功能缺陷 [22]。本研究组利用 RNA干扰技术抑制
核基因编码的 COX4的表达，建立了一系列小鼠
A9细胞株，使 COX4表达水平下降了 86%~94%。
对几个 A9细胞株的生物合成和功能的详细分析表
明，COX4表达的下降会导致复合物 IV组装失败 [29]。
3.3　核基因编码的复合物IV组装因子的突变
在酵母中，复合物 IV的合成需要大约 20种核
基因编码的辅助蛋白，这些蛋白在组装的不同阶段
发挥作用 [26]。超过一半的组装因子在人类的同源物
是已知的。
已报道的 SURF1基因致病突变有 40多种，这
些突变均会导致特定的临床表现，比如复合物 IV
缺陷导致的 Leigh综合征 [30]。已知的 Surf1突变都会
导致成熟组装的复合物 IV明显减少以及组装中间
体 S1 (MTCO1)和 S2 (MTCO1-COX4-COX5A)的积
累。尽管 SURF1的具体功能尚不清楚，但 S1和 S2
的积累提示 SURF1可能在复合物 IV的组装早期发
挥作用，很可能是在MTCO2组装入 S2之前。目前
已经得到 SURF1基因敲除或低表达的小鼠、果蝇和
鱼 [31-33]。在果蝇和鱼中降低 Surf1的表达引起复合
物 IV功能缺陷导致发育障碍及神经系统病变 [32-33]。
COX10的突变会导致脑白质营养不良和肾小
管病、Leigh综合征或致死性婴儿肥厚性心肌病。
COX15的突变会导致 Leigh综合征或致死性婴儿肥
厚性心肌病。在 COX10或 COX15缺陷的人细胞和
COX10敲除的小鼠细胞中，复合物 IV全酶的含量
很低，而且检测不到组装中间体 [34-35]。
SCO1的突变可能会引起新生儿肝病和酮酸中
毒所致的昏迷，SCO2的突变可能会引起婴儿心肌
病。人类 SCO1和 SCO2的缺陷会导致严重的复合
物 IV功能缺陷，引起新生儿早夭 [36-38]。在 SCO1
和 SCO2缺陷的细胞株中，完全组装的复合物 IV
量减少，而含有 MTCO1、COX4和 COX5A的组
图4 人线粒体复合物IV组装过程图
生命科学 第23卷1048
装中间体大量积累。
LRPPRC是一种维持MTCO1和MTCO2 mRNA
稳定的因子，其突变会引起复合物 IV缺陷，导致
法国、加拿大 Leigh综合征 (LSFC)[30]。
3.4　研究展望
在复合物 IV组装过程中，mtDNA编码亚基的
表达、核基因编码亚基的表达和运输、结构性亚基
插入线粒体内膜、辅基加入组装全酶、二聚体的形
成和超级复合物的装配，这些过程都受核基因和线
粒体基因的联合调控。目前已经发现复合物 IV组
装早期需要 mtDNA编码的 CO1和 CO2亚基，但
还不清楚之后的组装过程中，核基因编码亚基是如
何进入复合物并发挥作用的 [39]。近来，线粒体蛋白
质组学研究发现很多功能未知的蛋白质可能参与了
呼吸链复合物的组装与调控。现有的研究成果为将
来进一步揭示复合物 IV合成组装机制奠定了坚实
的基础。
4　超级复合物
4.1　超级复合物的结构及其病理意义
呼吸链 (至少部分呼吸链 )是呼吸链复合物互相
作用形成的超分子复合体，即所谓的呼吸复合体 [40]。
在哺乳动物的线粒体中，几乎所有的复合物 I都会
组合到超级复合物中，这种超级复合物包括复合
物 I、复合物 III二聚体和多达 4个的复合物 IV
(I1III2IV0–4)。从牛心脏线粒体中发现了一个组成为
I1III2IV1的超级复合物，并且通过电子显微镜确定
了它的三维结构 [41-43]。这些超级复合物的相关功能
还不清楚。但是，超级复合物的组装很可能是呼吸
活动所必需的，在复合物 III和 IV缺陷细胞的杂交
细胞中，能否形成足够的呼吸复合体成为两种细胞
能不能完成功能互补的关键 [44]。
研究表明，MTCYB突变细胞不能组装复合物
III，也检测不到复合物 I的活性；在复合物 IV组
装减弱的细胞中，复合物 I的活性也检测不到。这
些结果表明与超级复合物的结合对于复合物 I维持
稳定至关重要 [45-46]。因此，能够抑制复合物 III合
成的基因突变会削弱复合物 I的组装和稳定性，患
