自 从地球上各种生命开始利用分子氧来高效供能以来，它们就不得不面对由此而产生的有害副产品。活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）主要在线粒体中形成，对细胞组分会造成氧化损伤，并与多种病理状态密切相关，如肿瘤、糖尿病、阿尔茨海默病以及细胞死亡和衰老。 然而，生命总是充满了智慧。为了最大程度地降低氧化压力，细胞形成了中和ROS的防御机制。近期的《科学》上，Leung等报告了烟酰胺核苷酸转氢酶 （nicotinamide nucleotide transhydrogenase，TH）的晶体结构，而它正是细胞防御ROS的关键酶。

在线粒体有氧呼吸过程中，电子流入分子氧形成活性超氧阴离子（reactive superoxide anion，O2–）。而线粒体ROS防御系统将O2–转化成过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2）（见图1）。随后H2O2被 过氧化物酶[该酶以还原型谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)为底物]解毒变成了水。高水平GSH的维持需要谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR），该酶依赖于还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH；也称还原型辅酶II），由此引出了我们的“主人公”TH，因为TH 是线粒体中NADPH的主要贡献者。TH存在于动物线粒体内膜以及许多细菌的胞膜中。在正常的生理条件下，TH既介导了还原型NAD（NADH，又称还原 型辅酶I）与NAD磷酸（NADP+）之间的氢负离子转移，又肩负着质子的跨膜转运（见图1）。因此，TH介导产生的NADPH与有氧呼吸效率直接相关， 也与ROS的产生相关。

自从四十多年前发现TH以 来，它的主要生理作用一直被认为是负责线粒体内NADPH的产生。直到2005年，Arkblad等获得的直接证据表明，TH的确参与了ROS防御。他们 发现，敲除TH的秀丽隐杆线虫相比于野生型对氧化压力更加敏感。大约在同时，Toye等也证实了TH与糖尿病之间的联系，他们发现，C57BL/6J鼠 （一种小鼠品系）出现了葡萄糖耐受不良和胰岛素分泌受损，其主要原因是TH表达水平下降。

TH酶形成的是同型二聚体， 两边都由3个结构域组成：1个膜整合结构域（domain II，dII）和2个伸入线粒体内（动物）或胞质（细菌）的可溶性结构域（dI和dIII）。这两个可溶性结构域分别与NAD(H)（dI）和 NADP(H)（dIII）相结合。这些结构域的晶体结构使dI和dIII间氢负离子的转移机制得以阐明，但由于dII结构域的晶体结构尚缺失，因此其完 整机制目前仍难以明确。尤为关键的是，TH是如何集氢负离子转移与质子跨膜转运于一身的。而且，难以想象dIII结构域是如何“安身”在二聚体中而没有发 生空间碰撞的。

Leung等的研究解决了所 有这些问题。Leung等利用嗜热菌（Thermus thermophilus）阐明了整个TH酶的晶体结构，包括dII结构域、dI二聚体以及2个dI结构域和1个dIII结构域组成的不对称复合体的晶体 结构。他们的研究结果使我们得以一窥TH酶是如何发挥作用的。

TH的完整结构是一个高度不 对称的二聚体。研究人员惊讶地发现，TH二聚体中2个dIII结构域在方向上互相颠倒；这样的方向使得dIII结构域的NADP(H)结合位点更加接近质 子通道的出口。从低温冷冻电子显微镜的数据来看，这一结构域是高度易变的。虽然确切的共轭机制仍有待阐明，但能够确定的是，dIII结构域在两种高度不同 的结构状态间“穿梭变化”，互为180°旋转。在其中一个结构状态下，NADP(H)结合位点靠近质子出口位点；在另一个状态下，结合位点被封闭，并且与 dI结构域中的NAD(H)密切接触，从而实现氢负离子转移。需要注意的是，这两种状态不能同时存在于二聚体中，所以两个过程（氢负离子转移与质子跨膜转 运）是交替进行的。

科 学家们自然会有兴趣将TH与其他在构象上共轭的质子泵进行比较，比如目前已经被研究得非常透彻的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成酶。这两种酶都是利用质子动力势（proton-motive force）为垂直旋转提供能量，从而合成重要的生物分子。而且，这两种酶都利用了依赖于蛋白质不对称性的结合变构机制。一些次要的转运体也依赖于质子动 力势，如主要协助转运蛋白超家族中的质子驱动糖转运蛋白。在这些例子中，虽然构象改变是蛋白功能的核心，但这并不包括旋转运动。相反，这种180°旋转的 构象改变构成了“交替开放”的基础，在这个模型中，底物结合位点在膜的两边轮流“切换”。

有趣的是，TH的dIII结 构域能够进行180°旋转，并且能够在质子泵和氢负离子转移两种角色间转换（见图2），完美融合了旋转和交替开放模型两种特性。由于TH的构象整合了质子 泵和氧化还原两个方面，因此它和线粒体复合物I有一些相似之处。复合物I与有氧呼吸链中的其他成员一起，通过跨线粒体内膜的质子泵作用负责建立质子梯度。 所建立的质子梯度为TH和ATP合成酶提供了能量，从而结束整个循环（见图1）。

在距TH最初被发现四十多年 后的今天，我们终于确定了它的完整结构。这一发现，在我们理解重要细胞机制的历史中，又添上了浓墨重彩的一笔，激励着我们继续探索更加诱人的分子机制。 TH完美利用了可溶性结构域（dIII）在质子驱动下的旋转，为另两个结构域提供了交替开放的可能，赋予了其在质子泵和氢负离子转移两种功能上的转换能 力。TH二聚体的两个单体就像一对夫妻，分工明确，互相轮换。好一个“你拉琴来我浇花”（见图2）。

TH晶体结构的发现至少让我们懂得一个道理：想要有效管理压力（不只是氧化压力），与另一半分担会更好。

（作者：赵永刚、白蕊)

参考文献：Science 2015;347:125-126