《細(xì)胞研究》雜志日前發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，有望推翻教科書(shū)上的結(jié)論。論文顯示，生物體呼吸鏈中的第4個(gè)成員——復(fù)合物4的實(shí)際結(jié)構(gòu)和科學(xué)家歷經(jīng)多年探究繪制而成的并不一樣。

呼吸鏈，顧名思義，與呼吸有關(guān)，完成著生命活動(dòng)中至關(guān)重要的部分。每人每天呼吸將近27000次，吸入氧氣，呼出二氧化碳的同時(shí)，有機(jī)物分解釋放能量，而氧氣在體內(nèi)變成水。呼吸通過(guò)氧氣與二氧化碳的置換，完成支撐生命的氧化還原反應(yīng)。微觀(guān)地看，這個(gè)普遍卻性命攸關(guān)的化學(xué)反應(yīng)正是發(fā)生在體內(nèi)的呼吸鏈上。

走進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)稱(chēng)為線(xiàn)粒體的細(xì)胞器，在它的內(nèi)膜上鑲嵌著完成生命化學(xué)反應(yīng)的諸多蛋白質(zhì)。一系列的“電子傳遞接鏈”蛋白復(fù)合物組成了呼吸鏈，將電子從鏈的一頭遞送到另一頭，最終電子傳遞給氧氣的變成水。這條重要的“鏈”環(huán)環(huán)相扣，即使稍微出現(xiàn)差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，甚至導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病，例如老年癡呆癥。

論文通訊作者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授楊茂君表示，越清晰地了解蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，越能夠參透生命體的運(yùn)轉(zhuǎn)?！翱梢悦鞔_知道哪個(gè)原子出了問(wèn)題，并設(shè)計(jì)藥物有的放矢地干預(yù)，以達(dá)到治療效果?！?/p>

蛋白質(zhì)機(jī)器干活、失活兩個(gè)樣兒

呼吸鏈掌管著呼吸作用的最基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，這條鏈包含上百種組分，包括5個(gè)復(fù)合物、細(xì)胞色素C等。

這是一座有條不紊的蛋白質(zhì)工廠(chǎng)，每個(gè)復(fù)合物可以看成是固定在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上的一條流水線(xiàn)，通過(guò)自身構(gòu)象的變化推動(dòng)電子在其上流動(dòng)。

“每個(gè)復(fù)合物由多個(gè)不同亞基組成，亞基間的相互作用力與蛋白構(gòu)象密切相關(guān)，歷史上有過(guò)一段時(shí)間，只要解析出單個(gè)亞基或者幾個(gè)亞基的結(jié)構(gòu)，論文就可以上頂級(jí)雜志?！睏蠲f(shuō)。

困難在于，蛋白質(zhì)機(jī)器在干活的時(shí)候是一個(gè)樣兒，而將它從體內(nèi)提取出來(lái)，失活的時(shí)候又是另一個(gè)樣兒了。而人們卻難以在蛋白質(zhì)“工廠(chǎng)”為生命活動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)觀(guān)察它。

把復(fù)合物從生物體中通過(guò)破解細(xì)胞、提取蛋白并分離純化后，再進(jìn)行光學(xué)領(lǐng)域的觀(guān)測(cè)，是目前常用的研究手段。隨著X射線(xiàn)晶體學(xué)、冷凍電鏡等重要觀(guān)測(cè)手段的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)生物學(xué)得以長(zhǎng)足發(fā)展，人們可以直接獲得蛋白質(zhì)晶體的構(gòu)象圖片。然而，對(duì)于一系列的圖像，人們的理解可能并不相同。只有能夠解釋所有現(xiàn)象的理論，才與真相相符。

揭開(kāi)二聚體界面上的“未知”

“自從二十多年前首次解析了復(fù)合物4結(jié)構(gòu)之后，科學(xué)家們先后解析了四十幾個(gè)復(fù)合物4的晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)一例外所有晶體結(jié)構(gòu)中復(fù)合物4都是13+13的二聚體?！睏蠲f(shuō)人們認(rèn)為復(fù)合物4的結(jié)構(gòu)是由13個(gè)亞基組成單體，再由兩個(gè)單體組成二聚體。

然而，“在我們純化超級(jí)復(fù)合物的時(shí)候，總有一些復(fù)合物4會(huì)從超級(jí)復(fù)合物中解離，并在蛋白膠（一種分離蛋白的膠體）上復(fù)合物單體的位置出現(xiàn)?！睏蠲f(shuō)，這與人們對(duì)于復(fù)合物4一直以來(lái)的認(rèn)識(shí)是不同的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不符讓楊茂君決定一探究竟。他發(fā)現(xiàn)，此前關(guān)于復(fù)合物4的解析存在一個(gè)明顯的時(shí)間“分水嶺”，近期解析的超級(jí)復(fù)合物中，所有的復(fù)合物4又都是單體。楊茂君解釋?zhuān)@是因?yàn)橛^(guān)測(cè)方法發(fā)生了變化，之前一直使用X射線(xiàn)衍射方法來(lái)測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)，而后隨著冷凍電鏡手段的發(fā)展，人們轉(zhuǎn)換了測(cè)定方法。

