呼吸鏈與電子傳遞
在三羧酸循環(huán)中，乙酰CoA氧化釋放的大部分能量都儲存在輔酶（NADH和FADH2）分子中。細胞利用線粒體內(nèi)膜中一系列的電子載體（呼吸鏈），伴隨著逐步電子傳遞，將NADH或FADH2進行氧化，逐步收集釋放的自由能最后用于ATP的合成，將能量儲存在ATP的高能磷酸鍵。
■ 電子載體（electron carriers）
在電子傳遞過程中與釋放的電子結(jié)合并將電子傳遞下去的物質(zhì)稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。
● 黃素蛋白（flavoproteins） 黃素蛋白是由一條多肽結(jié)合1個輔基組成的酶類，每個輔基能夠接受和提供兩個質(zhì)子和電子。
● 細胞色素（cytochromes） 細胞色素是含有血紅素輔基（圖7-24）的一類蛋白質(zhì)。在氧化還原過程中，血紅素基團的鐵原子可以傳遞單個的電子。血紅素中的鐵通過Fe3+和 Fe2+兩種狀態(tài)的變化傳遞電子；在還原反應(yīng)時，鐵原子由Fe3+狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Fe2+狀態(tài)；在氧化反應(yīng)中，鐵由Fe2+轉(zhuǎn)變成Fe3+.
四個卟啉環(huán)都含有側(cè)鏈，不同的細胞色素所含側(cè)鏈不同。圖中所示是細胞色素c，血紅素與多肽的兩個半胱氨酸共價結(jié)合，但在大多數(shù)細胞色素分子中，血紅素并不與多肽共價結(jié)合。
● 鐵硫蛋白（iron-sulfur proteins， Fe/S protein） 鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質(zhì)，也是細胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結(jié)合的不是血紅素而是鐵和硫，稱為鐵-硫中心（iron-sulfur centers)。
醌（uniquinone UQ）或輔酶Q（coenzyme Q） 輔酶Q是一種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構(gòu)成。如同黃素蛋白，每一個醌能夠接受和提供兩個電子和質(zhì)子（圖7-26），部分還原的稱為半醌，完全還原的稱為全醌（UQH2）。
圖7-26 輔酶Q的氧化和還原形式
輔酶Q的氧化還原分兩步進行，先接受一個電子，得到部分還原，稱為半醌，再得到一個電子，成為完全還原的醌，稱為全醌。全醌失去一個電子是部分氧化，成為半醌，兩個電子全部失去，即完全氧化則稱為還原型的醌。
■ 氧化還原電位與載體排列順序
● 氧還電位（oxidation-reduction potentials， redox potentials）
不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位，而氧化與還原又是偶聯(lián)的，如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數(shù)量不同，所以二者間就有一個電位差，即氧還電位。
● 呼吸鏈中電子載體的氧還電位
氧還電位在標準條件下測定，即得標準氧化還原電位（standard oxidation reduction potentials， E0＇）。表7-4 是測得的某些電子載體的標準氧還電位。
表7-4 某些電子載體的標準氧還電位
氧化型 還原型 x E0＇（伏特）
NAD+ NADH+ H+ 2 - 0.32
FMN FMNH2 2 - 0.30
FAD FADH2 2 - 0.22
丙酮酸 乳酸 2 - 0.19
輔酶Q UQH2 2 + 0.04
細胞色素b（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.07
細胞色素c1（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.23
