生物化学-第12章电子传递和氧化磷酸化

第十二章电子传递与氧化磷酸化需氧生物能够利用氧将葡萄糖(以及其他有机物分子)完全氧化，产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)。葡萄糖完全氧化的总反应可用下式表示C6H12O6＋6O2—→6CO2＋6H2O这一总反应实际上由两个不同的代谢过程偶联进行的结果。前面讨论的有关糖酵解和柠檬酸循环只是构成了其中一半的反应，即：C6H12O6＋6H2O—→6CO2＋24H＋＋24e－另一半反应则是分子氧被还原生成水的过程：6O2＋24H＋＋24e－—→12H2O当葡萄糖氧化时，生成了10分子的NADH和2分子的FADH2，电子以还原性的辅酶形式进入到线粒体电子传递系统，发生下述反应事件：NADH和FADH2上的电子被转移到其他的电子载体上，本身被氧化成NAD＋和FAD，可以继续参与代谢物的氧化反应。被转移的电子经由线粒体内膜上的四个有序的酶复合物构成的电子传递系统---电子传递链(或呼吸链)---的传递，最后使O2还原成H2O。当电子被转移时，伴随着氢质子从线粒体内膜基质侧跨膜转移到内膜外侧，产生一种跨膜的电化学梯度。蕴藏在电化学梯度中的能量，推动ATP酶促磷酸化，生成ATP。上述的事件实际上包含着电子传递和氧化磷酸化两个方面的反应。第一节线粒体的结构与功能线粒体是真核生物重要的细胞器，是真核生物氧化性代谢的场所。线粒体含有丙酮酸脱氢酶复合物、柠檬酸循环的酶、催化脂肪酸氧化的酶、电子传递和氧化磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白。因此，线粒体常被描述为细胞的“动力车间”。一、线粒体的形态和结构电子传递和氧化磷酸化过程与细胞的膜结构密切相关。在原核生物中，由于细胞结构简单，电子传递和氧化磷酸化过程发生在质膜上。在真核生物中，这样的过程出现线粒体的内膜上。线粒体的外形很像动物的肾，其大小约在0.5～1.0µm，与一个细菌的大小接近。典型的真核生物细胞约含2000个线粒体，占细胞的总体积的1/5。线粒体是由双层膜包围的细胞器。光滑的外膜大约由30～40%的脂类和60～70%的蛋白质组成，含有较高浓度的磷脂酰肌醇。外膜还含有一种很丰富的(膜)孔蛋白(porin)，是一种跨膜蛋白，富含β-折叠片。该蛋白能形成很大的跨膜通道，允许分子量10000以下的分子自由扩散。显然，外膜主要行使保持线粒体形态的功能。线粒体内膜富含蛋白质，蛋白质约占80%。因此，内膜的密度比外膜高。内膜脂类所含的脂肪酸是高度不饱和的。心磷脂和二磷脂酰甘油很丰富，但内膜缺少胆甾醇。内膜对分子和离子是不可通透的。跨线粒体内膜转运的离子、底物、脂肪酸都是通过膜上的特殊的转运蛋白完成的。线粒体内膜连续内折，形成脊(cristae)，从而为内膜在一个小的线粒体范围内提供较大的表面积。与电子传递和氧化磷酸化过程密切相关的蛋白质和电子传递体一般都位于内膜和脊上。内膜的存在把线粒体分隔成膜间空间(intermembranespace)和内侧基质(matrix)。膜间空间位于内膜和外膜之间，几种能够利用ATP的酶(例如肌酸激酶和腺苷酸激酶等)可在这一分隔间找到。线粒体基质是液态形的，它含有柠檬酸循环和脂肪酸氧化的绝大多数酶。在参与柠檬酸循环的酶中，只有琥珀酸脱氢酶是一种膜结合蛋白。二、线粒体的跨膜转运系统除与电子传递和氧化磷酸化有关的蛋白质外，内膜含有很多控制代谢物和离子进出的转运蛋白。（一）细胞溶质(胞液)还原力的跨膜转运胞液中糖酵解产生的NADH可通过：苹果酸-天冬氨酸穿梭磷酸甘油穿梭系统转运到线粒体内。1苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-aspartateshuttle)在哺乳动物的肝脏，肾和心肌中是很活跃的。该途径涉及苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶。这两种酶在胞液和线粒体基质中都存在。此外，还涉及到内膜上的转运蛋白。。