呼吸鏈

呼吸鏈(respiratory chain)是由一系列的遞氫反應(hydrogen transfer reactions)和遞電子反應(eletron transfer reactions)按一定的順序排列所組成的連續反應體系，它將代謝物脫下的成對氫原子交給氧生成水，同時有ATP生成。實際上呼吸鏈的作用代表著線粒體最基本的功能，呼吸鏈中的遞氫體(hydrogen carrier)和遞電子體(electron carrier)就是能傳遞氫原子或電子的載體，由於氫原子可以看作是由質子和核外電子組成的，所以遞氫體也是遞電子體，遞氫體和遞電子體的本質是酶、輔酶、輔基或輔因子。

基本介紹

• 中文名：呼吸鏈
• 外文名：respiratory chain
• 詞語分類：生物學術語
• 別名：電子傳遞鏈
• 構成：由一系列電子載體構成的
• 反應：按順序排列所組成的連續反應體系

定義

呼吸鏈又稱電子傳遞鏈，是由一系列電子載體構成的，從NADH或FADH2向氧傳遞電子的系統。

呼吸鏈

還原型輔酶通過呼吸鏈再氧化的過程稱為電子傳遞過程。其中的氫以質子形式脫下，電子沿呼吸鏈轉移到分子氧，形成粒子型氧，再與質子結合生成水。放出的能量則使ADP和磷酸生成ATP。電子傳遞和ATP形成的偶聯機制稱為氧化磷酸化作用。整個過程稱為氧化呼吸鏈或呼吸代謝。

在葡萄糖的分解代謝中，一分子葡萄糖共生成10個NADH和2個FADH2，其標準生成自由能是613千卡，而在燃燒時可放出686千卡熱量，即90%貯存在還原型輔酶中。呼吸鏈使這些能量逐步釋放，有利於形成ATP和維持跨膜電勢。

原核細胞的呼吸鏈位於質膜上，真核細胞則位於線粒體內膜上。

組成

呼吸鏈包含15種以上組分，主要由4種酶複合體和2種可移動電子載體構成。其中複合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、輔酶Q和細胞色素C的數量比為1：2：3：7：63：9。

呼吸鏈中五種酶複合體

複合體Ⅰ

即NADH，輔酶Q氧化還原酶複合體，由NADH脫氫酶（一種以FMN為輔基的黃素蛋白）和一系列鐵硫蛋白（鐵—硫中心）組成。它從NADH得到兩個電子，經鐵硫蛋白傳遞給輔酶Q。鐵硫蛋白含有非血紅素鐵和酸不穩定硫，其鐵與肽類半胱氨酸的硫原子配位結合。鐵的價態變化使電子從FMNH2轉移到輔酶Q。

複合體Ⅱ

由琥珀酸脫氫酶（一種以FAD為輔基的黃素蛋白）和一種鐵硫蛋白組成，將從琥珀酸得到的電子傳遞給輔酶Q。

輔酶Q

是呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體，可在膜中迅速移動。它在電子傳遞鏈中處於中心地位，可接受各種黃素酶類脫下的氫。複合體Ⅲ 輔酶Q：細胞色素C氧化還原酶複合體，是細胞色素和鐵硫蛋白的複合體，把來自輔酶Q的電子，依次傳遞給結合在線粒體內膜外表面的細胞色素C。

細胞色素類

都以血紅素為輔基，紅色或褐色。將電子從輔酶Q傳遞到氧。根據吸收光譜，可分為三類：a,b,c。呼吸鏈中至少有5種：b、c₁、c、a、a₃（按電子傳遞順序）。細胞色素aa₃以複合物形式存在，又稱細胞色素氧化酶，是最後一個載體，將電子直接傳遞給氧。從a傳遞到a₃的是兩個銅原子，有價態變化。

複合體Ⅳ：細胞色素C氧化酶複合體。將電子傳遞給氧。

遞電子體

構成呼吸鏈的遞氫體和遞電子體主要分為以下五類。

NAD+

尼克醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺）或稱輔酶I(CoⅠ)，為體內很多脫氫酶的輔酶，是連線作用物與呼吸鏈的重要環節，分子中除含尼克醯胺（維生素PP）外，還含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸（AMP）。

輔酶I與輔酶II

NAD⁺的主要功能是接受從代謝物上脫下的2H（2H⁺+2e^-），然後傳給另一傳遞體黃素蛋白。

在生理pH條件下，尼克醯胺中的氮（吡啶氮）為五價的氮，它能可逆地接受電子而成為三價氮，與氮對位的碳也較活潑，能可逆地加氫還原，故可將NAD+視為遞氫體。反應時，NAD+的尼克醯胺部分可接受一個氫原子及一個電子，尚有一個質子（H⁺）留在介質中。

此外，亦有不少脫氫酶的輔酶為尼克醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺），又稱輔酶Ⅱ（CoⅡ），它與NAD⁺不同之處是在腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羥基的氫被磷酸基取代而成。

當此類酶催化代謝物脫氫後，其輔酶NADP+接受氫而被還原生成NADPH+H⁺，它須經吡啶核苷酸轉氫酶（pyridine nucleotide transhydrogenase）作用將還原當量轉移給NAD+，然後再經呼吸鏈傳遞，但NADPH+H⁺一般是為合成代謝或羥化反應提供氫。

呼吸鏈中的NADH和NADPH的區別為，NADH主要用於糖酵解和細胞呼吸作用中的檸檬酸循環。NADPH主要在磷酸戊糖途徑中產生，它主要中來合成核酸和脂肪酸。

黃素蛋白

黃素蛋白（flavoproteins)種類很多，其輔基有兩種，一種為黃素單核苷酸(FMN），另一種為黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD），兩者均含核黃素（維生素B2），此外FMN尚含一分子磷酸，而FAD則比FMN多含一分子腺苷酸（AMP）。

