Ehsaneh Khodadadi | Bingwei Lu
斯坦福大学医学院病理学系，R270 Edwards大楼，300 Pasteur Drive，斯坦福，加利福尼亚州94305，美国
**摘要**
线粒体复合物I（MCI）是电子传递链中最大的酶，催化NADH的氧化、泛醌的还原以及质子穿过内膜（IMM）的转移。除了通过氧化磷酸化（OxPhos）驱动ATP合成外，MCI还是一种动态的氧化还原调节器，将双向催化与氧化还原信号传导耦合在一起。MCI既能进行正向电子传递（FET），也能进行反向电子传递（RET）。虽然正向电子传递对于OxPhos和ATP合成至关重要，但反向电子传递则是在高膜电位和泛醇池的驱动下，将电子从泛醇转移至NAD+并产生过多的活性氧（ROS）。MCI产生的ROS和NAD+/NADH的变化作为生理调节信号，参与缺氧感知、免疫激活和干细胞代谢，但在缺血-再灌注、癌症、神经退行性和衰老等病理过程中，这些变化也可能导致病变。最近的冷冻电镜结构、时间分辨研究以及多尺度分子动力学（MD）模拟提供了MCI结构和运行机制的近乎原子级别的了解。本文从氧化还原的角度回顾了这些进展，将MCI视为一个在空间有序的线粒体网络中的动态氧化还原调节器，旨在提供一个统一的框架，以理解定向电子传递、质子转移和氧化还原信号传导在線粒体生物学中的相互作用。
**引言**
线粒体呼吸链复合体I（MCI，或NADH: 泛醌氧化还原酶）是连接代谢、氧化还原平衡和生物能量的关键节点（Okoye等人，2023年）。作为电子传递链（ETC）中的第一个复合体，MCI促进了NADH向泛醌的正向电子传递，并将这一反应与质子从线粒体基质泵送到膜间隙的过程耦合起来（Sazanov，2015年）。在此过程中，MCI在维持线粒体氧化还原状态以及产生用于ATP生产和维持生物能量平衡的电化学梯度（Δp）方面发挥着重要作用（Dröse等人，2016年）。最近的研究还表明，MCI是一种多功能的氧化还原传感器/信号节点，可通过其双向活性调节ROS的产生（Scialò等人，2017年）。
**冷冻电镜、时间分辨结构生物学方法及多尺度分子动力学研究的最新进展**
冷冻电镜（cryo-EM）、时间分辨结构生物学方法（如能够捕获瞬态和短暂构象状态的方法）以及多尺度计算建模的发展，使我们不再将MCI视为一个静态的L形结构，而是一个高度协调的氧化还原驱动的机器（Guaita等人，2022年；Mäeots & Enchev，2022年）。细菌和哺乳动物系统中的近乎原子分辨率结构揭示了黄素和铁-硫（Fe–S）氧化还原链的组织方式、约30–35 Å长的醌隧道的结构，以及嵌入在反转运蛋白样膜亚基中的静电对称性（Maio & Rouault，2015年）。这些结构洞察，结合分子动力学（MD）和量子力学/分子力学（QM/MM）模拟，提出了一种机制框架：醌的还原会引发远距离静电扰动，这些扰动可以传播近200 Å到达远端的质子加载位点（Kim等人，2023年）。然而，一些重要的机制问题仍未得到解答，尤其是尽管两者都具有Fe–S簇网络和ETC结构，但究竟是什么因素区分了FET和RET。过去十年中的一个重要发现是MCI也可以反向工作（Y.-S. Chen等人，2025年）。当膜电位较高且泛醇池处于高度还原状态时，电子会受到热力学驱动从泛醇转移到NAD+，这一过程被称为反向电子传递（RET）（Bao等人，2025年）。RET曾被认为是体外实验中的偶然现象，但现在被认为是生物能量学中的一个受生理调控的机制，会在黄素位点和醌结合位点产生局部ROS（Andreyev等人，2015年）。RET作为适应性信号机制和病理过程启动器的双重角色，凸显了对氧化还原、质子泵送和电场协调机制的理解需求。
**膜界面的生物能量学**
由于理论和计算方法的进步，对膜界面生物能量学的理解也需要重新审视（Hardy & Curnow，2024年）。考虑膜脂质组成、曲率、超复合体组织和细胞器整体异质性的建模研究表明，电子传递的控制和效率与空间组织密切相关（Marrink等人，2019年）。膜组织和脂质组成还会影响醌的扩散和RET的敏感性（Galemou Yoga等人，2021年）。本文综合了最近的结构学、生化、计算和生理学数据，提出了以氧化还原为中心的MCI视图。首先讨论了其进化上保守的结构模块性、组装和超分子组织，然后总结了关于FET和RET的实验和计算发现，重点介绍了MCI膜臂内部的醌中心PCET和远距离静电相互作用。
**MCI的结构、组装和超分子组织**
MCI由许多亚基组成，作为一个单一的膜结合复合体发挥作用。它将线粒体基质中的氧化还原反应与质子穿过内膜的过程耦合起来。现在已经为多种物种确定了近原子分辨率的冷冻电镜结构和整个酶的模型（Agip等人，2018年，2023年；Kolata & Efremov，2021年，2021年；Maldonado等人，2020年；Padavannil等人，2023年；Parey等人，2018年），提供了这种保守酶前所未有的结构细节。
