呼吸鏈

呼吸鏈

氧化磷酸化

• 胺基酸、脂肪和碳水化合物的代謝都會導致細胞呼吸，進而透過ATP合成提供能量。

• 在需氧生物體中，呼吸鏈是能量代謝的巔峰。

化學滲透理論

• 電子流經膜結合載體會釋放能量，這是一種放能的電子流動，伴隨自由焓的釋放和吸能的質子流動。

• 質子沿著濃度梯度流動會提供自由焓，用於ATP合成。

呼吸鏈概述

• 氧化還原電位（$E_0$）的變化驅動電子傳輸。

• NADH $+ H^+ \rightarrow NAD^+$ 的電子進入複合物I。

• 琥珀酸 $\rightarrow$ 延胡索酸 的電子進入複合物II。

• 電子依序經過泛醌（CoQ）、複合物III、細胞色素c、複合物IV。

• 氧氣（$1/2 O<em>2 + 2H^+ \rightarrow H</em>2O$）是最終的電子受體。

• 總反應：$1/2 O<em>2 + NADH + H^+ \leftrightarrow H</em>2O + NAD^+$

• 標準電位差 ($\Delta E^{0*}$) 為 $1.136 V$。

粒線體—「細胞的發電廠」

• 外膜 (Äußere Membran)：對小分子和離子具有滲透性，含有孔蛋白通道。

• 內膜 (Innere Membran)：對大多數小分子和離子（包括 $H^+$）不滲透，但包含：

  • 呼吸鏈的電子載體（複合物I-IV）。

  • ADP-ATP轉位酶 (ADP-ATP-Translokasen)。

  • ATP合酶 ($F<em>0F</em>1$) (ATP-Synthase)。

  • 其他膜轉運系統。

  • 嵴 (Cristae) 是內膜上的褶皺，增加了表面積。

• 基質 (Matrix)：含有：

  • 丙酮酸脫氫酶複合物 ($Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex$)。

  • 檸檬酸循環的酶 (Enzyme des Citratzyklus)。

  • 脂肪酸$\beta$-氧化的酶 (Enzyme der Fettsäure-$\beta$-Oxidation)。

  • 胺基酸氧化的酶 (Enzyme der Aminosäure-Oxidation)。

  • DNA、核糖體。

  • 許多其他酶。

  • ATP、ADP、$P_i$、$Mg^{2+}$、$Ca^{2+}$、$K^+$。

  • 許多可溶性代謝中間產物。

呼吸鏈：電子的進入

• NADH帶來的電子進入複合物I，琥珀酸帶來的電子進入複合物II。

• 氧化還原電位差 ($\Delta E^{0*}$) = $1.136 V$。

脫氫酶

• NAD依賴型脫氫酶 (NAD-abhängig)：

  • $\alpha$-酮戊二酸 $+ CoA + NAD^+ \rightarrow$ 琥珀醯CoA $+ CO_2 + NADH + H^+$ (粒線體基質 M)

  • L-蘋果酸 $+ NAD^+ \rightarrow$ 草醯乙酸 $+ NADH + H^+$ (粒線體基質 M)

  • 丙酮酸 $+ CoA + NAD^+ \rightarrow$ 乙醯CoA $+ CO_2 + NADH + H^+$ (粒線體基質 M)

  • 甘油醛-3-磷酸 $+ P_i + NAD^+ \rightarrow$ 1,3-二磷酸甘油酸 $+ NADH + H^+$ (細胞質 C)

  • 乳酸 $+ NAD^+ \rightarrow$ 丙酮酸 $+ NADH + H^+$ (細胞質 C)

  • $\beta$-羥醯基CoA $+ NAD^+ \rightarrow \beta$-酮醯基CoA $+ NADH + H^+$ (粒線體基質 M)

• NADP依賴型脫氫酶 (NADP-abhängig)：

  • 葡萄糖-6-磷酸 $+ NADP^+ \rightarrow$ 6-磷酸葡萄糖酸 $+ NADPH + H^+$ (細胞質 C)