在FAD、FMN分子中的異咯嗪部分可以進行可逆的脫氫加氫反應。FAD或FMN與酶蛋白部分之間是通過非共價鍵相連，但結合牢固，因此氧化與還原（即電子的失與得）都在同一個酶蛋白上進行，故黃素核苷酸的氧化還原電位取決於和它們結合的蛋白質，所以有關的標準還原電位指的是特定的黃素蛋白，而不是游離的FMN或FAD；在電子轉移反應中它們只是在黃素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作為作用物或產物，這和NAD+不同，NAD+與酶蛋白結合疏鬆，當與某酶蛋白結合時可以從代謝物接受氫，而被還原為NADH，後者可以游離，再與另一種酶蛋白結合，釋放氫後又被氧化為NAD+。

呼吸鏈

多數黃素蛋白參與呼吸鏈組成，與電子轉移有關，如NADH脫氫酶（NADh dehydrogenase）以FMN為輔基，是呼吸鏈的組分之一，介於NADH與其它電子傳遞體之間；琥珀酸脫氫酶，線粒體內的甘油磷酸脫氫酶（glycerol phosphate dehydrogenase）的輔基為FAD，它們可直接從作用物轉移還原當量H++e reducing equivalent）到呼吸鏈，此外脂肪醯CoA脫氫酶與琥珀酸脫氫酶相似，亦屬於FAD為輔基的黃素蛋白類，也能將還原當量從作用物傳遞進入呼吸鏈，但中間尚需另一電子傳遞體稱為電子轉移黃素蛋白，輔基為FAD）參與才能完成。

鐵硫蛋白

（三）鐵硫蛋白（iron?sulfur proteins,Fe-S)

又稱鐵硫中心，其特點是含鐵原子。鐵是與無機硫原子或是蛋白質肽鏈上半胱氨酸殘基的硫相結合，常見的鐵硫蛋白有三種組合方式（a）單個鐵原子與4個半胱氨酸殘基上的巰基硫相連。（b）兩個鐵原子、兩個無機硫原子組成（2Fe-2S），其中每個鐵原子還各與兩個半胱氨酸殘基的巰基硫相結合。（c）由4個鐵原子與4個無機硫原子相連（4Fe?4S），鐵與硫相間排列在一個正六面體的8個頂角端；此外4個鐵原子還各與一個半胱氨酸殘基上的巰基硫相連。

(a）單個鐵與半胱氨酸硫相連　（b)2Fe-2S　（c)4Fe-4S

鐵硫蛋白中的鐵可以呈兩價（還原型），也可呈三價（氧化型），由於鐵的氧化、還原而達到傳遞電子作用。

在呼吸鏈中它多與黃素蛋白或細胞色素b結合存在。

泛醌

泛醌（ubiquinone,UQ或Q)，亦稱輔酶Q(coenzyme Q），為一脂溶性苯醌，帶有一很長的側鏈，是由多個異戊二烯（isoprene）單位構成的，不同來源的泛醌其異戊二烯單位的數目不同，在哺乳類動物組織中最多見的泛醌其側鏈由10個

呼吸鏈

異戊二烯單位組成。

泛醌接受一個電子和一個質子還原成半醌，再接受一個電子和質子則還原成二氫泛醌，後者又可脫去電子和質子而被氧化恢復為泛醌。

細胞色素體系

1926年Keilin首次使用分光鏡觀察昆蟲飛翔肌振動時，發現有特殊的吸收光譜，因此把細胞內的吸光物質定名為細胞色素。細胞色素是一類含有鐵卟啉輔基的色蛋白，屬於遞電子體。線粒體內膜中有細胞色素b、c1、c、aa3，肝、腎等組織的微粒體中有細胞色素P450。細胞色素b、c1、c為紅色細胞素，細胞色素aa3為綠色細胞素。不同的細胞色素具有不同的吸收光譜，不但其酶蛋白結構不同，輔基的結構也有一些差異。

細胞色素c為一外周蛋白，位於線粒體內膜的外側。細胞色素C比較容易分離提純，其結構已清楚。哺乳動物的Cyt c由104個胺基酸殘基組成，並從進化的角度作了許多研究。Cyt c的輔基血紅素（亞鐵原卟啉）通過共價鍵（硫醚鍵）與酶蛋白相連（見右上圖），其餘各種細胞色素中輔基與酶蛋白均通過非共價鍵結合。

細胞色素C的輔基與酶蛋白的聯接方式

呼吸鏈

細胞色素a和a3不易分開，統稱為細胞色素aa3。和細胞色素P450、b、c1、c不同，細胞色素aa3的輔基不是血紅素，而是血紅素A（見圖6?）。細胞色素aa3可將電子直接傳遞給氧，因此又稱為細胞色素氧化酶。

鐵卟啉輔基所含Fe2+可有Fe2+←→Fe3++e的互變，因此起到傳遞電子的作用。鐵原子可以和酶蛋白及卟啉環形成6個配位鍵。細胞色素aa₃和P?450輔基中的鐵原子只形成5個配位鍵，還能與氧再形成一個配位鍵，將電子直接傳遞給氧，也可與CO、氰化物、H2S或疊氮化合物形成一個配位鍵。細胞色素aa3與氰化物結合就阻斷了整個呼吸鏈的電子傳遞，引起氰化物中毒。

抑制劑

1.魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：阻斷電子從NADH到輔酶Q的傳遞。魚藤酮是極毒的植物物質，可作殺蟲劑。

2.抗黴素A：從鏈黴素分離出的抗生素，抑制從細胞色素b到c₁的傳遞。

3.氰化物、疊氮化物、CO、H₂S等，阻斷由細胞色素aa3到氧的傳遞。