第三节 电子传递和氧化呼吸链

呼吸链由4个多蛋白的复合物（I, II,
III, 和 IV;3个是质子泵）和2个移动的电子 载体，泛醌（Q或辅酶Q）以及细胞色素c组 成。
呼吸链中蛋白质的辅基包括：
黄素类（FMN，FAD），
血红素（血红素 A，铁原卟啉IX ，血红素 C ）， 铁硫聚簇（ 2Fe-2S, 4Fe-4S), 和 铜 。
复合物 II 琥珀酸-辅酶Q 还原酶
复合物 III 细胞色素 C还原酶
0.4
Cyt c
0.6
Cyt aa3
复合物 IV 细胞色素C 氧化酶
0.8
O2
The chemiosmotic model by Mitchell
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
+Pi
磷酸化
电子传递 （氧化）
e-
三羧酸 循环
二、电子传递链（呼吸链）
（一）线粒体结构特点 （二）电子传递呼吸链的概念
（三）呼吸链的组成
（四）机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 （五）电子传递抑制剂
（一）线粒体结构
嵴
线粒体外膜
自由透过小分子和离子
泛醌是一个移动 的电子/质子载体
脂溶性的苯醌有一个 很长的异戊二烯侧链， 可以接受1或2个电子， 形成半醌或还原型辅 酶Q。（QH2）； QH2扩散到下一个复 合物（III）；是唯一 的一个不结合于一种 蛋白的电子载体。
3. 琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）
琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基 包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同 时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将 电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的 辅酶CoQ。
Cristae (the infoldings of the inner membrane of mitochondria) is where the respiratory chain is located.
（二）线粒体呼吸链
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在 这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子 转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子 载体的传递，最后传递给 O2生成H2O。这种由载 体组成的电子传递系统称电子传递链（ electron transfer chain), 因为其功能和呼吸作用直接相关 ，亦称为呼吸链。 电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真 核细胞存在于线粒体内膜上。
1 2 8 7 6 5 3 4
半胱氨酸
6. 细胞色素氧化酶
（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶 ）
由 cyta和a3 组成。复合物中除了含有铁卟 啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。 Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当 电子传递时，细胞色素的Fe3+ 、 Fe2+间循 环，同时Cu2+ 、 Cu+间循环，将电子从cytc 直接传递给O2，也叫末端氧化酶。
呼吸链上很多电子载体的顺序通 过多种研究得以阐明
• 方法一：测量标准还原电位（E’0）
• 电子倾向于从低还原电位（E’0）的载 体流向还原电位高的载体（不过在真正 的细胞中可能有偏差）
Electron carriers may have an order of increasing E’0
方法二：氧化作用动力学研究
Cyt a: ~600 nm Cyt b: ~560 nm Cyt c: ~550 nm
Cytochrome bc1 complex (Complex III)
5.细胞色素c
在复合体III和Ⅳ之间传递电子。
（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的 C1和细胞色素氧化酶接触）
是唯一能溶于水的细胞色素。 相对分子质量为13000，由104个氨 基酸构成的单一肽链。
铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins) 细胞色素类 （cytochromes）
辅酶Ｑ
（ubiquinone,亦写作CoQ）
细胞色素类
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
NADH
两条主要呼吸链
琥珀酸等
FMN 复合体 I
Fe-S NADH 脱氢酶
FAD
Fe-S
CoQ
Cyt b
传递电子机理：
Fe3+
+e －e
Fe2+
Cu2+
+e －e
Cu+
细胞色素=血红素+蛋白质 血红素有a,b和c Cyt c是水溶性的，存在于 内外膜之间，在复合体III 和IV间传递电子 血红素中的铁得失电子而 还原和氧化
Reduced cytochromes has three absorption bands in the visible wavelengths
传递电子机理：Fe3+
-e
Fe2+
铁硫蛋白参与电子传递
2Fe-2S
2Fe-2S
4Fe-4S
Different types of iron-sulfur centers
Iron atoms cycle between Fe2+ (reduced) and Fe3+(oxidized). Ferredoxin（铁氧还蛋白）
Reduced
方法四: 分离并鉴 定每个多 蛋白质复 合物： 链上组分 中特有的 电子供体 和受体可 以确定。
NADH
（三）呼吸链的组成
黄素蛋白酶类
琥珀酸等
黄素蛋白 （FAD） 铁硫蛋白 （Fe-S）
黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S）
辅 酶 Q （CoQ） Cyt b Fe-S
（flavoproteins, FP）
CuB
2CuA
Heme a
CuA CuA
Heme a3
The three critical subunits of cytochrome oxidase (Complex IV) A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure determined in 1996
2. CoQ
特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是
脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体 内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌，通过醌/酚的互变传递氢，Q ( 醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原 成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2 个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸 链中作为电子和质子的传递体。
特点 ： 以血红素（ heme）为辅基，血红素的主要
成份为铁卟啉。
类别 : 根据吸收光谱分成 a、b、c三类，呼吸链中
含 5 种（ b、c、c1、a 和 a3)，cyt b 和 cytc1、cytc 在呼 吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称细胞 色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电 子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。