经该系统转运的每分子还原当量可产生3分子的ATP。谷氨酸－天冬氨酸移位酶苹果酸－α-酮戊二酸移位酶磷酸甘油穿梭在昆虫的飞翔肌中是一种占优势的途径。在哺乳动物中，该途径主要存在于肌肉和脑组织中。这个途径涉及两种3-磷酸甘油脱氢酶：一种是胞液型的，以NAD(H)作为辅酶；另一种是位于线粒体内膜外表面的﹑以FAD作为辅酶的黄素蛋白。还原型的FADH2直接将电子转移给内膜上的辅酶Q(CoQ)，从而进入呼吸链继续传递，故来自胞液的NADH的还原当量经该途径只产生2分子的ATP。（FADH2上电子传递途径与NADH有所区别。没有进入基质）P2磷酸甘油穿梭：肌肉、神经（二）ADP-ATP转运蛋白由线粒体电子传递和氧化磷酸化产生的ATP大多数是在胞液中被利用。线粒体内膜含有ADP-ATP转运蛋白(也叫做腺苷酸交换酶)，该蛋白能将线粒体基质中的ATP以与ATP在胞液中被利用产生的ADP进行交换的方式转运到胞液中。ADP-ATP转运蛋白是由两个相同的、分子量为30kD的亚基组成，含有一个ADP和ATP竞争结合的部位。它以两种构象存在：一种是它的ADP-ATP结合部位面向线粒体内膜内侧，另一种是它的结合部位面向线粒体内膜外侧。该转运蛋白必须结合配体才能以生理上适当的速度从一种构象转变成另一种构象。注意，ATP输出(净电荷为﹣4)和ADP输入(净电荐为﹣3)导致每次转运循环输出一个负电荷。这种电生反向转运(electrogenicantiport)是由跨线粒体内膜的膜电位差(△ψ)推动的，膜电位差是跨膜的质子梯度造成的。第二节电子传递参与电子传递的电子载体(或传递体)与线粒体内膜有着密切的关系，它们在内膜结构上的顺序大致反映出它们各自氧化还原电势的高低。因此电子的传递过程是一个放能的过程。一、电子传递链及其组成电子传递过程中的一系列氧化还原反应是由许多电子传递体(即电子载体)所组成的电子传递链(即呼吸链)完成的。电子在传递过程中有严格的顺序。这种传递顺序是有每个电子载体的氧化型和还原型所构成的电对的氧化还原电势决定的。电子从氧化还原电势较低的载体上传递到氧化还原电势较高的载体上。电子传递链(electron-transportchain)或呼吸链(respiratorychain)是指具有严格排列顺序的电子载体所构成的体系。电子传递链的主要组分包括烟酰胺腺嘌呤核苷酸、黄素蛋白、铁-硫蛋白、辅酶Q﹑以及细胞色素类蛋白，它们在细胞线粒体内膜上的定位关系与它们在电子传递链的严格顺序是一致的。SH2SNAD+NADH+HFMNH2FeSFMNFeSCoQCoQH2－Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212－O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-－1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌－细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）大多数脱氢酶对NAD＋是专一的，只有少数脱氢酶(如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)以NADP＋作为辅酶。胞液中的和线粒体中的NAD＋和NADP＋被线粒体内膜隔开，彼此不能自由通过。由于大多数脱氢酶是以NAD＋作为辅酶，所以从不同的底物脱下的电子都可以集中到同一分子NAD＋上，然后以还原型(NADH)的形式进入到呼吸链。因此，NAD＋具有集中电子的作用。（一）烟酰胺腺嘌呤核苷酸(NAD＋和NADP＋)（二）黄素蛋白有几种需要黄素核苷酸(FMN和FAD)作为辅基的酶参与了电子传递。这类酶叫做黄素蛋白(flavoproteins,简为fp)或黄酶(flavoenzymes)。黄素蛋白的辅基或是FMN，或是FAD,两者在氧化还原反应中都可以接受或供出一个或二个电子。NADH脱氢酶(也叫做NADH-CoQ还原酶)是一种含FMN的黄素蛋白。NADH脱氢酶是一种多体酶，含有多达43条多肽链，分子量约850kD。