者会表现出复合物 I和 III的双重功能缺陷。另外，
抑制复合物 I活性的 NDUFS4亚基突变也会影响复
合物 III的活性，进一步表明复合物 I和 III之间存
在相互作用。在一些临床病例中发现，甚至没有完
全组装的复合物 I和 III也能形成超级复合物 [47]。
相对分子质量为 830 000的复合物 I组装中间体也
能与复合物 III作用 [9]。BCS1L突变造成的缺少
UQCRFS1 (ubiquinol-cytochrome c reductase, Rieske
iron-sulfur polypeptide 1)的无功能的复合物 III前体
也能与复合物 IV和 I相互作用 [23-24]。这些结果表明，
影响复合物 I稳定性的是复合物 III的结构存在与
否，而不是其活性。因此，没有完成最后组装的复
合物 III二聚体足以保证复合物 I的组装，这解释
了 BCS1L突变的患者为什么只有复合物 III功能缺
陷。外周动脉硬化患者的复合物 I和 III的活性都
会下降，而原发性帕金森症患者也会同时表现为复
合物 I和 IV的缺失。乳酸酸中毒患者的复合物 I和
IV的生物活性都会下降，成神经瘤细胞复合物 I和
IV的生物活性同时受到了抑制。 对呼吸链超级复
合物结构和功能的研究可能有助于治疗那些复合物
双重缺陷导致的疾病 [43, 48]。
4.2　超级复合物的组装
与最初的观测 [42]不同，超级复合物不仅包括
复合物 I、III和 IV，还包括复合物 II [49-50]。另外，
在超级复合物中发现复合物 V，这一现象也很有意
思 [49]。已经发现了许多不同复合物组合的超级复合
物 ( 如 I-II-III-IV、I-III-IV 和 I-III-V)( 图 5)，其复
合物的组成可能随不同组织类型或者细胞产能需要
而变化 [49,51]。目前观察到的现象是既存在单个复合
物，又存在不同的复合物组合。在复合物独立模型
中，大部分复合物 IV和 II以及一定比例的复合物
III在细胞内是独立的，并且能够自由地移动到线粒
体内膜。而在复合物组合模型中，大部分复合物 I
与复合物 III，或者与复合物 III和 V，或者与复合
物 II、III、IV ，或者与复合物 III和 IV相结合 [49]。
在不同的生理状态和细胞种类中，复合物和超级复
合物的比例会有所改变，如果这是自然发生的，将
有助于解释电子传递链活动的动态性。
4.3　研究展望
线粒体氧化磷酸化系统的 5种复合物都能从有
活性的超级复合物中分离到。现在可以肯定的是超
级复合物确实存在，并且以此形式发挥功能。
一个有待于进一步研究的问题是超级复合物以
怎样的过程组装、组装过程中需要哪些组装因子，
这在技术上目前还是个挑战。
超级复合物的组织特异性调控和动态过程调控
是另一个亟需解决的问题。已观察到在不同的细胞
种类和生理状态下，呼吸链的结构有差异，但到目
前为止还没有任何一个假说能解释这种结果。呼吸
链的结构比以上两个超级复合物模型更加复杂多
李红智，等：线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义第11期 1049
变，因此细胞可以通过超级复合物在结构和功能上
的多种可选择方式来完成复杂多变的代谢过程。
超级复合物组装缺陷及相关调控缺陷与人类衰
老及各种线粒体疾病 (如肿瘤 )的关系是人们关注
的重点。弄清这些问题应该很有意义，我们期待在
相关领域出现新的突破。
[参　考　文　献]
[1] Carroll J, Fearnley IM, Skehel JM, et al. Bovine complex
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为简要起见，图中除复合物III以二聚体形式标出外，其余复合物组件均以单体标示。实际上复合物IV的数目可能从1～4不
等，复合物V亦可能以单体、二聚体或同源多聚体存在。
图5 线粒体呼吸链超级复合物组装模型
生命科学 第23卷1050
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