細胞色素c（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.25
細胞色素a（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.29
細胞色素a3（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.55
1/2O2 + H+ H2O 2 + 0.82
注： n = 傳遞的電子數(shù)。
● 呼吸鏈中電子載體的排列順序
標準氧化還原電位的值越小，提供電子的能力越強。因此只要分別測定電子載體的氧化還原電位，再進行比較，可初步推斷它們在呼吸鏈中的排列順序。
根據(jù)測得的標準氧化還原電位，按氧還電位的大小可排出電子載體在呼吸鏈中的位置。
圖中給出各電子載體近似的氧還電位，并標出了電子對沿呼吸鏈向分子氧傳遞形成的自由能，垂直箭頭線表示產(chǎn)生的能量足夠驅(qū)使質(zhì)子穿過線粒體內(nèi)膜，其后可為ATP合成提供能量。
圖中每一個載體都是從呼吸鏈中上一個載體獲得電子被還原，而上一個載體由于失去電子被氧化，因此電子是從一個載體傳向另一個載體，直至最終的受體被還原為止，在該呼吸鏈中的最終的受體是O2，接收電子后生成水。
■ 呼吸鏈的組成和排列
呼吸鏈由四種復(fù)合物、細胞色素c和輔酶Q組成。輔酶Q和細胞色素c是獨立存在的，四種復(fù)合物又都是由幾種不同的蛋白組成的多蛋白復(fù)合體（圖7-27，表7-5），功能是參與氧化還原作用，由于這些復(fù)合物在線粒體內(nèi)膜中不停地移動，所以它們沒有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
● 復(fù)合物I（ complex I） 復(fù)合物I又稱NADH 脫氫酶（NADH dehydrogenase）或NADH-CoQ 還原酶復(fù)合物， 功能是催化一對電子從NADH傳遞給CoQ，一對電子從復(fù)合物Ⅰ傳遞時伴隨著4個質(zhì)子被傳遞到膜間隙。
● 復(fù)合物Ⅱ（complex Ⅱ） 復(fù)合物Ⅱ又稱為琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）或琥珀酸-CoQ 酶復(fù)合物，功能是催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q，復(fù)合物Ⅱ傳遞電子時不伴隨氫的傳遞。
● 復(fù)合物Ⅲ（complex Ⅲ） 復(fù)合物Ⅲ又稱CoQH2-細胞色素c 還原酶復(fù)合物，每傳遞一對電子，同時傳遞4個H+到膜間隙。
在三羧酸循環(huán)中，乙酰CoA氧化釋放的大部分能量都儲存在輔酶（NADH和FADH2）分子中。細胞利用線粒體內(nèi)膜中一系列的電子載體（呼吸鏈），伴隨著逐步電子傳遞，將NADH或FADH2進行氧化，逐步收集釋放的自由能最后用于ATP的合成，將能量儲存在ATP的高能磷酸鍵。
■ 電子載體（electron carriers）
在電子傳遞過程中與釋放的電子結(jié)合并將電子傳遞下去的物質(zhì)稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。
● 黃素蛋白（flavoproteins） 黃素蛋白是由一條多肽結(jié)合1個輔基組成的酶類，每個輔基能夠接受和提供兩個質(zhì)子和電子。
● 細胞色素（cytochromes） 細胞色素是含有血紅素輔基（圖7-24）的一類蛋白質(zhì)。在氧化還原過程中，血紅素基團的鐵原子可以傳遞單個的電子。血紅素中的鐵通過Fe3+和 Fe2+兩種狀態(tài)的變化傳遞電子；在還原反應(yīng)時，鐵原子由Fe3+狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Fe2+狀態(tài)；在氧化反應(yīng)中，鐵由Fe2+轉(zhuǎn)變成Fe3+.
