线粒体呼吸链

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）。
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。
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FADH2。
FMN(FAD)的氧化还原
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+
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
寡霉素(oligomycin)，抑制氧的利用和ATP的形成。
C． 离子载体（ionophores)
胞浆
α－酮戊二酸 －苹果酸载体
线粒体
α－酮戊二酸
苹果酸
苹果酸
苹果酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶
α－酮戊二酸
草酰乙酸 草酰乙酸 天冬氨酸转氨酶 谷氨酸 谷氨酸
天冬氨酸 －谷氨酸 载体
天冬氨酸
天冬氨酸
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。
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。
电子传递为：cyt c-CuA-a-a3CuB-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
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)
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
酸琥 到珀 泛酸 醌脱 ：氢 复酶 合（ 物琥 珀 ）
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（19951998，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。
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
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：
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 AdenineDinucleotide
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。
（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
2.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。
Baidu Nhomakorabea
氧化型泛醌
辅 酶 的 氧 化 还 原
Q
半醌自由基
氢醌
３－磷酸甘油
３－磷酸甘油脱氢酶
琥珀酸
底 的 物 电 到 子 辅 流 酶 动
酯酰辅酶A
Q
酯酰辅酶A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++QNAD++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。
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
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。
复呼 合吸 物链 的功 分能 离
复合物I和II催化电子由不同
的供体（NADH：复合物I；琥
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 H 2O 。 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）。
穿梭系统(Shuttle System)
磷酸甘油穿梭(phosphoglycerol shuttle)
糖酵解
磷酸二羟丙酮
３－磷酸甘油
磷 酸 甘 油 穿 梭
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
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/O3）， 经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时， 生成2ATP（P/O2）。