线粒体复合物 I 中的量子传输受保守结构瓶颈控制

线粒体复合体 I 中的电子传递由一系列氧化还原中心介导，然而，除经典通路之外，电子如何穿越这一网络仍不清楚。尽管已有模型将传递视为一个序贯过程，但它们并未阐明替代通路是否对功能性电子流作出贡献。在此，我们将电子传递表述为结构导出的氧化还原网络上的连续时间量子游走，并系统绘制了跨物种的、由量子游走动力学推断得到的通路层级电子通量图谱。 我们鉴定出位于 N5–N6a 界面的一个保守结构瓶颈，该瓶颈抑制了直接电子转移。引人注目的是，量子游走通量分析表明，这一瓶颈并非仅仅限制传递，而是能够将电子通量重新分配至由氨基酸残基介导的替代通路中。在不同物种中，这些替代路径承载了可观的通量，并且在若干情况下可与经典直接通路相当，甚至超过后者，这表明存在一种保守的通路层级通量重分配机制。 这种行为源于编码于蛋白质结构中的几何约束，并且在环境退相干条件下仍然持续存在，这表明体系架构所支配的不仅是传递效率，还有网络内部电子流的组织方式。综合而言，我们的研究结果提示，复合体 I 中的电子传递具有一种网络层级的组织形式，其中，结构编码的瓶颈通过替代通路重塑通量，这与蛋白质几何构型与量子传输行为之间存在结构编码联系的观点相一致。我们注意到，以瓶颈主导和通量重分配为特征的观察结果并不彼此矛盾：对直接 N5–N6a 步骤的抑制，恰恰正是将振幅重定向至并行的、由残基介导路径中的原因。

线粒体复合体 I 中的电子传递由一系列氧化还原中心介导，然而，除经典通路之外，电子如何穿越这一网络仍不清楚。尽管先前的模型将传递视为一个顺序过程，但它们并未阐明替代通路是否对功能性电子流有所贡献。本文将电子传递表述为基于结构推导的氧化还原网络上的连续时间量子行走，并系统绘制了跨物种由量子行走动力学推断的通路层级电子通量图谱。我们识别出位于 N5–N6a 界面的一个保守结构瓶颈，该瓶颈抑制了电子的直接转移。值得注意的是，量子行走通量分析表明，这一瓶颈并非仅仅限制传递，而是能够将电子通量重新分配到由残基介导的替代通路中。在不同物种中，这些替代路径均支持显著的通量，并且在若干情况下，其通量与经典直接通路相当，甚至可以超过后者，这表明存在一种保守的通路层级通量重分配机制。该行为源于编码于蛋白质结构中的几何约束，并且在环境退相干条件下依然存在，这表明蛋白质架构不仅支配传递效率，也决定网络内部电子流的组织方式。综上，我们的研究结果揭示了复合体 I 中电子传递的网络层级组织：一个由结构编码的瓶颈通过替代通路重塑通量，这与蛋白质几何结构与量子传输行为之间存在结构编码联系的观点相一致。我们注意到，瓶颈主导和通量重分配这两项观察并不矛盾：对直接 N5–N6a 步骤的抑制，恰恰是将振幅重定向至并行的残基介导通路中的原因。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.28.728423v1?rss=1

🏷️ 线粒体复合体I 电子传递 量子游走 结构瓶颈 替代通路 氧化还原网络