呼吸链与电子传递［细胞生物学］

 呼吸链与电子传递

　　在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放的大部分能量都储存在辅酶（NADH和FADH2）分子中。细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体（呼吸链），伴随着逐步电子传递，将NADH或FADH2进行氧化，逐步收集释放的自由能最后用于ATP的合成，将能量储存在ATP的高能磷酸键。

　　■ 电子载体（electron carriers）

　　在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质称为电子载体。参与传递的电子载体有四种∶黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q，在这四类电子载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基。

　　● 黄素蛋白（flavoproteins） 黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类，每个辅基能够接受和提供两个质子和电子。

　　● 细胞色素（cytochromes） 细胞色素是含有血红素辅基（图7-24）的一类蛋白质。在氧化还原过程中，血红素基团的铁原子可以传递单个的电子。血红素中的铁通过Fe3+和 Fe2+两种状态的变化传递电子；在还原反应时，铁原子由Fe3+状态转变成Fe2+状态；在氧化反应中，铁由Fe2+转变成Fe3+.

　　四个卟啉环都含有侧链，不同的细胞色素所含侧链不同。图中所示是细胞色素c，血红素与多肽的两个半胱氨酸共价结合，但在大多数细胞色素分子中，血红素并不与多肽共价结合。

　　● 铁硫蛋白（iron-sulfur proteins， Fe/S protein） 铁硫蛋白是含铁的蛋白质，也是细胞色素类蛋白。在铁硫蛋白分子的中央结合的不是血红素而是铁和硫，称为铁-硫中心（iron-sulfur centers)。

　　醌（uniquinone UQ）或辅酶Q（coenzyme Q） 辅酶Q是一种脂溶性的分子，含有长长的疏水链，由五碳类戊二醇构成。如同黄素蛋白，每一个醌能够接受和提供两个电子和质子（图7-26），部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌（UQH2）。

 

图7-26 辅酶Q的氧化和还原形式

　　辅酶Q的氧化还原分两步进行，先接受一个电子，得到部分还原，称为半醌，再得到一个电子，成为完全还原的醌，称为全醌。全醌失去一个电子是部分氧化，成为半醌，两个电子全部失去，即完全氧化则称为还原型的醌。

　　■ 氧化还原电位与载体排列顺序

　　● 氧还电位（oxidation-reduction potentials， redox potentials）

　　不同的还原剂具有不同的电子传递电位，而氧化与还原又是偶联的，如NAD+和NADH.它们的差别主要是电子数量不同，所以二者间就有一个电位差，即氧还电位。

● 呼吸链中电子载体的氧还电位

　　氧还电位在标准条件下测定，即得标准氧化还原电位（standard oxidation reduction potentials， E0＇）。表7-4 是测得的某些电子载体的标准氧还电位。

表7-4 某些电子载体的标准氧还电位

氧化型	还原型	x	E0＇（伏特）
NAD+	NADH+ H+	2	- 0.32
FMN	FMNH2	2	- 0.30
FAD	FADH2	2	- 0.22
丙酮酸	乳酸	2	- 0.19
辅酶Q	UQH2	2	+ 0.04
细胞色素b（Fe3+）	细胞色素b（Fe2+）	1	+ 0.07
细胞色素c1（Fe3+）	细胞色素b（Fe2+）	1	+ 0.23
细胞色素c（Fe3+）	细胞色素b（Fe2+）	1	+ 0.25
细胞色素a（Fe3+）	细胞色素b（Fe2+）	1	+ 0.29
细胞色素a3（Fe3+）	细胞色素b（Fe2+）	1	+ 0.55
1/2O2 + H+	H2O	2	+ 0.82

注： n = 传递的电子数。

　　● 呼吸链中电子载体的排列顺序

　　标准氧化还原电位的值越小，提供电子的能力越强。因此只要分别测定电子载体的氧化还原电位，再进行比较，可初步推断它们在呼吸链中的排列顺序。

　　根据测得的标准氧化还原电位，按氧还电位的大小可排出电子载体在呼吸链中的位置。

　　图中给出各电子载体近似的氧还电位，并标出了电子对沿呼吸链向分子氧传递形成的自由能，垂直箭头线表示产生的能量足够驱使质子穿过线粒体内膜，其后可为ATP合成提供能量。

