呼吸链的组成及作用机理

呼吸链的组成及作用机理(1) 烟酰胺脱氢酶类（nicotinamide dehydrogenases)(或称吡啶脱氢酶类，pyridine dehydrogenases)(2) 黄素酶类（flavoprotein, flavinlinked dehydrogenase, ） 或称NADH 脱氢酶（NADH dehydrogenase) –黄素单核苷酸（FMN) –黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD) (3) 辅酶Q(coenzyme Q, CoQ)(泛醌 ubiquinone) (4) 细胞色素类（cytochromes) Cytb,Cytc,Cytc1,Cyta1a3人体重要的呼吸链• NADH 氧化呼吸链（由CoI、 Flavoprotein、Iron-sulfur protein、 CoQ、Cytochrome complex组成)• 琥珀酸(succinate)氧化呼吸链（由 Succinate dHE、CoQ及Cyt复合物组 成两条重要的氧化呼吸链电子载体以多酶复合物起作用呼吸链上的电子载体被组装 为膜包埋的超分子复合物，可以被分 离开来，线粒体内膜用去污剂温和处 理，可以得到四个独立的电子载体复 合物，每个部分可以催化 电子通过呼 吸链的一部分转移。

呼吸链功能 复合物的分离复合物I和II催化电子由不同的供体（NADH：复合物I；琥珀酸：复合物II）转移到泛醌；复合物III把电子由泛醌传递给Cyt C；复合物IV完成电子由Cyt C到O2的传递过程线粒体电子传递链蛋白质组成烟酰胺（吡啶）脱氢酶类催化底物脱氢的一类酶，属脱氢酶类 ，包括脱氢酶复合物，但它们的辅酶大多 相同，主要有两种：1.NAD+（CoI）：Nicotinamide AdenineDinucleotide2.NADP+(CoII):Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate分子中起递氢作用的是烟酰胺，能反 复氧化和还原，起到接受氢和提供氢的作 用而传递氢脱氢酶脱掉底物分子上的两个氢原 子，其中之一以氢阴离子(:H-)的形式转移 到NAD+或NADP+上形成NADH或NADPH ，另一个则以H+形式游离到溶液中，每一 个:H-携带两个电子，其中1e使氢以原子形 式结合到吡啶环的C-4上，另1e与吡啶环上 的N结合，N由+5价变为+3价NAD(P)+的结构还原的Co I有340nm光吸收NAD(P)H的氧化还原NADH+H+与NADPH +H+NAD（P）H连接的脱氢酶 催化的一些重要反应黄素酶类（NADH脱氢酶）这类酶是与黄素相关的脱氢酶或是黄素蛋 白，因辅基中含核黄素而得名，线粒体中可能与 一种铁硫蛋白（Iron-sulfur protein，Fe-S）组成 复合体。

种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种：黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide,FMN),是NADH脱氢 酶（FP1）的辅基 黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide,FAD)是 琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基 此类酶催化由NADH或琥珀酸分子上脱氢 ，生成FMNH2或FADH2FMN(FAD)的氧化还原铁-硫中心（Iron-sulfur Centers, 铁硫蛋白)最早由Helmut Beinert发现，铁不 出现在血红素中，而与无机硫原子和/或蛋白 质Cys残基的硫原子相连铁硫中心（Fe-S） 最简单的是单铁原子与4个Cys的-SH相连， 更复杂的是有2个或4个铁原子Rieske铁硫 蛋白则为1个铁原子与两个His残基相连 所有的铁硫蛋白参与一个电子的转 移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线 粒体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递铁-硫中心 （Iron-sulfur Centers)辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ）又称泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类 化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在 得名呼吸链中是参入到线粒体内膜的电子载体 。

CoQ在呼吸链中接受黄素酶的H，本 身被还原为氢醌，再把H传递给Cyt体系被氧化， 接受1e变为半醌自由基，接受2e变为氢醌（QH2 ） CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还 接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶， 脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在 电子传递链中处于中心地位辅酶Q的氧化还原氧化型泛醌半醌自由基氢醌底物到辅酶Q 的电子流动琥珀酸酯酰辅酶A酯酰辅酶A脱氢酶３－磷酸甘油３－磷酸甘油脱氢酶复合物I：NADH到泛醌也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一 个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包 括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心高分辨 率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在 膜内，另一臂伸展到基质中 复合物I催化两个同时发生的偶联过 程： （1）NADH+H++QNAD++QH2 （2）4个质子由基质转到内膜外 因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质 子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正NADH：CoQ氧化还原酶 （复合物 I，NADH到泛醌）复合物II：琥珀酸到泛醌也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环 中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比 复合物I小而简单，但含有两类辅基和至少 4种不同的蛋白，1个蛋白与FAD及有4个铁 原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。

电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中 心到泛醌 呼吸链上还有其他底物的电子流 经Q，但不经过复合物II，如脂酰CoA脱氢 酶、3-磷酸甘油脱氢酶等（见图）琥珀酸脱氢酶（琥珀 酸到泛醌：复合物II ）复合物III：泛醌到细胞色素c又称细胞色素bc1复合物或泛醌 ：细胞色素c氧化还原酶偶联催化电子由 氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内基质向膜 外空间的运输复合物III和IV结构的确定（ 1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子 转移研究的里程碑复合物III是一个由相 同单体组成的二聚体，每个单体含有11个 不同的亚基泛醌到CytC：复合物III （Cyt bc1复合物或泛醌：CytC氧化还原酶）单体二聚体功能单位Q循环（The Q Cycle)根据复合物III的结构和氧化还原 反应详细的生物化学研究，提出了电子经 复合物的流动模型，Q循环的反应为： QH2+2cyt c1（氧化型）+2HN+Q+2cyt c1(还原型）+4Hp+膜的P侧，2QH2被氧化为 Q，释放4H+到内膜外空间，每个 QH2提供1e到cyt c1（通过Fe-S中 心），另1e到Q分子（通过cyt b） ，两步还原成QH2，还原反应还从 基质中利用掉2H+。

