呼吸链的组成及排列顺序

二、呼吸链的组成及排列顺序

（一）以NAD⁺或NADP⁺为辅酶的不需氧脱氢酶类

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺），又称辅酶I（Co I）；尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP⁺），又称辅酶Ⅱ（CoⅡ）。NAD＋和NADP⁺作为辅酶，可分别与不同的酶蛋白组成功能各异的脱氢酶。

NAD⁺或NADP⁺分子中尼克酰胺（维生素PP）的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能进行可逆加氢与脱氢反应，因此该类酶在呼吸链中主要起递氢作用。尼克酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将一个H⁺游离于基质中。这类脱氢酶是连接代谢物与呼吸链的环节，并将质子传递给黄素蛋白。

（二）黄素蛋白

黄素蛋白（flavin protein，FP）也是一类氧化还原酶，其辅基中含有核黄素（维生素B₂）而呈黄色，故又称黄素酶。黄素蛋白的辅基有两种：黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

FMN或FAD发挥功能的部位是核黄素结构中的异咯嗪环，在该环N₁和N₁₀上能进行可逆的加氢或脱氢反应。所以黄素蛋白在呼吸链中起递氢作用。

（三）铁硫蛋白

铁硫蛋白（iron－sulfur protein）是存在于线粒体内膜上的一类与传递电子有关的蛋白质，该蛋白以铁硫簇（Fe－S）为辅基，Fe－S含有等量的铁原子和硫原子（Fe₂S₂，Fe₄S₄），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中半胱氨酸残基的巯基硫相连（图6－1）。

图6－1　铁硫蛋白含铁硫部分的结构及其传递电子的反应

铁硫蛋白的铁原子能进行可逆地得失电子反应，在呼吸链中的作用是传递电子（属单电子传递体），它不能单独存在，多与黄素蛋白的辅基和细胞色素b结合存在。

（四）泛醌

泛醌（ubiquinone，Q），是一种黄色脂溶性醌类化合物，曾称之为辅酶Q（coenzyme Q，CoQ），以后发现它是以游离的形式而不是与蛋白质结合形式存在，故称泛醌更恰当。

泛醌中的苯醌结构能进行可逆的加氢和脱氢反应，接受2H后由氧化型转变成还原型。泛醌可将2个质子释放入线粒体基质内，将电子传递给细胞色素，是呼吸链中的递氢体。

（五）细胞色素

细胞色素（cytochromes，Cyt）是细胞内一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，具有颜色，故名细胞色素（图6－2）。细胞色素具有特殊的吸收光谱，根据它们吸收光谱不同，可将其分多种。参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、c（Cyt a、Cyt b、Cyt c）三类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别是铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式不同。其传递电子顺序是Cyt b→Cyt c₁→Cyt c→Cytaa₃→O₂。由于Cyt a和Cyt a₃结合紧密，很难分开，故将Cyt a和Cyta₃合称为Cytaa₃（也称细胞色素氧化酶）。细胞色素中只有aa₃能直接将电子传递给氧分子（O₂），使其激活变成氧离子（O^2-），并催化基质中的2H＋与氧离子结合成水。Cytaa₃中除有2个铁卟啉辅基外，还有2个铜原子。铜原子可进行反应传递电子。

图6－2　细胞色素C结构示意图

议一议：

代谢物脱氢经呼吸链传递是如何生成水的？

在上述呼吸链的主要组成成分中，在线粒体内膜除泛醌与细胞色素c以游离形式存在外，其余的成分均以复合体的形式存在。复合形式有：①复合体Ⅰ（又称NADH－泛醌还原酶），该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌；②复合体Ⅱ（又称琥珀酸－泛醌还原酶），该复合体将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌；③复合体Ⅲ（又称泛醌－细胞色素c还原酶），该复合体将电子从泛醌经Cytb、Cytc₁传给Cyt c；④复合体Ⅳ（又称细胞色素c氧化酶），该复合体将电子从Cytc经Cytaa₃传递给氧。作用方式见图6－3。

图6－3　线粒体呼吸链中各组分排列顺序