• NAD或NADP依賴型脫氫酶 (NAD- oder NADP-abhängig)：

  • L-麩胺酸 $+ H<em>2O + NAD(P)^+ \rightarrow \alpha$-酮戊二酸 $+ NH</em>4^+ + NAD(P)H + H^+$ (粒線體基質 M 和 細胞質 C)

  • 異檸檬酸 $+ NAD(P)^+ \rightarrow \alpha$-酮戊二酸 $+ CO_2 + NAD(P)H + H^+$ (粒線體基質 M 和 細胞質 C)

• 還包括 $"\beta$-羥基丁酸脫氫酶"。

泛醌 (Ubichinon)

• 也稱為輔酶Q (Coenzym Q 或 CoQ)，具有異戊二烯單位 (Isoprenoideinheiten)。

• 氧化型 (oxidierte Form)：泛醌 (Chinon)

• 自由基型 (Radikal-Form)：半醌 (Ubisemichinon/$"QH\cdot"$)

• 還原型 (reduzierte Form)：泛醇 (Ubichinol/$"QH_2"$)

細胞色素：電子傳遞血紅素蛋白

• 細胞色素是含有血紅素 (Häm) 輔基的電子傳遞蛋白。

• 血紅素a (Häm a)：含有長疏水鏈，連接到複合物IV。

• 血紅素b (Häm b)：非共價結合，存在於複合物II和III。

• 血紅素c (Häm c)：透過半胱氨酸殘基共價結合，存在於複合物III (c1) 和作為可溶載體 (c)。

鐵硫蛋白

• 所有鐵硫蛋白都參與單電子轉移，其中一個鐵原子在鐵硫簇中被氧化或還原。

• 特殊情況：費思科鐵硫蛋白 (Rieske-Eisen-Schwefel-Proteine)：一個鐵原子與兩個組胺酸殘基配位。

呼吸鏈：氧化還原反應 (半反應)

• NADH / $NAD^+$ (標準電位 $-0.315 V$)

• 複合物I：NADH-脫氫酶 (FMN) $\Delta E = 0.360 V$，$\Delta G = -69.5 kJ mol^{-1}$。

• 泛醌 / 泛醇 (標準電位 $+0.031 V$ 或 $+0.045 V$)

• 複合物III：泛醌-細胞色素 $c$-氧化還原酶 $\Delta E = 0.190 V$，$\Delta G = -36.7 kJ mol^{-1}$。

• 細胞色素 $c$ ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$) (標準電位 $+0.235 V$)

• 複合物IV：細胞色素氧化酶 $\Delta E = 0.580 V$，$\Delta G = -112 kJ mol^{-1}$。

• $1/2 O<em>2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H</em>2O$ (標準電位 $+0.815 V$ 或 $+0.816 V$)。

• 各細胞色素的標準電位：

  • 細胞色素b ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$)：$0.077 V$

  • 細胞色素$c_1$ ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$)：$0.22 V$

  • 細胞色素c ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$)：$0.254 V$

  • 細胞色素a ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$)：$0.29 V$

  • 細胞色素$a_3$ ($Fe^{3+}/Fe^{2+}$)：$0.55 V$

酶複合物

• 複合物I (NADH-脫氫酶)：質量 $850 kDa$，$42$ (其中 $14$ 個核心) 亞基，輔基為FMN、Fe-S。

• 複合物II (琥珀酸-脫氫酶)：質量 $140 kDa$，$5$ 亞基，輔基為FAD、Fe-S。

• 複合物III (泛醌-細胞色素c-氧化還原酶)：質量 $250 kDa$，$11$ 亞基，輔基為血紅素、Fe-S（其中細胞色素$c_1$有 $13$ 亞基，輔基為血紅素）。

• 細胞色素$c_1$：質量不明，$1$ 亞基。

• 複合物IV (細胞色素氧化酶)：質量 $160 kDa$，$13$ (其中 $3-4$ 個核心) 亞基，輔基為血紅素；$Cu<em>A$、$Cu</em>B$。

