10.1 呼吸链在线视频

同学们好

能量代谢是细胞代谢的重要部分

机体的很多生理过程

都需要能量才能够完成

那么接下来我们就来看看

细胞能量代谢的过程

细胞能量的通用形式是ATP

而产生ATP主要方式有

氧化磷酸化 光合磷酸化

以及底物水平磷酸化等等

而氧化磷酸化是动物细胞获得能量的

最主要的途径

氧化磷酸化是利用了

电子流从NADH或者是FADH2

通过一系列膜结合的电子载体

传递到氧气 合成ATP的这一过程

而这一系列载体则称为呼吸链

这些呼吸链的分子

主要位于线粒体的内膜上

呼吸链包含四个大的多蛋白复合体

也就是复合体I II III IV

其中三个是质子泵

呼吸链上还包括了两个移动电子载体

也就是泛醌和细胞色素c

细胞色素c是一个蛋白

它其中含有血红素辅基

细胞色素c在还原状态

有三个可见光波长的吸收峰

而氧化态只有两个吸收峰

因此可以通过光谱进行检测

泛醌它是具有异戊二烯的侧链

它是唯一一个

不结合蛋白质的电子载体

泛醌可以接受一个或者两个电子

形成半醌自由基或者是泛醇

此外 在呼吸链蛋白中

起电子传递作用的辅基

主要包括像黄素 血红素 铁硫簇和铜

比如说黄素单核苷酸FMN

它就是可以接收一个电子

而FMNH2它就可以提供一个电子

给半醌自由基的中间体

又比如铁硫中心也具有不同的类型

可以是1个铁原子

与4个来自半胱氨酸的硫原子

也可以是2个铁原子与2个硫原子

还可以是4个铁原子

和4个硫原子组成

铁原子在2价和3价之间循环

就起到了一个电子传递的作用

呼吸链将NADH或者FADH2的电子

传递给氧气

中间会经过一系列的电子载体的传递

那么电子经过这些电子载体的顺序

是什么样的呢

我们怎么来判断这个顺序呢

我们可以通过一系列实验的方法

来进行判断

一种方法

我们可以采用测量标准

还原电势的方法

比如说电子倾向于

从低还原电势的载体

转移到高还原电势的载体

通过标准还原电势

我们就可以初步的判断电子的传递方向

但是在真实的细胞当中

因为并不满足

标准还原电势的测定环境

所以很多情况下

是与实际的情况不符的

第二种方法

我们还可以通过氧化动力学

这种方法来进行研究

在完全还原的状态下

如果我们突然加入氧气

越早被氧化的载体

它就越接近呼吸链的末端

采用快速的敏感的

这种光谱光度测量技术

我们可以来跟踪细胞色素的氧化过程

就可以进行检测

第三种方法与第二种方法类似

我们可以采用不同的特异性的抑制剂

来进行处理

在阻断步骤之前可以被还原

在阻断步骤之后可以被氧化

比如说鱼藤酮

就可以抑制NADH将电子传递给泛醌

那么用鱼藤酮处理之后

NADH就处于还原状态

其后的电子载体就都是处于氧化状态

或者我们用抗霉素A

可以抑制细胞色素b

将电子传递给细胞色素c1

那么在抗霉素A处理后

细胞色素b及以前的电子载体

都是处于还原态

之后的电子载体就是处于氧化态

一些常见的可以抑制呼吸链的

不同位点的抑制剂

同学们可以从这个表中找到

第四种方法

是将各个多蛋白复合体进行分离

然后提供特定的电子供体和电子受体

就可以确定该蛋白复合体

在呼吸链中的位置

通过以上这些实验

我们最终确定了

电子在呼吸链上的传递路径

那么电子是怎样从NADH

一步一步的传递给氧气的呢

NADH是在NADH脱氢酶

也就是复合体I的这个位置

进入呼吸链的

这个蛋白复合体呈L型的

分子量有850 kD

由42个不同的亚基组成

整体它甚至是比核糖体还要大

复合体I是以FMN和Fe-S中心

作为辅基的

这一步的最终的电子受体是泛醌

在NADH将电子转移到泛醌的

这一过程中

放能的电子转移与吸能的质子泵