既然不同的實(shí)驗(yàn)手段會(huì)得到不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，那么它在體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)究竟是什么樣子呢？

獲得答案必須追本溯源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一切理論的源頭。楊茂君決定專(zhuān)門(mén)純化復(fù)合物4。歷時(shí)半個(gè)月，該團(tuán)隊(duì)獲得高分辨率的復(fù)合物4結(jié)構(gòu)?！澳玫矫芏葓D之后，我仔細(xì)分析了各個(gè)亞基的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)13個(gè)亞基都吻合匹配，只是在原來(lái)認(rèn)為結(jié)合另一個(gè)復(fù)合物4形成二聚體的界面上存在一團(tuán)‘未知’?！?/p>

他發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)學(xué)術(shù)界爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于：復(fù)合物4到底是2×13個(gè)亞基還是14個(gè)亞基。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于一個(gè)被稱(chēng)為NDUFA4的亞基，此前認(rèn)為這個(gè)亞基是復(fù)合物1的一個(gè)亞基，然而隨著研究的深入，這個(gè)亞基卻經(jīng)常跟復(fù)合物4一起被純化出來(lái)。

這團(tuán)“未知”是不是正好是人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)——亞基NDUFA4呢？“我立刻做了一個(gè)模型，進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)匹配吻合，那團(tuán)‘未知’正是亞基NDUFA4?！睏蠲f(shuō)。

糾錯(cuò)的底氣來(lái)自扎實(shí)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這出“張冠李戴”的戲碼為什么會(huì)發(fā)生？13個(gè)亞基為什么會(huì)拋下單獨(dú)的亞基NDUFA4相互“連體”呢？

“我們發(fā)現(xiàn)，NDUFA4亞基之所以‘行蹤不定’，是因?yàn)橐酝兓瘡?fù)合物4時(shí)會(huì)加入一種超強(qiáng)的去垢劑，而這種去垢劑可以把一個(gè)穩(wěn)定結(jié)合在復(fù)合物4蛋白中的心磷脂拽下來(lái)?！睏蠲忉?zhuān)@個(gè)心磷脂恰恰又對(duì)NDUFA4的結(jié)合至關(guān)重要。

更巧合的是，這個(gè)“愛(ài)逃跑”的亞基結(jié)合的界面又是一個(gè)關(guān)鍵界面，它存在的時(shí)候，阻止了13個(gè)亞基的復(fù)合物“連體”，它被拽下后，讓出了位置，使得二聚體出現(xiàn)。

至此，人們對(duì)于復(fù)合物4的“誤解”終于揭開(kāi)謎底?！罢_的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠讓我們更加清晰的了解電子傳遞的路徑?！睏蠲f(shuō)，在復(fù)合物4的反應(yīng)中心，氧氣生成了水，同時(shí)另一部分質(zhì)子（H+）直接被泵入線(xiàn)粒體膜間隙中留作它用。

事實(shí)上，遠(yuǎn)在論文發(fā)表前幾年，楊茂君就明確了復(fù)合物4的結(jié)構(gòu)。面對(duì)論文為什么會(huì)晚發(fā)表的問(wèn)題，楊茂君回答，“我們要通過(guò)全面的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證它是對(duì)的，畢竟這個(gè)理論已經(jīng)主導(dǎo)了學(xué)界20多年，我們提出全新的觀(guān)點(diǎn)必須做到嚴(yán)謹(jǐn)。”

楊茂君認(rèn)為，原始創(chuàng)新的第一步很可能是科學(xué)研究中的“反常”。如同福爾摩斯用敏銳的觀(guān)察力斷案，科學(xué)家要對(duì)“反?！敝畜w現(xiàn)的真理有敏銳的觸感。

“遇到與理論相悖的實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)先從自身找原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)重復(fù)、再重復(fù)。如果結(jié)果依然，再努力證明所看到的反?，F(xiàn)象是對(duì)的?！睏蠲f(shuō)，實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)是，即便得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常符合預(yù)期，也要至少重復(fù)三次，以保證結(jié)果是對(duì)的。也正是這些扎實(shí)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給了楊茂君團(tuán)隊(duì)對(duì)教科書(shū)說(shuō)“不”的底氣。（記者 張佳星）