浙江大学生物化学与分子生物学笔记生物氧化2

NADH:CoQ氧化还原酶 : 氧化还原酶 到泛醌) (复合物 I,NADH到泛醌) , 到泛醌
复合物II: 复合物 :琥珀酸到泛醌
也称琥珀酸脱氢酶, 也称琥珀酸脱氢酶,是TCA循环中唯 循环中唯 一的一个线粒体内膜结合的酶, 一的一个线粒体内膜结合的酶,虽比复 合物I小而简单 小而简单, 合物 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 种不同的蛋白, 个蛋白与 个蛋白与FAD及有 个 及有4个 种不同的蛋白 及有 铁原子的Fe-S中心共价结合;1个铁硫蛋 中心共价结合; 个铁硫蛋 铁原子的 中心共价结合 电子由琥珀酸流向FAD,然后通过 白.电子由琥珀酸流向 , Fe-S中心到泛醌. 中心到泛醌. 中心到泛醌 呼吸链上还有其他底物的电子流经Q, 呼吸链上还有其他底物的电子流经 , 但不经过复合物II,如脂酰CoA脱氢酶, 脱氢酶, 但不经过复合物 ,如脂酰 脱氢酶 3-磷酸甘油脱氢酶等(见图). 磷酸甘油脱氢酶等( 磷酸甘油脱氢酶等 见图).
QH2+2cyt c1(氧化型)+2HN+→Q+2cyt c1(还原型)+4Hp+ 还原型) (氧化型) 还原型
膜的P侧 被氧化为Q,释放4H 膜的 侧,2QH2被氧化为 ,释放 +到内膜 外空间,每个QH2提供 到cyt c1(通过 提供1e到 通过Fe-S中 外空间,每个 中 ),另 到 分子 通过cyt b),两步还原 分子( ),两步还原 心),另1e到Q分子(通过 ), 还原反应还从基质中利用掉2H 成QH2,还原反应还从基质中利用掉 +.转 移的净效应很简单: 被氧化成Q, 移的净效应很简单:QH2被氧化成 ,2cyt c被 被 还原. 还原.
+的结构 NAD(P)
还原的Co 有 还原的 I有340nm光吸收 光吸收
NAD(P)H的氧化还原 的氧化还原
+与NADPH NADH+H
+ +H
NAD(P)H连接的脱氢酶 ( ) 连接的脱氢酶 催化的一些重要反应
黄素酶类( 脱氢酶) 黄素酶类(NADH脱氢酶) 脱氢酶
这类酶是与黄素相关的脱氢酶或是黄素蛋白, 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, 因辅基中含核黄素而得名,线粒体中可能与一 种铁硫蛋白( 种铁硫蛋白(Iron-sulfur protein,Fe-S)组成 , ) 复合体. 复合体. 种类多,酶蛋白不同,但辅基只有两种: 种类多,酶蛋白不同,但辅基只有两种:
辅
氧化型泛醌
酶 的 氧 化 还 原 Q
半醌自由基
氢醌
的 电 子 流 动
底 物 到 辅 酶 Q
复合物I: 复合物 :NADH到泛醌 到泛醌
也称NADH:泛醌氧化还原酶,是一个大 :泛醌氧化还原酶, 也称 的酶复合物, 条不同的多肽链组成, 的酶复合物,由42条不同的多肽链组成,包括 条不同的多肽链组成 黄素蛋白和至少6个铁硫中心 含FMN黄素蛋白和至少 个铁硫中心.高分辨 黄素蛋白和至少 个铁硫中心. 率电子显微镜显示复合物I为 形 率电子显微镜显示复合物 为L形,L的一个臂 的一个臂 在膜内,另一臂伸展到基质中. 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 催化两个同时发生的偶联过程: 复合物 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 ) 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 因此,复合物 是由电子转移能所驱动的质子 结果内膜基质面变负,内膜外侧变正. 泵,结果内膜基质面变负,内膜外侧变正.