四個卟啉環(huán)都含有側(cè)鏈，不同的細胞色素所含側(cè)鏈不同。圖中所示是細胞色素c，血紅素與多肽的兩個半胱氨酸共價結(jié)合，但在大多數(shù)細胞色素分子中，血紅素并不與多肽共價結(jié)合。
● 鐵硫蛋白（iron-sulfur proteins， Fe/S protein） 鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質(zhì)，也是細胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結(jié)合的不是血紅素而是鐵和硫，稱為鐵-硫中心（iron-sulfur centers)。
醌（uniquinone UQ）或輔酶Q（coenzyme Q） 輔酶Q是一種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構(gòu)成。如同黃素蛋白，每一個醌能夠接受和提供兩個電子和質(zhì)子（圖7-26），部分還原的稱為半醌，完全還原的稱為全醌（UQH2）。
圖7-26 輔酶Q的氧化和還原形式
輔酶Q的氧化還原分兩步進行，先接受一個電子，得到部分還原，稱為半醌，再得到一個電子，成為完全還原的醌，稱為全醌。全醌失去一個電子是部分氧化，成為半醌，兩個電子全部失去，即完全氧化則稱為還原型的醌。
■ 氧化還原電位與載體排列順序
● 氧還電位（oxidation-reduction potentials， redox potentials）
不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位，而氧化與還原又是偶聯(lián)的，如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數(shù)量不同，所以二者間就有一個電位差，即氧還電位。
● 呼吸鏈中電子載體的氧還電位
氧還電位在標準條件下測定，即得標準氧化還原電位（standard oxidation reduction potentials， E0＇）。表7-4 是測得的某些電子載體的標準氧還電位。
表7-4 某些電子載體的標準氧還電位
氧化型 還原型 x E0＇（伏特）
NAD+ NADH+ H+ 2 - 0.32
FMN FMNH2 2 - 0.30
FAD FADH2 2 - 0.22
丙酮酸 乳酸 2 - 0.19
輔酶Q UQH2 2 + 0.04
細胞色素b（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.07
細胞色素c1（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.23
細胞色素c（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.25
細胞色素a（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.29
細胞色素a3（Fe3+） 細胞色素b（Fe2+） 1 + 0.55
1/2O2 + H+ H2O 2 + 0.82
注： n = 傳遞的電子數(shù)。
● 呼吸鏈中電子載體的排列順序
標準氧化還原電位的值越小，提供電子的能力越強。因此只要分別測定電子載體的氧化還原電位，再進行比較，可初步推斷它們在呼吸鏈中的排列順序。
根據(jù)測得的標準氧化還原電位，按氧還電位的大小可排出電子載體在呼吸鏈中的位置。
圖中給出各電子載體近似的氧還電位，并標出了電子對沿呼吸鏈向分子氧傳遞形成的自由能，垂直箭頭線表示產(chǎn)生的能量足夠驅(qū)使質(zhì)子穿過線粒體內(nèi)膜，其后可為ATP合成提供能量。
圖中每一個載體都是從呼吸鏈中上一個載體獲得電子被還原，而上一個載體由于失去電子被氧化，因此電子是從一個載體傳向另一個載體，直至最終的受體被還原為止，在該呼吸鏈中的最終的受體是O2，接收電子后生成水。
■ 呼吸鏈的組成和排列
呼吸鏈由四種復(fù)合物、細胞色素c和輔酶Q組成。輔酶Q和細胞色素c是獨立存在的，四種復(fù)合物又都是由幾種不同的蛋白組成的多蛋白復(fù)合體（圖7-27，表7-5），功能是參與氧化還原作用，由于這些復(fù)合物在線粒體內(nèi)膜中不停地移動，所以它們沒有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
● 復(fù)合物I（ complex I） 復(fù)合物I又稱NADH 脫氫酶（NADH dehydrogenase）或NADH-CoQ 還原酶復(fù)合物， 功能是催化一對電子從NADH傳遞給CoQ，一對電子從復(fù)合物Ⅰ傳遞時伴隨著4個質(zhì)子被傳遞到膜間隙。
● 復(fù)合物Ⅱ（complex Ⅱ） 復(fù)合物Ⅱ又稱為琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）或琥珀酸-CoQ 酶復(fù)合物，功能是催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q，復(fù)合物Ⅱ傳遞電子時不伴隨氫的傳遞。
● 復(fù)合物Ⅲ（complex Ⅲ） 復(fù)合物Ⅲ又稱CoQH2-細胞色素c 還原酶復(fù)合物，每傳遞一對電子，同時傳遞4個H+到膜間隙。