转移的净效应 很简单：QH2被氧化成Q，2cyt c 被还原Q 循环细胞色素还原酶与电子传递复合物IV：细胞色素C到O2又称细胞色素氧化酶，呼吸链的 最后一步，把cyt c的电子转移给O2还原生 成H2O 是一个大酶（线粒体内膜上，13 个亚基，Mr204000），作用同样是电子传 递和质子泵三个亚基对于功能至关重要 亚基II有2个Cu离子（CuA）（与Cys残 基的-SH相连，亚基II有2个血红素基团（ 分别为a1、a3）和另一个Cu离子CuB）电子传递为：cyt c-CuA-a-a3- CuB-O2，每4e通过复合物时，酶 从基质中消耗4个“底物”H+，生成 2H2O，每通过1e，利用氧化还原 反应的能量泵出1H+到内膜外空间细胞色素氧化酶（复合物 IV）复合物 IV的电子流向QH2-Cytc还原酶细胞色素细胞色素还原酶细胞色素还原酶模型呼吸链四个复合物的 电子和质子流动总图决定电子载体顺序的方法鱼藤酮抗霉素A电子传递与质子梯度及ATP合成呼吸链中ATP的产生穿梭系统（Shuttle Systems)有些NADH是在胞液中产生的， 而呼吸链位于线粒体的内膜上，线粒体的 内膜对NADH不能透过，必须通过一定的 转运机制才能保证底物分子脱下的H可以 通过呼吸链递氢和递电子被彻底氧化，释 放能量。

这种转运机制即为穿梭系统，经 过穿梭系统把胞液中的NADH转变为线粒 体内的NADH经呼吸链被氧化包括磷酸 甘油穿梭、苹果酸-草酰乙酸穿梭穿梭系统(Shuttle System)磷酸甘油穿梭(phosphoglycerol shuttle)磷酸甘油穿梭糖酵解３－磷酸甘油磷酸二羟丙酮穿梭系统(Shuttle System)苹果酸-草酰乙酸穿梭 （Malate-oxaloacetate shuttle)苹果酸-草酰乙酸穿梭α－酮戊二酸苹果酸苹果酸脱氢酶草酰乙酸天冬氨酸转氨酶天冬氨酸谷氨酸苹果酸α－酮戊二酸草酰乙酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸脱氢酶α－酮戊二酸 －苹果酸载体天冬氨酸 －谷氨酸 载体胞浆线粒体腺苷酸和磷酸转位酶线粒体利用质子推动力合成ATP ，但ADP和Pi必须运到线粒体内，合成好 的ATP必须能运出线粒体在胞质中供能 腺苷酸转位酶(Adenine nucleotide translocase)是内膜上的酶，为 逆反转运体，可以把ADP和Pi转运到线粒 体内，也能把合成的ATP从线粒体运到胞 液腺苷酸和磷酸转位酶高能磷酸键的形成生物氧化所释放的能量并不 是全以热量的形式散发，除一部分以 热能形式用于维持体温外，其余部分 则以高能磷酸键的形式转移和储存， 一旦需要再水解释放以免浪费。

异养生物体高能磷酸键的 形成方式有两种： 1. 底物水平（底物）磷酸化、2. 电子传递水平（氧化）磷酸化底物水平磷酸化 （Substrate Level Phosphorylation)代谢物质分解过程中，底物分子因脱氢、脱水等作用，能量在分子内部重排（重新分布）形成高能磷酸酯键，并转移给ADP形成ATP高能磷酸键的形成及转移底物水平磷酸化 (Substrate level phosphorylation)氧化磷酸化 （Oxidative Phosphorylation)生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移 给ADP形成ATP的过程实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成 ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应高能磷酸键的形成及转移氧化磷酸化 （Coupled oxidative phosphorylation)氧化磷酸化偶联的部位磷氧比（P/O）代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水 ，一对电子经呼吸链传递到O2生成水所产生的 ATP分子的数目（即消耗1分子O2所产生ATP的数 目）称为磷氧比（P/O）代谢物脱下的2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成3ATP（P/O3）， 经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成2ATP（P/O2）。

新近的研究结果支持这样的结论， 2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水 时，生成2.5ATP；经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成1.5ATP 影响氧化磷酸化作用的因素（1）ADP-Pi、ATP的调节作用 ADP/ATP 小，缓慢、表现为抑制作用 ADP/ATP 大，加快、表现为促进作用 （2）激素的调节作用 • 甲状腺素能活化Na+、K+-ATPase, 加 快 ATP分解为ADP+Pi, ADP进入线粒体的 数量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及产热 增多——甲状腺机能亢进（hyperthyroidism)， 患者BMR(基础代谢率basal metabolic rate)增高 影响氧化磷酸化作用的因素（续 ） （3）抑制剂（inhibitors)的作用A. 解偶联剂（uncoupler)的作用2，4－二硝基苯酚解除偶联作用2,4-dinitrophenol, DNP)，B. Ｆ0Ｆ1ATP酶的抑制剂寡霉素(oligomycin)，抑制氧的利用和ATP的形成 C． 离子载体（ionophores)缬霉素可将Ｋ+带到线粒体基质中去，降低内模 外化学电势，抑制ＡＴＰ合成Ｄ． 电子传递抑制剂CO的作用，与还原型Cyt o。