复 合 物 的 分 离
呼 吸 链 功 能
线粒体电子传递链蛋白质组成
烟酰胺(吡啶) 烟酰胺(吡啶)脱氢酶类
催化底物脱氢的一类酶,属脱氢酶类, 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, 合物,但它们ห้องสมุดไป่ตู้辅酶大多相同,主要有两种: NAD+(CoI):Nicotinamide AdenineDinucleotide ): NADP+(CoII):Nicotinamide Adenine Dinucleotide
黄素单核苷酸( 黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide,FMN),是NADH脱氢酶 是 脱氢酶 的辅基. (FP1)的辅基. 黄素腺嘌呤二核苷酸( 黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide,FAD)是琥珀 是琥珀 酸脱氢酶( 的辅基. 酸脱氢酶(FP2)的辅基.
人体重要的呼吸链
NADH 氧化呼吸链(由CoI, 氧化呼吸链( , Flavoprotein,Iron-sulfur protein, , , CoQ,Cytochrome complex组成 组成) , 组成 琥珀酸 琥珀酸(succinate)氧化呼吸链(由 氧化呼吸链( 氧化呼吸链 Succinate dHE,CoQ及Cyt复合物组 , 及 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, 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, 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 四个独立的电子载体复合物, 电子通过呼吸链的一部分转移. 可以催化 电子通过呼吸链的一部分转移. 复合物I和 催化电子由不同的供体 复合物 和II催化电子由不同的供体 (NADH:复合物 ;琥珀酸:复合物 ) :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 转移到泛醌;复合物 把电子由泛醌传 递给Cyt C;复合物 完成电子由 完成电子由Cyt C 递给 ;复合物IV完成电子由 的传递过程. 到O2的传递过程.
泛醌到CytC:复合物III :复合物 泛醌到
(Cyt bc1复合物或泛醌:CytC氧化还原酶) 复合物或泛醌: 氧化还原酶) 氧化还原酶
单体
二聚体功能单位
Q循环(The Q Cycle) 循环( 循环
根据复合物III的结构和氧化还原反应详细的生 根据复合物 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, 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: 循环的反应为: 循环的反应为
呼吸链的组成及作用机理
(1) 烟酰胺脱氢酶类(nicotinamide dehydrogenases)(或 烟酰胺脱氢酶类( 或 称吡啶脱氢酶类, 称吡啶脱氢酶类,pyridine dehydrogenases) (2) 黄素酶类(flavoprotein, flavinlinked dehydrogenase, 黄素酶类( NADH dehydrogenase) –黄素单核苷酸(FMN) 黄素单核苷酸( 黄素单核苷酸 –黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 黄素腺嘌呤二核苷酸( 黄素腺嘌呤二核苷酸 (3) 辅酶 辅酶Q(coenzyme Q, CoQ)(泛醌 ubiquinone) 泛醌 (4) 细胞色素类(cytochromes) 细胞色素类( Cytb,Cytc,Cytc1,Cyta1a3
Q 循 环
复合物IV:细胞色素 到 复合物 :细胞色素C到O2
又称细胞色素氧化酶,呼吸链的最后一步, 又称细胞色素氧化酶,呼吸链的最后一步, 的电子转移给O 把cyt c的电子转移给 2还原生成 2O. 的电子转移给 还原生成H . 是一个大酶(线粒体内膜上, 个亚基 个亚基, 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. ),作用同样是电子传递和质子泵 ),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 个 三个亚基对于功能至关重要.亚基 有2个Cu 离子( )(与 残基的-SH相连,亚基 相连, 离子(CuA)(与Cys残基的 残基的 相连 亚基II 个血红素基团( 和另一个Cu 有2个血红素基团(分别为 1,a3)和另一个 个血红素基团 分别为a , 离子( 离子(CuB). 电子传递为: 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 通过复合物时,酶从基质中消耗 个"底 生成2H ,每通过1e, 物"H+,生成 2O,每通过 ,利用氧化还 原反应的能量泵出1H 到内膜外空间. 原反应的能量泵出 +到内膜外空间.
