生物化学复习总结之呼吸链
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的活性基团。 铁硫中心的结构：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。 蛋白含有的铁是非血红素铁,它借铁的价态变进行电子 传递，氧化型与还原型的的颜色不同，Fe3+为红、 绿，而Fe2+为无色. 注意：铁硫蛋白在电子传递链中，虽然起到传电子的作用， 但这不是传递链中一个单独的组分，往往是与其它组分 结合在一起共同起传递电子的作用。
含有11个不同的亚基。
复合物Ⅳ：细胞色素C到O2
• 复合物Ⅳ又称细胞色素氧化酶
• 功能：在呼吸链的最后一步，把Cyt c的电子转移给 O2，使其还原生成H2O。 • 结构：The complex has a large molecule（分子） (MW 204 kD) and consists more than ten subunits (13); 电子传递的顺序为：Cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2，每4 e通过复 合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通 过1 e，利用氧化还原反应的能量泵出1 H+到内膜外空间。
NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶 NAD+是一种流动的电子传递体。
黄素及与黄素偶联的脱氢酶 辅酶Q 属于一种流动的电子传递体。
铁硫蛋白 细胞色素 细胞色素c是一种流动的电子传递体
氧气
呼吸链的组成及其作用机制
吡啶核苷酸与吡啶核苷酸型脱氢酶
吡啶核苷酸型脱氢酶，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：
F1F0-ATP合酶抑制剂
解偶联剂
ATP/ADP交换体抑制剂
CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体内其
它脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及 其它黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心 地位。
细胞色素（cytochromes）
• 结构：细胞色素是一类色蛋白，以血红素为辅基
• 功能：在电子传递链中起传递电子的作用; 通过血红素
中Fe原子的价态变化传递电子（血红蛋白与肌红蛋白的 血红素不发生价态变化） • 血红素结构是划分细胞色素的依据 a, a3, b, c, c1….. • 都是膜结合蛋白，只有Cyt c是可溶的
蛋白称为FP1），生成FMNH2，或催化由琥珀酸分 子上脱氢（琥珀酸脱氢酶，酶蛋白称为FP2）生成 FADH2。
呼吸链的组成及其作用机制
铁-硫中心（Iron-sulfur Centers, 铁硫蛋白) 铁硫中心（Fe-S）：铁硫蛋白中铁与无机硫原子(Fe
与S等量)和/或蛋白质中Cys残基的硫原子相连所形成
个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。
复合体Ⅰ：NADH脱氢酶复合体
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。
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。
底物水平磷酸化
(Substrate Level Phosphorylation)
• 底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间 化合物; • 高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形 成的； • 高能键通过转磷酰基给ADP，转移时有非常大的平衡 常数和一个大的ΔGº’ 负值；
• 一分子高能中间化合物只能形成一个ATP；
ATP必须运输出线粒体
ATP 离开, ADP进入线粒体- 通过一种“转位酶” 。ATP离开是有利 的，因为细胞液比基质要 “+”。然而ATP出去和ADP进入有1个负电 荷的净转移——相当于有1个质子进入基质。 所以每1个ATP的输出 消耗1个H+ 。1个ATP合成大概需要消耗3 H+ 。于是，合成及加上 输出 1 ATP = 4H+
呼吸链（电子传递链）
电子传递（electron transfer): 底物脱下的氢和电子经过 系列载体的序列氧化还原反应，最终把电子和氢质子传 递给受体的过程，称之为电子传递。 电子传递链（electron transfer chain): 由一系列递氢体 和递电子体组成的氧化还原反应链，称之为电子传递链。 参与底物氧化的电子传递链也叫做呼吸链（ respiration chain)。 递氢体：电子传递链中同时参与传递H＋与电子的辅酶或 辅基。 递电子体：电子传递链中参与传递电子的辅酶或辅基。
素c氧化还原酶。 作用：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 ：泛醌到Cyt c
（细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶）
结构：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
• 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式。
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的过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。
磷氧比（P/O）
氧化磷酸化的效率可以通过测定P/O值来确定。P/O值
是指电子传递过程中，每消耗1摩尔氧原子所生成的 ATP的摩尔数。消耗的氧原子数目相当于传递给氧气 的电子数的1/2，消耗的无机磷酸等于氧化磷酸化产生 的ATP。 细胞内的氧化磷酸化是受到严格调控的，调控的手 段主要是它与电子传递之间的反馈。确切的说是ADP 浓度控制，这种由ADP对氧化磷酸化的调节被称为呼 吸控制。 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），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为 水时，生成2ATP（P/O≈2）。
复合物Ⅱ ：琥珀酸到泛醌
呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不 经过复合物II： – 脂酰CoA脱氢酶 – 3-磷酸甘油脱氢酶 往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称 为琥珀酸脱氢酶类。
复合物Ⅲ ：泛醌到Cyt c
（细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶）
又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：细胞色
辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ）
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，又称泛醌(Ubiquinone) 。位于线粒体内膜。
辅酶Q为电子和质子载体。CoQ在呼吸链中接受脱氢酶
传递过来的H，本身被还原为氢醌，再把电子传递给Cyt 体系而被氧化，接受1 e变为半醌自由基，接受2e变为 氢醌(QH2)。
• 位于线粒体内膜的外测； • 每次接受和传递一个电子
电子传递链各组分的排列顺序
The order of the electron-transferring chain
从NADH→O2的电子传递顺序：
NADH →FP1→4FeS →CoQ→(2FeS) ↓ Cyt b→Cyt c1→Cyt c ↓ Cyt a a3→O2
细胞色素（cytochromes）
• 细胞色素都是膜结合蛋
白。 • 不同种类的细胞色素的辅 基结构及与蛋白质连接的 方式是不同的 • 不同的血红素有不同的特 征吸收谱带； • 血红素的氧化态与还原态 的光吸收是不同的。 • 唯一水溶性的细胞色素； • 分子量为~13,000；
Cytochrome C
氧化磷酸化的抑制剂
抑制类型 呼吸链抑制剂 抑制剂名称 鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素 萎锈灵 抗霉素A 氰化物、CO、H2S、叠氮化物 Aurovertin 寡霉素、venturicidin DCCD DNP、FCCP 缬氨霉素 生热素 苍术苷、米酵菌酸 作用位点或作用机制 复合体I 复合体II 复合体III 复合体IV 抑制F1 抑制F0 阻止质子通过质子F0通道 脂溶性质子载体 钾离子载体，破坏电势能 质子通道 抑制线粒体基质内的 ATP 与细胞质内 的ADP之间交换
Leabharlann Baidu
呼吸链的组成及其作用机制
黄素脱氢酶类
• 是一类不需氧的含黄素的脱氢酶； • 种类多，酶蛋白不同，辅基有两种： 黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide，FMN)； 黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide, FAD)
• 此类酶催化由NADH分子上脱氢（NADH脱氢酶，酶
NAD+（CoI ): Nicotinamide AdenineDinucleotide
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。
根据NAD(P)+的光谱变化进行测定
呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图
NAD-Q还原酶
琥珀酸-Q还原酶
细胞色素还原酶
细胞色素氧化酶
电子传递链中的复合体
• 复合体Ⅰ：NADH脱氢酶复合体
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
含有11个不同的亚基。
复合物Ⅳ：细胞色素C到O2
• 复合物Ⅳ又称细胞色素氧化酶
• 功能：在呼吸链的最后一步，把Cyt c的电子转移给 O2，使其还原生成H2O。 • 结构：The complex has a large molecule（分子） (MW 204 kD) and consists more than ten subunits (13); 电子传递的顺序为：Cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2，每4 e通过复 合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通 过1 e，利用氧化还原反应的能量泵出1 H+到内膜外空间。
NAD+及与NAD+偶联的脱氢酶 NAD+是一种流动的电子传递体。
黄素及与黄素偶联的脱氢酶 辅酶Q 属于一种流动的电子传递体。
铁硫蛋白 细胞色素 细胞色素c是一种流动的电子传递体
氧气
呼吸链的组成及其作用机制
吡啶核苷酸与吡啶核苷酸型脱氢酶
吡啶核苷酸型脱氢酶，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：
F1F0-ATP合酶抑制剂
解偶联剂
ATP/ADP交换体抑制剂
CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体内其
它脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及 其它黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心 地位。
细胞色素（cytochromes）
• 结构：细胞色素是一类色蛋白，以血红素为辅基
• 功能：在电子传递链中起传递电子的作用; 通过血红素
中Fe原子的价态变化传递电子（血红蛋白与肌红蛋白的 血红素不发生价态变化） • 血红素结构是划分细胞色素的依据 a, a3, b, c, c1….. • 都是膜结合蛋白，只有Cyt c是可溶的
蛋白称为FP1），生成FMNH2，或催化由琥珀酸分 子上脱氢（琥珀酸脱氢酶，酶蛋白称为FP2）生成 FADH2。
呼吸链的组成及其作用机制
铁-硫中心（Iron-sulfur Centers, 铁硫蛋白) 铁硫中心（Fe-S）：铁硫蛋白中铁与无机硫原子(Fe
与S等量)和/或蛋白质中Cys残基的硫原子相连所形成
个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。
复合体Ⅰ：NADH脱氢酶复合体
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。
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。
底物水平磷酸化
(Substrate Level Phosphorylation)
