呼吸链的组成及作用机理

1、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,人体重要的呼吸链,nadh 氧

2、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,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。,呼吸链功能复合物的分离,复合物i和ii催化电子由不同的供体（nadh：复合物i；琥珀酸：复合物ii）转移到泛醌；复合物iii把电子由泛醌传递给

3、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 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nad

4、h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。,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： 黄素单核苷酸（flavin mononucl

5、eotide,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,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。

6、 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。,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

7、链中处于中心地位。,辅酶q的氧化还原,氧化型泛醌,半醌自由基,氢醌,底物到辅酶q的电子流动,琥珀酸,酯酰辅酶a,酯酰辅酶a脱氢酶,磷酸甘油,磷酸甘油脱氢酶,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。,nadh：coq氧化还原酶（复合物

8、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）。,琥珀酸脱氢酶（琥珀酸到泛醌：复合物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

9、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。,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+,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

10、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,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h2o。 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）。,电子传递为：cyt c-cua-a-a3-cub-o2，每4e通

11、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,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

12、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。,穿梭系统(shuttle system),磷酸甘油穿梭(phosphoglycerol shuttle),磷酸甘油穿梭,糖酵解,磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,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,酮戊二酸,苹果酸,苹果酸脱氢酶,草酰乙酸,天冬氨酸转氨酶,天冬氨酸,谷氨酸,苹果酸,酮戊二酸,草酰乙酸,谷氨酸,天冬氨酸,苹果酸脱氢酶,酮戊二酸 苹果酸载体,

13、天冬氨酸 谷氨酸 载体,胞浆,线粒体,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。,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

14、、 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),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

15、。,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）。,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

16、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（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. 01atp酶的抑制剂 寡霉素(oligomycin)，抑制氧的利用和atp的形成。 c 离子载体（ionophores) 缬霉素可将+带到线粒体基质中去，降低内模外化学电势，抑制合成, 电子传递抑制剂 co的作用，与还原型cyt oxidase结合，使生物氧化中断。 cn-的作用，与氧化型cyt oxidase结合，生成高铁c