铁-硫中心 硫中心 (Iron-sulfur Centers)
辅酶Q( 辅酶 (Coenzyme Q,CoQ) , )
又称泛醌(Ubiquinone),脂溶性醌类化合物, ,脂溶性醌类化合物, 又称泛醌 有一个长的异戊二烯侧链,因广泛存在得名. 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. 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 ,本身被 在呼吸链中接受黄素酶的H, 在呼吸链中接受黄素酶的 还原为氢醌,再把H传递给 传递给Cyt体系被氧化, 体系被氧化, 还原为氢醌,再把 传递给 体系被氧化 接受1e变为半醌自由基 接受2e变为氢醌 变为半醌自由基, 接受 变为半醌自由基,接受 变为氢醌 (QH2). CoQ不仅接受 不仅接受NADH脱氢酶的 ,还接受 脱氢酶的H, 不仅接受 脱氢酶的 线粒体其他脱氢酶的H,如琥珀酸脱氢酶, 线粒体其他脱氢酶的 ,如琥珀酸脱氢酶,脂 脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H, 酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的 ,在 脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的 电子传递链中处于中心地位. 电子传递链中处于中心地位.
此类酶催化由NADH或琥珀酸分子上脱氢,生 或琥珀酸分子上脱氢, 此类酶催化由 或琥珀酸分子上脱氢 成FMNH2或FADH2.
FMN(FAD)的氧化还原 的氧化还原
硫中心( 铁-硫中心(Iron-sulfur Centers, 硫中心 铁硫蛋白) 铁硫蛋白
最早由Helmut Beinert发现,铁不出现 发现, 最早由 发现 在血红素中,而与无机硫原子和/或蛋白质 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) 残基的硫原子相连. 残基的硫原子相连 铁硫中心( ) 最简单的是单铁原子与4个 相连, 最简单的是单铁原子与 个Cys的-SH相连, 的 相连 更复杂的是有2个或 个铁原子.Rieske铁 更复杂的是有 个或4个铁原子. 铁 个或 个铁原子 硫蛋白则为1个铁原子与两个 残基相连. 个铁原子与两个His残基相连 硫蛋白则为 个铁原子与两个 残基相连. 所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移, 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, 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 个铁硫蛋白参与电子传递. 体中至少有 个铁硫蛋白参与电子传递.
酸 到 醌 : 复 合 物 ) II 泛
琥 珀 酸 脱 氢 酶 (琥 珀
复合物III:泛醌到细胞色素 复合物 :泛醌到细胞色素c
又称细胞色素bc 复合物或泛醌: 又称细胞色素 1复合物或泛醌:细胞 色素c氧化还原酶 氧化还原酶. 色素 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 的转移和质子由膜内基质向膜外 空间的运输. 空间的运输. 复合物III和 结构的确定 结构的确定( 复合物 和IV结构的确定(19951998,X-射线晶体学)是线粒体电子转 射线晶体学) , 射线晶体学 移研究的里程碑.复合物III是一个由相 移研究的里程碑.复合物 是一个由相 同单体组成的二聚体,每个单体含有11 同单体组成的二聚体,每个单体含有 个不同的亚基. 个不同的亚基.
Phosphate
分子中起递氢作用的是烟酰胺,能反复氧化和还原, 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. 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, 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 的形式转移到NAD+或NADP+上形成 上形成NADH 阴离子 -)的形式转移到 或NADPH,另一个则以 +形式游离到溶液中,每一 ,另一个则以H 形式游离到溶液中, 携带两个电子,其中1e使氢以原子形式结合到吡 个:H-携带两个电子,其中 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 结合,N由+5价变 与吡啶环上的N结合 啶环的 上 与吡啶环上的 结合, 由 价变 为+3价. 价