**FET和RET的生化和生物物理学研究**
除了将NADH的氧化与泛醌的还原和质子转移耦合在一起生成质子动力外，通过MCI的电子传递还会产生线粒体ROS。电子在MCI的FMN和Q结合位点、复合物III的Qo位点（在某些情况下也包括复合物II）逃逸至氧气，可能导致超氧阴离子（O2•-）的产生（Nolfi-Donegan等人，2020年）。当NADH/NAD+比例较高或泛醇池丰富时，这种现象尤为明显。
**醌结合及氧化还原耦合构象动力学的研究**
高分辨率冷冻电镜结构揭示了醌隧道的静态结构和氧化还原核心，但未能直接捕捉到醌的结合动态、迁移过程及氧化还原耦合的构象动态。分子动力学模拟提供了关于瞬态相互作用、水合重排、氧化还原状态依赖的移动性以及仅通过结构快照无法获得的替代醌结合方式的原子级见解。
**MCI中的氧化还原控制质子传递和远距离PCET**
从机制上讲，MCI通过将外围域中的醌化学反应与膜臂上的质子转移联系起来，实现氧化还原能量与质子泵送的耦合（Sharma等人，2015年）。要理解这种远距离耦合的实现机制，需要结合电子传递、质子化平衡、水合动态和膜电位的结构、计算和功能知识。
**MCI中电子传递的物理和计算模型**
对MCI及相关氧化还原系统中电子传递的完整描述需要考虑量子隧穿、氧化还原能量学、蛋白质静电学和构象运动。第2节“MCI的结构、组装和超分子组织”和第3节“FET和RET的生化和生物物理学研究”以及第4节“醌结合及氧化还原耦合构象动力学”讨论了电子传递如何在氧化还原中心网络（NADH: FMN位点、Fe–S簇网络）上发生。
**小分子抑制剂作为MCI结构/功能的机制探针**
针对MCI的小分子抑制剂已从单纯的毒理学研究发展到复杂的MCI结构探针，例如复杂的醌通道。由于FET和RET都依赖于醌的结合、氧化还原循环以及通过长而可变隧道的传递，结构明确的抑制剂提供了一种独特的实验方法来确定通道结构如何影响功能。此前已有许多关于复合体I抑制剂的文献（Murai & Miyoshi，…）。
**电子传递的方向性作为受控的生理过程：来自MCI氧化还原信号的启示**
当泛醇池高度还原且ΔΨm足够高时，电子会反向通过MCI流动，导致NAD+还原为NADH并在FMN和Q结合位点产生ROS。最初被认为是体外现象的RET过程，现在被认为是一种受生理调控的信号事件，其失调会导致神经退行性病变、缺血-再灌注损伤、炎症、癌症和衰老（Bao等人，2025年；Ojha等人，2022年；Peruzzotti-Jametti，…）。
**对MCI功能障碍的结构洞察**
高分辨率冷冻电镜的出现从根本上重塑了我们对MCI功能障碍的理解。首个哺乳动物冷冻电镜结构揭示了该酶的整体L形结构（Vinothkumar等人，2014年），后续的精细研究完成了亚基和辅因子的鉴定（Fiedorczuk等人，2016年；Zhu等人，2016年）。进一步对生物化学定义的活性和非活性状态的结构表征（Agip等人，2018年；Blaza等人，2018年）表明了MCI的…
**下一代综合和多尺度计算策略用于研究MCI生物学**
尽管现在可以获得MCI的原子级图像，但未来的研究仍需聚焦于将机制假设置于真实线粒体环境中的计算模型。令人鼓舞的是，新的综合方法包括细胞器尺度建模、多尺度膜重建、脂质-蛋白质模拟和数据驱动的混合模型。这些技术共同指出了从结构到组织再到功能的研究路径，并允许进行预测。
**结论**
该领域已从将MCI视为进入ETC的刚性门户发展到将其看作一个灵活的、受氧化还原调节的引擎，协调电子传递、质子泵送、膜静电和信号传导。主要的结构里程碑包括揭示了保守的L形结构、线性的FMN–Fe–S氧化还原途径、延长的醌隧道以及可移动的反转运蛋白样膜区域。同时，生化重组、定点突变等技术也促进了研究进展。
**透明度文档**
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**作者贡献声明**
Bingwei Lu：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
Ehsaneh Khodadadi：撰写——原始草稿、概念化。
**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。
**致谢**
本研究得到了NIH（R01NS084412、R01AG089752和R37NS083417资助（资助给B.L）的支持。