呼吸鏈：流程

• 電子從NADH和琥珀酸進入呼吸鏈。

• 複合物I 接收NADH的電子，將 $4H^+$ 從基質泵入膜間隙。

• 複合物II 接收琥珀酸的電子，不泵送質子。

• 電子從複合物I和II傳遞給泛醌 (UQ)，變成泛醇 ($UQH_2$)。

• 複合物III (Q循環) 從泛醇接收電子，將 $4H^+$ 從基質泵入膜間隙，同時將電子傳遞給細胞色素c。

• 細胞色素c作​​為可溶性載體，將電子傳遞給複合物IV。

• 複合物IV 從細胞色素c接收電子，將氧氣還原為水，同時將 $2H^+$ 從基質泵入膜間隙。

• 總計，每分子NADH約導致 $10$ 個質子泵出，每分子FADH2約導致 $6$ 個質子泵出。

複合物I：NADH-脫氫酶

• 從NADH $+ H^+$ 接收電子，將它們傳遞給泛醌 (UQ)，生成泛醇 ($UQH_2$)。

• 泵送 $4H^+$ 到膜間隙。

泛醌的 $4$ 條生成泛醇 ($UQH_2$) 的途徑

1. NADH ($NAD^+$)：經由複合物I，電子來源於NADH。

2. 琥珀酸 ($FAD$)：經由複合物II，電子來源於琥珀酸。

3. 甘油-3-磷酸 (Glycerin-3-phosphat)：經由細胞質的甘油-3-磷酸脫氫酶和粒線體的甘油-3-磷酸脫氫酶 (FAD結合型)，電子直接傳遞給泛醌。

4. 乙醯CoA (Acyl-CoA)：經由$\beta$-氧化中的醯基CoA脫氫酶 (FAD結合型) 和電子傳輸黃素蛋白-泛醌氧化還原酶，電子傳遞給泛醌。

複合物III：泛醌-細胞色素c-氧化還原酶 (Q循環)

• 複合物III涉及Q循環，將電子從泛醇傳遞給細胞色素c。

• 膜間隙 (P-Seite)：質子泵出的區域。

• 基質 (N-Seite)：質子被消耗的區域。

• 包含細胞色素$c<em>1$、費思科鐵硫蛋白、細胞色素b (包含血紅素$b</em>L$和$b_H$)。

• Q循環I (Oxidation des ersten $UQH_2$)：

  • 一個泛醇 ($UQH_2$) 在UQP位點氧化，釋放 $2H^+$ 到P側。

  • 一個電子經由費思科Fe-S簇傳遞給細胞色素$c_1$，然後傳給細胞色素c。

  • 另一個電子經血紅素$b<em>L$傳遞給血紅素$b</em>H$，然後傳給位於UQN位點的泛醌，形成半醌自由基陰離子 ($UQ^{ \bullet -}$)。

• Q循環II (Oxidation des zweiten $UQH_2$)：

  • 第二個泛醇 ($UQH_2$) 在UQP位點氧化，再次釋放 $2H^+$ 到P側。

  • 一個電子經由費思科Fe-S簇傳遞給細胞色素$c_1$，然後傳給細胞色素c。

  • 另一個電子經血紅素$b<em>L$傳遞給血紅素$b</em>H$，然後傳給位於UQN位點的半醌自由基陰離子，使其還原為泛醇 ($UQH_2$)，同時從N側吸收 $2H^+$。

• 總反應式 (Gesamtgleichung)：$UQH<em>2 + 2Cyt c</em>1 (oxidiert) + 2H<em>{N}^{+} \rightarrow UQ + 2Cyt c</em>1 (reduziert) + 4H_{P}^{+}$

複合物IV：細胞色素c-氧化酶

• 從四個細胞色素c分子接收電子。

• 將氧氣 ($O<em>2$) 還原為 $2$ 分子的水 ($H</em>2O$)。

• 同時，將 $4H^+$ 從基質泵入膜間隙。

• 涉及 $Cu<em>A$、血紅素a、血紅素$a</em>3$和 $Cu_B$ 中心。

• 電子從細胞色素c經由細胞色素a和$Cu<em>A$傳遞，最終到血紅素$a</em>3$和$Cu_B$中心，在此氧氣被還原。

  • 初始狀態：$Fe(III) Cu(I)$.