• 底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间 化合物; • 高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形 成的； • 高能键通过转磷酰基给ADP，转移时有非常大的平衡 常数和一个大的ΔGº’ 负值；
• 一分子高能中间化合物只能形成一个ATP；
ATP必须运输出线粒体
ATP 离开, ADP进入线粒体- 通过一种“转位酶” 。ATP离开是有利 的，因为细胞液比基质要 “+”。然而ATP出去和ADP进入有1个负电 荷的净转移——相当于有1个质子进入基质。 所以每1个ATP的输出 消耗1个H+ 。1个ATP合成大概需要消耗3 H+ 。于是，合成及加上 输出 1 ATP = 4H+
呼吸链（电子传递链）
电子传递（electron transfer): 底物脱下的氢和电子经过 系列载体的序列氧化还原反应，最终把电子和氢质子传 递给受体的过程，称之为电子传递。 电子传递链（electron transfer chain): 由一系列递氢体 和递电子体组成的氧化还原反应链，称之为电子传递链。 参与底物氧化的电子传递链也叫做呼吸链（ respiration chain)。 递氢体：电子传递链中同时参与传递H＋与电子的辅酶或 辅基。 递电子体：电子传递链中参与传递电子的辅酶或辅基。
素c氧化还原酶。 作用：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 ：泛醌到Cyt c
（细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶）
结构：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
• 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式。
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的过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。
磷氧比（P/O）
氧化磷酸化的效率可以通过测定P/O值来确定。P/O值
是指电子传递过程中，每消耗1摩尔氧原子所生成的 ATP的摩尔数。消耗的氧原子数目相当于传递给氧气 的电子数的1/2，消耗的无机磷酸等于氧化磷酸化产生 的ATP。 细胞内的氧化磷酸化是受到严格调控的，调控的手 段主要是它与电子传递之间的反馈。确切的说是ADP 浓度控制，这种由ADP对氧化磷酸化的调节被称为呼 吸控制。 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），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为 水时，生成2ATP（P/O≈2）。
复合物Ⅱ ：琥珀酸到泛醌
呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不 经过复合物II： – 脂酰CoA脱氢酶 – 3-磷酸甘油脱氢酶 往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称 为琥珀酸脱氢酶类。
复合物Ⅲ ：泛醌到Cyt c
（细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶）
又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：细胞色
辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ）
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，又称泛醌(Ubiquinone) 。位于线粒体内膜。
辅酶Q为电子和质子载体。CoQ在呼吸链中接受脱氢酶
传递过来的H，本身被还原为氢醌，再把电子传递给Cyt 体系而被氧化，接受1 e变为半醌自由基，接受2e变为 氢醌(QH2)。
• 位于线粒体内膜的外测； • 每次接受和传递一个电子
电子传递链各组分的排列顺序
The order of the electron-transferring chain
从NADH→O2的电子传递顺序：
NADH →FP1→4FeS →CoQ→(2FeS) ↓ Cyt b→Cyt c1→Cyt c ↓ Cyt a a3→O2
细胞色素（cytochromes）
• 细胞色素都是膜结合蛋
白。 • 不同种类的细胞色素的辅 基结构及与蛋白质连接的 方式是不同的 • 不同的血红素有不同的特 征吸收谱带； • 血红素的氧化态与还原态 的光吸收是不同的。 • 唯一水溶性的细胞色素； • 分子量为~13,000；
Cytochrome C
氧化磷酸化的抑制剂
抑制类型 呼吸链抑制剂 抑制剂名称 鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素 萎锈灵 抗霉素A 氰化物、CO、H2S、叠氮化物 Aurovertin 寡霉素、venturicidin DCCD DNP、FCCP 缬氨霉素 生热素 苍术苷、米酵菌酸 作用位点或作用机制 复合体I 复合体II 复合体III 复合体IV 抑制F1 抑制F0 阻止质子通过质子F0通道 脂溶性质子载体 钾离子载体，破坏电势能 质子通道 抑制线粒体基质内的 ATP 与细胞质内 的ADP之间交换
Leabharlann Baidu
呼吸链的组成及其作用机制
黄素脱氢酶类
• 是一类不需氧的含黄素的脱氢酶； • 种类多，酶蛋白不同，辅基有两种： 黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide，FMN)； 黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide, FAD)
• 此类酶催化由NADH分子上脱氢（NADH脱氢酶，酶
NAD+（CoI ): Nicotinamide AdenineDinucleotide
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。
根据NAD(P)+的光谱变化进行测定
呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图
NAD-Q还原酶
琥珀酸-Q还原酶
细胞色素还原酶
细胞色素氧化酶
电子传递链中的复合体
• 复合体Ⅰ：NADH脱氢酶复合体
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