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呼吸链与氧化磷酸化（一）

糖酵解和三羧酸循环放出的能量，多数储存在还原辅酶中，仅有少部分以底物水平磷酸化的方式直接形成ATP。还原辅酶中的能量需要通过氧化磷酸化过程合成ATP，才能被利用。

还原辅酶上的电子如果传递给电负性更强（氧化还原电位更高）的物质，可以放出能量，差值越大，放能越多。但如果直接传递到氧，会因一次放出过多能量而导致反应过于剧烈，无法控制。

所以需氧生物采用一系列氧化还原电位介于二者之间的电子载体，构成一个梯度适当的传递链，让这个过程逐步进行。这样既有利于控制，又可提高利用效率。这一系列由电子载体构成的，从NADH或FADH2向氧传递电子的系统就叫做呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transport chain）。原核细胞的呼吸链位于质膜上，真核细胞则位于线粒体内膜上。

真核生物的呼吸链定位于线粒体内膜，引自维基百科

还原辅酶通过呼吸链再氧化的过程称为电子传递过程。辅酶运载的氢以质子形式脱下，电子则沿呼吸链转移到分子氧，形成离子型氧，再与质子结合生成水。放出的能量则使ADP和磷酸生成ATP。电子传递和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

还原辅酶的电子逐步传递到氧，是氧化；ADP生成ATP是磷酸化。这两个过程偶联在一起，以电子传递的能量推动ATP合成，所以称为氧化磷酸化。与此相对应，生物体通过其它高能化合物的基团转移来合成ATP，称为底物水平磷酸化。绿色植物通过光合作用，利用光能合成ATP，称为光合磷酸化。

在葡萄糖的分解代谢中，一分子葡萄糖共生成10个NADH和2个FADH2，其标准生成自由能是613千卡，而在燃烧时可放出686千卡热量，即90％贮存在还原型辅酶中。呼吸链使这些能量逐步释放，有利于形成ATP和维持跨膜电势。

呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。其中复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、辅酶Q和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。

呼吸链的构成，引自Physiol Rev. 2015.

复合体Ⅰ是NADH：辅酶Q氧化还原酶复合体，由NADH脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白（铁—硫中心）组成。它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。铁硫蛋白中铁的价态变化使电子从FMNH2转移到辅酶Q。

电子从复合体Ⅰ传递到辅酶Q是一个放能过程，每传递一对电子可以将4个质子泵到线粒体的内膜与外膜之间，从而建立起跨膜质子梯度。线粒体就是利用这个质子梯度来推动ATP的合成，这是化学渗透学说的基本要点。

关于质子转位的详细过程，有不同的理论，有的认为是一次完成４个质子的易位，有的认为是分两次进行的。目前根据对原核生物线粒体复合物Ⅰ晶体结构的研究，以及其它相关证据，认为复合体Ⅰ的几个亚基在线粒体内膜上形成４个质子通道。电子由ＦＭＮ通过铁硫簇传递到辅酶Ｑ，会引起质子通道的构象变化，最终完成质子易位。

一对电子从复合体Ⅰ传递到辅酶Q，泵出4个质子。引自BBA-Bioenergetics 1859 (2018)

复合体Ⅱ 就是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，含有FAD辅基和铁硫蛋白，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。复合体Ⅱ的能量变化较小，不能推动质子易位，所以FADH2产生的ATP比NADH少一个。

猪琥珀酸脱氢酶定位于线粒体内膜。引自Crit Rev Biochem Mol Biol. 2015.

参考文献：

  1. 1. Marcin Sarewicz, Artur Osyczka. Electronic connection between the quinone and cytochrome C redox pools and its role in regulation of mitochondrial electron transport and redox signaling. Physiol Rev. 2015 Jan;95(1):219-43.

  2. 2. Outi Haapanen , Vivek Sharma. A modeling and simulation perspective on the mechanism and function of respiratory complex I. BBA - Bioenergetics 1859 (2018) 510–523.

  3. 3. Jonathan G Van Vranken, Un Na, Dennis R Winge, Jared Rutter. Protein-mediated assembly of succinate dehydrogenase and its cofactors. Crit Rev Biochem Mol Biol. Mar-Apr 2015;50(2):168-80.

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