  • 電子傳遞過程中：$Fe(III) Cu(II)$.

呼吸鏈抑制劑 (Hemmer)

• 複合物I 抑制劑：魚藤酮A (Piericidin A) 或 魚藤酮R (Rotenone) 抑制FeS向UQ的電子傳遞。

• 複合物III 抑制劑：抗黴素A (Antimycin A) 抑制細胞色素b向UQ的電子傳遞。

• 複合物IV 抑制劑：一氧化碳 (CO) 抑制細胞色素a向細胞色素$a_3$的電子傳遞。

化學滲透模型

• 呼吸鏈通過將質子從粒線體基質（N側）泵入膜間隙（P側），建立質子電化學梯度 (protonenmotorische Kraft)。

• 這個質子動力勢由兩部分組成：

  • 化學電位：質子濃度梯度 ($\Delta pH$)，N側呈鹼性。

  • 電位差：膜電位 ($\Delta \Psi$)，N側帶負電。

• 質子動力勢驅動ATP合酶合成ATP。

質子梯度與質子動力勢

• 質子動力勢 (PMF) 的自由能變化公式： $\Delta G = RT \ln (C<em>2/C</em>1) + Z F \Delta \Psi$ 或 $\Delta G = 2.3 RT \Delta pH + F \Delta \Psi$ 其中：

  • $C_2$ 是P側的 $[H^+]$ 濃度。

  • $C_1$ 是N側的 $[H^+]$ 濃度。

  • $Z$ 是質子電荷 ($+1$)。

  • $F$ 是法拉第常數。

  • $\Delta \Psi$ 是膜電位。

  • $\Delta pH = pH<em>N - pH</em>P$

解偶聯劑 (Entkoppler)

• 解偶聯劑 (例如 2,4-二硝基苯酚 (DNP)) 能夠穿越粒線體內膜，將膜間隙的質子運回基質，從而耗散質子梯度。

• 這導致電子傳輸持續進行，但ATP合成減少或停止，能量以熱能形式釋放。

ATP合酶 ($F<em>0F</em>1$)

• 由兩個主要部分組成：

  • $F<em>0$ 部分：嵌入內膜，是質子通道，包含 'a' 和 'c' 亞基 (例如 $c</em>{10}$)。

  • $F_1$ 部分：位於基質側，是催化ATP合成的活性位點，包含 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$、$\delta$、$\epsilon$ 亞基。

• 質子從P側流向N側，驅動$F<em>0$中的 'c' 亞基環旋轉，進而驅動$F</em>1$內的 $\gamma$ 亞基旋轉。

ATP合成 (結合改變機制)

• ATP合酶的 $"\beta"$ 亞基有三個不同的構象狀態，週期性地轉換：

  • L (Loose - 鬆散型)：弱結合ADP和$P_i$。

  • T (Tight - 緊密型)：強結合ADP和$P_i$，並催化ATP的形成。

  • O (Open - 開放型)：釋放新合成的ATP。

• 每有 $3$ 個 $H^+$ 穿過$F_0$，$\gamma$ 亞基旋轉 $120$ 度，觸發一個 $"\beta"$ 亞基從T態轉換到O態，釋放一個ATP。

• 每合成一個ATP，消耗 $3$ 個質子用於旋轉，額外還有 $1$ 個質子用於將 $P_i$ 和ADP轉運到基質內。

轉位酶 (Translokasen)