这两者之间进行耦合

也就是说每一对电子进行转移

就有4个质子从线粒体的基质一侧

泵入到内膜和外膜之间的膜空腔

但是这个具体的机制

仍然是有待进一步的研究

这幅图中给出了复合体I的蛋白结构

以及电子在其中的转移途径

电子在这一复合体当中的传递顺序

是从NADH到FMN

再到铁硫中心

最后再到泛醌

FADH2也是将电子传递给泛醌

黄素蛋白结合到线粒体内膜

并将其在FADH2上收集的电子

转移到泛醌上形成泛醇

从这些电子转移释放出来的能量

它是不够促进质子泵的转运的

所以在这一步

是没有质子泵出到膜空腔

这是复合体II的结构图

FADH2将电子经过铁硫中心

传递给泛醌

泛醌接收电子会转变成泛醇

泛醇的电子通过细胞色素bc1复合体

也就是复合体III

它会转移到细胞色素c上

复合体III是一个250 kD

含有11个亚基的一个多蛋白复合体

它的功能核心包括三个亚基

一个是细胞色素b

其中含有两个血红素 就是bH和bL

还包括一个Fe-S蛋白

以及细胞色素c1

这是复合体III的蛋白结构

及它的示意图

在复合体III中

双电子载体泛醇传递其中的一个电子

到单电子载体Fe-S中心上

再传递到细胞色素c1的

血红素C基团

最终到细胞色素c的血红素C基团

那另一个电子它会传递给

传递到bL bH

最终通过Q循环再回到泛醌

或者是泛醌自由基

细胞色素c是一种

在膜空腔中的可溶蛋白

它可以移动到复合体IV

而Q循环是帮助双电子载体泛醌

和单电子载体

细胞色素b和c之间的转换的

这个电子传递的途径

可以使得4个质子被转移到膜空腔

细胞色素c的电子在细胞色素氧化酶

也就是复合体IV上

转移给氧气

复合体IV是一种204 kD的

含有13个亚基的复合蛋白

其中有三个亚基

可能对其功能是起到关键作用的

在复合体IV中有三个铜离子

两个血红素A基团

是作为它的电子载体的

这是复合体IV的结构示意图

这是复合体IV中的电子传递途径

还原一分子氧气需要四个电子

在复合体IV的Fe-CuB中心被转移

生成两个分子的水

而每四个电子转移给一分子氧气

就有四个质子被转移到膜空腔中

相当于每转移一对电子

就有两个质子被转移到膜空腔

那我们整体来看一下

电子和质子在呼吸链上的转移途径

NADH和FADH2

分别从复合体I和复合体II

将电子转移给泛醌

泛醌将电子转移给复合体III

再转移给移动载体细胞色素c

细胞色素c再通过复合体IV

将电子转移给氧气

在呼吸链中

复合体I III IV都是质子泵

可以将质子从线粒体的基质一侧

转移到空腔

而复合体II它是没有这一功能的

通过呼吸链的电子传递

最终将产生一个

跨线粒体内膜的质子梯度

在细菌当中

这是一个跨细菌细胞膜的质子梯度

这是利用了电子流释放的能量

然后通过质子泵产生的

而产生的这个跨膜质子梯度

相当于积累了一个质子的

跨膜的电化学势

主动呼吸的线粒体当中

我们可以测得△pH

也就是这个内膜内外的pH差是0.75

而电势差大概是0.15到0.2伏特

相当于电子转移产生的这个能量

它是有效地储存在了质子梯度当中

这一质子梯度

除了可以用来合成ATP之外

还可以做其它的工作

经过呼吸链的电子传递

一个NADH

它的氧化可以泵出10个质子

而一个FADH2它的氧化

可以泵出6个质子

因为生成一分子ATP

是需要4个质子

从膜空腔回流到线粒体基质当中

所以一分子的NADH氧化

它是可以生成2.5个ATP

而一分子FADH2氧化

它可以生成1.5个ATP

那么ATP是怎样利用呼吸链

形成的质子梯度来进行合成的呢

这将是我们下节课的内容

好 本节课就上到这里