该酶还含有5～7个铁-硫簇(iron-sulfurclusters)，因而这个酶又称为铁-硫蛋白。NADH上的电子最初为其脱氢酶的辅基FMN所接受，然后通过几个铁-硫簇转移到辅酶Q(CoQ)上。此外，琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等以FAD为辅基。琥珀酸脱氢酶是一种膜结合蛋白，位于线粒体内膜上。琥珀酸脱氢酶同FAD的结合是共价的。琥珀酸脱氢酶是琥珀酸-CoQ还原酶复合物的组分之一，该复合物的另一组分是铁-硫蛋白。铁-硫蛋白是一类复杂的蛋白质，铁和硫结合到这类蛋白质的半胱氨酸残基上。铁-硫蛋白是一类非血红素铁蛋白(不含血红素)。在铁-硫蛋白中，铁和硫通常都是等量存在，2Fe-2S和4Fe-4S是最普遍的铁-硫簇。当铁-硫蛋白作为电子载体时，其铁-硫簇的铁原子能以氧化型(Fe3＋)和还原型(Fe2＋)的形式作为电子受体和供体参与电子的传递。（三）铁-硫蛋白(Iron-sulfurproteins)（四）辅酶Q(CoQ)也叫做泛醌(ubiquinone)，是电子传递链中的唯一的一种非蛋白质组分。不同来源的CoQ的基本结构相同，只是在侧链上的异戊二烯单位的数目存在差别。动物线粒体的CoQ侧链含有10个异戊二烯单位，用CoQ10表示。其他种类的生物中含有6～8个异戊二烯单位。细菌CoQ的侧链中含有6个异戊二烯单位.CoQ可被还原为氢醌(hydroquinone)，这一反应是可逆的，是CoQ作为电子载体的基础。实际上，CoQ象FMN一样，可以三种不同的形式存在，即氧化型(醌型)、半醌型(自由基型)和还原型(氢醌型)。这就是说，CoQ既可以接受一个电子，亦可以接受二个电子。它占据着电子传递链的中心,是电子传递过程中的电子集中点。来自NADH和FADH2上的电子都必须经过该点最终传递到氧分子上。氧化态－醌型自由基态－半醌型还原态－氢醌型由于CoQ是电子传递链中唯一不与其他蛋白质紧密结合的电子载体，异戊二烯基尾链是非极性的，它能促进CoQ在线粒体内膜的碳氢相中迅速扩散，这就允许它作为一种流动着的电子载体在复合物Ⅰ(或复合物Ⅱ)和复合物Ⅲ之间起桥梁作用。细胞色素是一类含血红素(heme)的铁蛋白。这类蛋白质只存在于需氧细胞中，在把电子从CoQ传递到氧分子的过程中起着重要作用。细胞色素的吸收光谱位于可见光范围内。根据α-吸收带的实际波长可分为a、b、c三类细胞色素(图12－8)。在哺乳动物线粒体电子传递链中，至少存在b、c、c1、a和a3等五种细胞色素蛋白。细胞色素b、c和c1都含有血红素(含铁的原卟啉)，与血红蛋白和肌红蛋白相同。（五）细胞色素(cytochrome)在细胞色素b中，血红素是以非共价的方式与蛋白质多肽链相连，而细胞色素c和c1的血红素是以共价键的方式同蛋白质部分相连。但是，细胞色素a和a3含有一个修饰的叫做血红素A(hemeA)的辅基。返回细胞色素b、c1、a和a3都是完全的膜结合蛋白。有证据揭示，细胞色素b有两个不同的血红素结合部位，称为b562(或bH，具有较高的氧化电势，靠近膜间空间)和b566(或bL，具有较低的氧化电势，靠近基质)。细胞色素a和a3作为一个复合物出现在电子传递链的末端，与电子从细胞色素c传递到氧分子直接相关，所以细胞色素a,a3又叫做细胞色素c氧化酶或细胞色素氧化酶。细胞色素c在水中是可溶的，它是一种膜外周蛋白(peripheralmembraneprotein)。细胞色素c的这种特性允许它在电子传递链的两个复合物之间起传递电子的联系作用。在电子传递链中，所有这些细胞色素都是通过它们的铁原子的价态变化来接受和供出电子。Fe3＋＋e－←→Fe2＋二、电子传递链的组织结构及电子传递顺序在电子传递链中，电子的流动有着严格的顺序，不能超越其间的第二个载体而流向第三个载体。这表明电子传递链中的电子载体在膜结构上有着严格的组织顺序和定位关系。后来，从线粒体内膜上分离出了功能上相当的电子载体的结构复合物。这些结构复合物是：（一）复合物Ⅰ(NADH-CoQ氧化还原酶)：由NADH脱氢酶和它的铁-硫蛋白构成，催化电