• 腺嘌呤核苷酸轉位酶 (Adenin-nucleotid-Translokase)：一種反向轉運蛋白 (Antiporter)，將基質中的 $ADP^{3-}$ 運出，同時將膜間隙的 $ATP^{4-}$ 運入。由於電荷差異，這個過程需要膜電位的驅動。

• 磷酸轉位酶 (Phosphat-Translokase)：一種同向轉運蛋白 (Symporter)，將 $H<em>2PO</em>4^-$ 和 $H^+$ 從膜間隙共同運入基質。

蘋果酸-天門冬氨酸穿梭 (Malat-Aspartat-Shuttle)

• 將細胞質中NADH的電子傳輸到粒線體基質中的NADH，主要存在於肝、腎、心臟。

1. 細胞質：NADH與草醯乙酸反應生成蘋果酸。

2. 跨膜轉運：蘋果酸由蘋果酸-$\alpha$-酮戊二酸反向轉運蛋白運入基質，同時將基質中的$\alpha$-酮戊二酸運出。

3. 粒線體基質：蘋果酸被氧化回草醯乙酸，將$NAD^+$還原為NADH。草醯乙酸經轉胺酶作用轉化為天門冬氨酸。麩胺酸經轉胺酶作用轉化為$\alpha$-酮戊二酸。

4. 跨膜轉運：天門冬氨酸由麩胺酸-天門冬氨酸反向轉運蛋白運出基質，同時將基質中的麩胺酸運入。

• 淨效應：細胞質的NADH電子最終進入粒線體NADH，每分子細胞質NADH可產生約 $2.5$ 個ATP。

甘油-3-磷酸穿梭 (Glycerin-3-phosphat-Shuttle)

• 將細胞質中NADH的電子傳輸到粒線體中的FADH2（或泛醌），主要存在於肌肉和腦部。

1. 細胞質：細胞質甘油-3-磷酸脫氫酶利用NADH將二羥丙酮磷酸還原為甘油-3-磷酸。

2. 粒線體外膜：粒線體甘油-3-磷酸脫氫酶（FAD依賴型）將甘油-3-磷酸氧化回二羥丙酮磷酸，還原FAD為FADH2，電子隨後傳遞給泛醌(Q)。

• 淨效應：細胞質的NADH電子最終進入線粒體FADH2等效物，每分子細胞質NADH可產生約 $1.5$ 個ATP。

解偶聯粒線體 (Entkoppelte Mitochondrien)

• 在棕色脂肪組織中，粒線體可能含有解偶聯蛋白（例如產熱素，Thermogenin）。

• 這些蛋白允許質子在不經過ATP合酶的情況下，從膜間隙直接回到基質。

• 這導致呼吸鏈所釋放的能量不被用於ATP合成，而是以供熱的形式散失。

葡萄糖降解總結

• 每分子葡萄糖降解的ATP總產量為 $30$ 或 $32$ ATP。

  • 細胞質 (Cytosol)：

    • 糖解作用直接產生 $2$ ATP。

    • 糖解作用產生的 $2$ NADH：經甘油-3-磷酸穿梭產生 $3$ ATP，或經蘋果酸-天門冬氨酸穿梭產生 $5$ ATP。

  • 粒線體基質 (Mitochondrienmatrix)：

    • 丙酮酸氧化（$2$ 分子丙酮酸轉化為 $2$ 分子乙醯CoA）產生的 $2$ NADH：約 $5$ ATP。

    • 檸檬酸循環直接產生 $2$ GTP（等效於 $2$ ATP）。

    • 檸檬酸循環產生的 $6$ NADH：約 $15$ ATP。

    • 檸檬酸循環產生的 $2$ FADH2：約 $3$ ATP。

  • 總計：

    • 若透過甘油-3-磷酸穿梭：$2 + 3 + 5 + 2 + 15 + 3 = 30$ ATP。

    • 若透過蘋果酸-天門冬氨酸穿梭：$2 + 5 + 5 + 2 + 15 + 3 = 32$ ATP。