传递氢机理:
NAD+ + 2H+ +2e
NAD(P)H + H++FMN
NADH + H+
FMNH2 +NAD（P）+
NADH + 5H+N + Q
NADH dehydrogenase (Complex I) NAD+ + QH2 + 4H+P
辅酶Q是呼吸链 电子传递的枢纽
Ubiquinone (Q) accepts electrons from both NADH and FADH2 in the respiratory chain
复合物 II 琥珀酸-辅 酶Q还原酶 FADH2 呼吸链
细胞色素 Cyt c1 还原酶 Cyt c Cyt aa3 O2 复合物 IV 细胞色素 氧化酶
Fe-S
复合物 III
NADH 呼吸链
1.NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复 合体Ⅰ）
NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN 和铁-硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶 负责传递电子和氢。
第三节 电子传递和氧化呼吸链
主要内容：重点讨论线粒体电
子传递体系的组成、电子传递机理 。
一、生物氧化概述
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧
化分解生成 CO2和 H2O并释放出能量的过程称为生物
氧化（ biological oxidation），其实质是需氧细胞在
呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。
无机催化剂
能量爆发释放 转换为光和 热，散失
（二）CO2的生成
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧 基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成 CO2。 类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
例：
R
H2N-CH-COOH
氨基酸脱羧酶 CH -NH +CO 2 2 2
R
O 丙酮酸脱氢酶系 CH3-C-COOH
线粒体内膜
不能自由透过大部分小分子和离子 ,包括H+。 含有：电子传递体（复合体I、II 、III、IV） ADP-ATP转运载体 ATP合酶（FoF1） 其他载体
线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶
柠檬酸循环酶系 脂肪酸-氧化酶系 DNA，核糖体其他酶 ATP、ADP、Pi、Mg2+ 、 Ca2+ 、 K+
生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧） 的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧 结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所 释放的能量也相同。但二者进行的方式 和历程却不同：
细胞内温和条件（常温、常压、 高温或高压、干燥条件 中性pH、水溶液）
一系列酶促反应
逐步氧化放能，能量利用率高 释放的能量转化成ATP被利用
2e
电子传递链
1\2 O2 O=
2H+
H2 O
生物氧化的三个阶段 脂肪 多糖 蛋白质 大分子降解成 基本结构单位 小分子化合物分 解成共同的中间 产物（如丙酮酸 、乙酰CoA等） 共同中间产物进 入三羧酸循环,氧 化脱下的氢由电 子传递链传递生 成H2O，释放出 大量能量，其中 一部分通过磷酸 化储存在ATP中 。
完全的还原伴随着O2的突然传导；
较早的氧化作用更接近呼吸链的末端； 使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细 胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波 长不同。
方法三: 各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤 之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。
鱼藤酮 Reduced Oxidized 抗霉素 A Reduced Oxidized
琥珀酸 FADH2
Fe-S
CoQ
4.细胞色素还原酶
（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）
含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色 素c1）和一铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。 细胞色素bc1复合体的作用是将电子从 QH2转移到细胞色素c
QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c
细胞色素（cytochrome, cyt）
（一）生物氧化的特点
在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下）， 有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与 下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中 能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如 ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会
因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释
放的能量尽可能得到有效的利用。
The electron path in Complex IV
NADH
（四）机体内两条主要呼 吸链和能量的变化
琥珀酸等 FAD Fe-S
FMN
Fe-S
复合体 I NADH 脱氢酶
CoQ
Cyt b
复合物 II 琥珀酸-辅酶Q 还原酶
Fe-S
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3
FADH2 呼吸链
复合物 III 细胞色素 还原酶
NADH 呼吸链
复合物 IV 细胞色素 氧化酶
O2
电 子 传 递 链 标 准 氧 化 还 原 自 由 能 变 化
-0.4
E0/V
NADH
FMN 复合体 I NADH 脱氢酶
-0.2 琥珀酸等 0 FMN Fe-S
Fe-S CoQ Cyt b Fe-S Cyt c1
0.2
CoASH NAD+
CH3COSCoA+CO2
NADH+H+
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载 体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再 通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。 例：
CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
（三）H2O的生成
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
FMN can accept one electron or FMNH2 can donate one
electron to form a semiquinone
radical intermediate.
铁硫蛋白
特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和
S 常以等摩尔量存在（ Fe2S2, Fe4S4 )，构成 Fe—S中心， Fe与蛋白质分子中的 4个Cys残 基的Байду номын сангаас基与蛋白质相连结。 +e