4.3.2 需传递链的生物氧化体系

1. 4.3.2 需传递链的生物氧化体系 • 由多个酶进行催化 • 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的传递体传递给氧 • 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶 • 三种以上的酶系，包括NAD+型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶

2. 第五节 电子传递链 • 5.1 Concept and history 生物氧化体系解决的是呼吸状态下有机物脱氢及氢的去路问题，即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子，最终把氢和电子交给氧生成水，并产生ATP的问题。

3. 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

4. 呼吸链的研究过程 1925 1935 1900－1920 21世纪 Szent-Györgyi Who ? Thunmburg & Vieland Warburg Keilin Us! 生物氧化中氢与氧的激活都是必需的，黄素酶参与电子传递 生物氧化需要含铁的呼吸酶，氧激活是生物氧化的基本机制 生物氧化主要是氢激活 细胞色素起电子传递的作用 机制

5. 5.2 呼吸链的组成及其作用机制 • 5.2.1 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： 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

6. NAD（P）H连接的脱氢酶催化的一些重要反应

7. 5.2.2 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。

8. 5.2.3 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和/或蛋白质中Cys残基的硫原子相连所形成的活性基团。 • 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。

9. 铁-硫中心（Iron-sulfur Centers)

10. 铁-硫中心（Iron-sulfur Centers) • 功能：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。

11. 5.2.4 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在呼吸链中接受黄素脱氢酶传递过来的H，本身被还原为氢醌，再把H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)。

12. 5.2.4 辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ） • 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。

13. 辅酶Q的氧化还原 氧化型泛醌 半醌自由基 氢醌

14. 5.2.5 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） • Fe3+ + e- Fe2+ • 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

15. 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

16. Cytochromec • 分子量为~13,000； • 唯一水溶性的细胞色素； • 位于线粒体内膜的外测； • 每次接受和传递一个电子

17. Cytochrome c oxidase: • 血红素结构不同，非共价键； • 含有Cu离子，通过价态变化传递电子；

18. 5.3 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 a1a3 →O2

19. 5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据 • (1)氧化还原电位的测定： 电子传递链的每一个组分都有氧化型和还原型，构成一个半电池 电子流 势能 高 低 电位 低 高

20. 5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据 • (2)电子传递链的体外重组实验 证明电子传递有顺序，不能越位进行

21. 5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据 • (3)电子传递链复合体的分离 复合物在电子传递功能上顺序地联在一起

22. 5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据 • (4)光谱学测定 在完全还原的电子传递链中，加入氧后测得各递体的氧化顺序发生。

24. 5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据 • (5)电子传递抑制剂试验

25. 以上实验或试验证实了从NADH→O2的电子传递顺序：以上实验或试验证实了从NADH→O2的电子传递顺序：

26. 5.4 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的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。

27. 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。

28. NADH:CoQ氧化还原酶（复合物Ⅰ，NADH到泛醌）

29. 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）。

30. 琥珀酸脱氢酶（琥珀酸到泛醌：复合物II）

31. 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（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，每个单体含有11个不同的亚基。

32. 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） Cyt b562 Cyt b566 Cyt c1 铁硫蛋白 其它6种蛋白 含有约10条以上多肽链 主要催化Q循环

33. Cyt bc1复合物或泛醌:Cyt c 氧化还原酶 单体 二聚体功能单位

34. 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Ⅲ的Q循环： QH2 + 2cyt c1（氧化型）+ 2HN+  Q + 2cyt c1(还原型）+ 4Hp+ 转移的净效应：QH2被氧化成Q，2 cyt c被还原，释放4 H+到内膜外空间 。这种通过辅酶Q氧化还原的循环变化进行的电子传递方式称为Q循环。

35. Q循环（The Q Cycle)

36. QH2在线粒体内膜的P侧释放1H+，提供1 e到Cyt b，氢醌氧化为半醌； • 半醌释放1H+，电子传递给Cyt c1 （通过Fe-S中心），半醌氧化为醌并转至N侧； • Q 接受由Cyt b传递的1 e 并从基质中利用1H+还原为半醌； • 半醌接受ComplexⅠ或Ⅱ传递的电子，再从基质中利用1H+，完全还原为氢醌。 P: Positive; N: Nagative

37. 复合物Ⅳ：细胞色素C到O2 • 复合物Ⅳ又称细胞色素氧化酶，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。 • The complex has a large molecule (MW 204 kD) and consists more than ten subunits (13);

38. 复合物Ⅳ：细胞色素C到O2 • Contains 4 redoxin centers： • Two heme A and two copper ions (in different environment) act as cofactors: • subunit Ⅰ has 2 hemes (a、a3) and one copper ions (CuB) • subunit Ⅱ has 2 copper ions (CuA) • Four electrons are transferred for complete reduction of O2，and 4H+ transferred out of the inner membran of the mitochondria.

39. 复合物 Ⅳ的电子流向

40. 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2 H2O，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。

41. 呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图

42. 5.5 线粒体中的两类电子传递链 • 5.5.1 NADH·H+电子传递链—多酶体系电子传递链 α-酮戊二酸 丙酮酸 苹果酸 异柠檬酸 谷氨酸 β-羟酯酰-CoA FP6 FP5 NAD+ →FP1 → → → → →O2

43. 5.5 线粒体中的两类电子传递链 • 5.5.2 琥珀酸型电子传递链—二酶体系电子传递链 琥珀酸 FP2 磷酸甘油 FP3 酯酰-CoA FP4 CoQ→(2FeS) → → → →O2

44. 5.6 电子传递的能量计算 • 从NADH → O2的电子传递过程中 Eº’NAD+/NADH= -0.32 Eº’O2/H2O = 0.82 ∴ ΔEº’= + 0.82 – (-0.32) = 1.14 (V) ∴ ΔGº’= -nFΔEº’= -2 × 23.062 ×1.14 = -52.7 (kcal/mol) = - 220 kJ/mol • 同理，琥珀酸型电子传递链 FADH2→ O2ΔGº’= -152 kJ/mol • 能量利用率：(30.54 × 3/220) × 100% ≈ 42%

45. 第六节 电子传递与ATP合成 • 细胞内ATP 的产生一定是在ADP水平上 ADP + Pi → ATP • 异养生物体内高能磷酸键的形成方式有两种：底物水平（基质水平，或底物）磷酸化、电子传递水平（氧化）磷酸化。

46. 6.1 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； • 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式

47. 底物水平磷酸化:高能磷酸键的形成及转移 底物水平磷酸化(Substrate level phosphorylation)

48. 6.2 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。 占体内ATP合成总量的95％。

49. 6.2.1电子传递的自由能降与ATP的形成部位 NADH →FP1(4•FeS) →Q→(2•FeS)→Cyt b(FeS)→c1 → c → aa3 → O2

50. 线粒体利用质子推动力合成ATP