　　图中每一个载体都是从呼吸链中上一个载体获得电子被还原，而上一个载体由于失去电子被氧化，因此电子是从一个载体传向另一个载体，直至最终的受体被还原为止，在该呼吸链中的最终的受体是O2，接收电子后生成水。

　　■ 呼吸链的组成和排列

　　呼吸链由四种复合物、细胞色素c和辅酶Q组成。辅酶Q和细胞色素c是独立存在的，四种复合物又都是由几种不同的蛋白组成的多蛋白复合体（图7-27，表7-5），功能是参与氧化还原作用，由于这些复合物在线粒体内膜中不停地移动，所以它们没有稳定的结构。

　　● 复合物I（ complex I） 复合物I又称NADH 脱氢酶（NADH dehydrogenase）或NADH-CoQ 还原酶复合物， 功能是催化一对电子从NADH传递给CoQ，一对电子从复合物Ⅰ传递时伴随着4个质子被传递到膜间隙。

　　● 复合物Ⅱ（complex Ⅱ） 复合物Ⅱ又称为琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）或琥珀酸-CoQ 酶复合物，功能是催化电子从琥珀酸传递给辅酶Q，复合物Ⅱ传递电子时不伴随氢的传递。

　　● 复合物Ⅲ（complex Ⅲ） 复合物Ⅲ又称CoQH2-细胞色素c 还原酶复合物，每传递一对电子，同时传递4个H+到膜间隙。

 ● 复合物Ⅳ（complex Ⅳ） 复合物Ⅳ又称细胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase）。主要功能是将电子从细胞色素c传递给O2 分子，每传递一对电子，要从线粒体基质中摄取4个质子，其中两个质子用于水的形成，另两个质子被跨膜转运到膜间隙。

 

图7-27 呼吸链中复合物的排列及功能

表7-5 线粒体呼吸链中四种复合物的性质

复合物			电子传递
序号	名称	多肽数	辅基	接收自	传递给	传递质子
Ⅰ	NADH脱氢酶	22～26	1个FMN 6-9个Fe/S中心	NADH	辅酶Q	是
Ⅱ	琥珀酸脱氢酶	4～5	1个FAD	琥珀酸	辅酶Q	否
			3个Fe/S中心	（经由酶结合的FAD）
Ⅲ	细胞色素b-c1	8～10	2个细胞色素bc	辅酶Q	细胞色素	是
	复合物		1个细胞色素c1 1个Fe/S中心
Ⅳ	细胞色素c氧化酶	9	1个细胞色素a 细胞色素c 氧（O2） 1个细胞色素a3 2个Cu中心（其中 细胞色素a3是Fe/Cu中心）			是

　　● 主、次呼吸链

　　由于线粒体中需要经呼吸链氧化和电子传递的主要是NADH，而FADH2较少，可将呼吸链分为主、次呼吸链。①主呼吸链由复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ构成，从NADH来的电子依次经过这三个复合物， 进行传递。②次呼吸链由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成，来自FADH2的电子不经过复合物Ⅰ。

　　■ 含铜的电子载体：细胞色素c氧化酶的作用机制

　　在电子呼吸链中的细胞色素氧化酶c（复合物Ⅳ）分子中心不是铁，也不是铁硫，而是铁铜。该酶13个亚基中有3个多肽是线粒体基因编码，并都含有蛋白的氧还中心。另外，与其它四种电子载体不同的是，它接收的电子不再传递给别的复合物，而是直接还原分子氧生成水。

　　■ 递氢体与电化学梯度的建立

　　● 递氢体

　　组成呼吸链的成员中除了电子载体外，有些还具有将氢质子跨膜传递到膜间隙的作用，将能够传递氢质子的复合物称为递氢体，或称递质子体。在呼吸链的四个复合物中，复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ既是电子载体，又是递氢体； 复合物Ⅱ只是电子载体，而不是递氢体。

　　● 电化学梯度（electrochemical gradient）

　　质子跨膜转运使得膜间隙积累了大量的质子，建立了质子梯度。由于膜间隙质子梯度的建立， 使内膜两侧发生两个显著的变化∶线粒体膜间隙产生大量的正电荷，而线粒体基质产生大量的负电荷，使内膜两侧形成电位差；第二是两侧氢离子浓度的不同因而产生pH梯度（ΔpH），这两种梯度合称为电化学梯度（electrochemical gradient