电子传递链中各复合体的组成及功能

时间：2023-02-12 理论教育版权反馈

【摘要】：复合体Ⅰ的辅基包括FMN辅基及Fe－S辅基。电子在复合体Ⅱ传递释放的自由能较小，不足以将H＋泵出内膜，因此复合体Ⅱ没有H＋泵的功能。CoQ从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子被还原成QH2，复合体Ⅲ接受来自QH2的电子并传递给Cyt c。复合体Ⅳ是氧化呼吸链最后一个复合体，其功能是将电子从还原型Cyt c传递给氧。复合体Ⅳ也有H＋泵功能，每传递2个电子使2个H＋跨内膜向胞质侧转移。

（一）复合体Ⅰ

在三羧酸循环和脂肪酸β－氧化等过程的脱氢酶催化的反应中，大部分代谢物脱下的2H由氧化型NAD＋接受，形成还原型NADH＋H＋。NADH＋H＋的电子进入复合体Ⅰ继续传递。复合体Ⅰ的作用是将NADH＋H＋中的电子传递给CoQ，因此又称为NADH－CoQ还原酶（NADH－CoQ reductase）或NADH脱氢酶（NADH dehydrogenase）。复合体Ⅰ呈“L”形，一臂突出，伸向线粒体基质，含有NADH的结合位点，横臂为疏水蛋白质部分，嵌于内膜。复合体Ⅰ的辅基包括FMN辅基及Fe－S辅基。复合体Ⅰ从线粒体基质接受NADH中的2个H＋和2个电子传递给FMN，FMN再经一系列Fe－S辅基，将电子传递给CoQ。CoQ将电子通过疏水蛋白质中Fe－S再传递给内膜的CoQ，最终使CoQ还原生成QH2。每2个电子在复合体Ⅰ传递释放的能量可偶联将4个H＋从线粒体内膜基质侧（显负电，N侧）泵到内膜胞质侧（显正电，P侧），因此，复合体Ⅰ有H＋泵功能（图5－13）。

图5－13 复合体Ⅰ的结构示意图

（二）复合体Ⅱ

复合体Ⅱ即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，其功能是将电子从琥珀酸传递到CoQ，因此又称琥珀酸－CoQ还原酶（succinate－CoQ reductase）。人体内复合体Ⅱ由4个亚基组成，其中2个小疏水亚基，将复合体锚定于内膜；另外2个亚基位于基质侧，含琥珀酸的结合位点、Fe－S和FAD辅基。复合体Ⅱ的电子传递次序：琥珀酸脱氢而生成FADH2，FADH2将电子经Fe－S传递给CoQ，使CoQ还原生成QH2。电子在复合体Ⅱ传递释放的自由能较小，不足以将H＋泵出内膜，因此复合体Ⅱ没有H＋泵的功能（图5－14）。

（三）复合体Ⅲ

复合体Ⅲ的功能是将电子从QH2传递给Cyt c，因此又称CoQ－Cyt c还原酶（cytochrome c reductase）。CoQ从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子被还原成QH2，复合体Ⅲ接受来自QH2的电子并传递给Cyt c。人体内复合体Ⅲ为二聚体，每个单体含有11个多肽，呈梨形。人体内复合体Ⅲ含有Cyt b、Cyt c1和一种可移动的铁硫蛋白（Rieske protein），因此又称为Cyt b－c1复合体（cytochrome bc1complex）。Cyt b亚基结合2个不同血红素辅基，一个近内膜胞质侧，还原电位较低，称为Cyt b L（Cyt b566）；另一个近内膜基质侧，电位较高，称Cyt b H（Cyt b562）。复合体Ⅲ含有2个CoQ结合位点，分别称为QP（内膜胞质侧）和QN（内膜基质侧）位点（图5－15）。

图5－14 复合体Ⅱ的电子传递示意图

图5－15 复合体Ⅲ的结构示意图

复合体Ⅲ的电子传递过程通过“Q循环”（Q cycle）实现。Q循环包括2步相似的半过程：第1步，结合在QP位的QH2将1个电子经Fe－S传递给Cyt c1，再到Cyt c，同时释放2个H＋到胞质中；QH2再将另一电子依次传递给Cyt b L和Cyt b H，再传递给结合于QN位点的CoQ，使其还原为．Q－，而QP位的QH2则氧化为CoQ。第2步，与第1步相似，结合到QP位点的另一分子QH2氧化为CoQ时，1个电子使1分子Cyt c还原，另一个电子使QN位点的．Q－还原，并从基质获得2个H＋，形成1分子QH2，同时向胞质释放2个H＋（图5－16）。复合体Ⅲ电子传递的净结果是1分子QH2被氧化成CoQ，2分子Cyt c被还原，同时向内膜胞质侧释放4个H＋，因此复合体Ⅲ也有H＋泵作用。

图5－16 复合体Ⅲ的电子传递示意图

（四）复合体Ⅳ

复合体Ⅳ是氧化呼吸链最后一个复合体，其功能是将电子从还原型Cyt c传递给氧。人体内复合体Ⅳ又称Cyt c氧化酶（cytochrome c oxidase），包含13个亚基，含4个氧化还原中心：2个血红素中心（Cyt a、Cyt a3）和2个Cu位点（Cu A、Cu B），组成Cyt a－Cu A和Cyt a3－Cu B两组传递电子功能单元。其中，蛋白质结合的Cu可发生Cu＋Cu2＋＋e－的可逆反应，也属单电子传递体。Cu B和Cyt a3的Fe定位接近，形成双核中心（binuclear center），在此部位O2被还原成H2O。

图5－17 复合体Ⅳ的电子传递过程

复合体Ⅳ电子传递过程：还原型Cyt c将电子经Cu A传递到Cyt a，再到Cu B－Cyt a3双核中心。需要依次传递4个电子，并从线粒体基质获得4个H＋，最终将1分子O2还原成2分子H2O（图5－17）。Cyt a传递第1个、第2个电子到氧化态的双核中心（Cu2＋和Fe3＋），经Cu B到Cyt a3，使双核中心的Cu2＋和Fe3＋被还原为Cu＋和Fe2＋，并结合O2，形成过氧桥连接的Cu B和Cyt a3，相当于2个电子传递给O2。中心再获得2个H＋和第3个电子，O2分子键断开，Cyt a3出现Fe4＋中间态，再接受第4个电子，形成Cu B和Cyt a3的Fe各结合－OH基团中间态。最后再获得2个H＋，双核中心解离出2个H2O分子后恢复初始氧化状态（图5－18）。复合体Ⅳ也有H＋泵功能，每传递2个电子使2个H＋跨内膜向胞质侧转移。