电子传递链

呼吸链又称电子传递链，是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH₂向氧传递电子的系统。

还原型辅酶通过呼吸链再氧化的过程称为电子传递过程。其中的氢以质子形式脱下，电子沿呼吸链转移到分子氧，形成粒子型氧，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作用。整个过程称为氧化呼吸链或呼吸代谢。

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。

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。

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。

复合体Ⅰ

即NADH:泛醌氧化还原酶复合体，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，经铁硫蛋白传递给泛醌。铁硫蛋白含有非血红素铁和酸不稳定硫，其铁与肽类半胱氨酸的硫原子配位结合。铁的价态变化使电子从FMNH₂转移到泛醌。

复合体Ⅱ

由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和一种铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给泛醌。

泛醌

是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体，可在膜中迅速移动。它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c氧化还原酶复合体），是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自泛醌的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素c。

细胞色素类

都以血红素为辅基，红色或褐色。将电子从泛醌传递到氧。根据吸收光谱，可分为三类：a、b、c。呼吸链中至少有5种：b、c₁、c、a、a₃（按电子传递顺序）。细胞色素aa₃以复合物形式存在，又称细胞色素氧化酶，是最后一个载体，将电子直接传递给氧。从a传递到a₃的是两个铜原子，有价态变化。

复合体Ⅳ

细胞色素c氧化酶复合体。将电子传递给氧。

NAD⁺

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）或称辅酶Ⅰ（CoⅠ），为体内很多脱氢酶的辅酶，是连接作用物与呼吸链的重要环节，分子中除含尼克酰胺（维生素PP）外，还含有核糖、磷酸及一分子腺苷酸（AMP）。NAD⁺的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H（2H⁺+2e⁻），然后传给另一传递体黄素蛋白。在生理pH条件下，尼克酰胺中的氮（吡啶氮）为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将NAD⁺视为递氢体。反应时，NAD⁺的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，尚有一个质子（H⁺）留在介质中。此外，亦有不少脱氢酶的辅酶为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺），又称辅酶Ⅱ（CoⅡ），它与NAD⁺不同之处是在腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羟基的氢被磷酸基取代而成。当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶NADP⁺接受氢而被还原生成NADPH+H⁺，它须经吡啶核苷酸转氢酶作用将还原当量转移给NAD⁺，然后再经呼吸链传递，但NADPH+H⁺一般是为合成代谢或羟化反应提供氢。呼吸链中的NADH和NADPH的区别为，NADH主要用于糖酵解和细胞呼吸作用中的柠檬酸循环。NADPH主要在磷酸戊糖途径中产生，它主要用来合成核酸和脂肪酸。

黄素蛋白

黄素蛋白种类很多，其辅基有两种，一种为黄素单核苷酸（FMN），另一种为黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），两者均含核黄素（维生素B₂），此外FMN尚含一分子磷酸，而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸（AMP）。在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可以进行可逆的脱氢加氢反应。FAD或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键相连，但结合牢固，因此氧化与还原（即电子的失与得）都在同一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还原电位取决于和它们结合的蛋白质，所以有关的标准还原电位指的是特定的黄素蛋白，而不是游离的FMN或FAD；在电子转移反应中它们只是在黄素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，这和NAD⁺不同，NAD⁺与酶蛋白结合疏松，当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而被还原为NADH，后者可以游离，再与另一种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为NAD⁺。多数黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有关，如NADH脱氢酶以FMN为辅基，是呼吸链的组分之一，介于NADH与其它电子传递体之间；琥珀酸脱氢酶，线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为FAD，它们可直接从作用物转移还原当量（H⁺+e⁻）到呼吸链，此外脂肪酰CoA脱氢酶与琥珀酸脱氢酶相似，亦属于FAD为辅基的黄素蛋白类，也能将还原当量从作用物传递进入呼吸链，但中间尚需另一电子传递体（称为电子转移黄素蛋白，辅基为FAD）参与才能完成。

铁硫蛋白

铁硫蛋白又称铁硫中心，其特点是含铁原子。铁是与无机硫原子或是蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合，常见的铁硫蛋白有三种组合方式：（a）单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。（b）两个铁原子、两个无机硫原子组成（2Fe-2S），其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。（c）由4个铁原子与4个无机硫原子相连（4Fe-4S），铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。铁硫蛋白中的铁可以呈两价（还原型），也可呈三价（氧化型），由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。在呼吸链中它多与黄素蛋白或细胞色素b结合存在。

泛醌

泛醌亦称辅酶Q，为一脂溶性苯醌，带有一很长的侧链，是由多个异戊二烯单位构成的，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二烯单位组成。泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。

细胞色素体系

1926年Keilin首次使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊的吸收光谱，因此把细胞内的吸光物质定名为细胞色素。细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素b、c₁、c、aa₃，肝、肾等组织的微粒体中有细胞色素P450。细胞色素b、c₁、c为红色细胞素，细胞色素aa₃为绿色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。细胞色素c比较容易分离提纯，其结构已清楚。哺乳动物的Cyt c由104个氨基酸残基组成，并从进化的角度作了许多研究。Cyt c的辅基血红素（亚铁原卟啉）通过共价键（硫醚键）与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。细胞色素a和a₃不易分开，统称为细胞色素aa₃。和细胞色素P450、b、c₁、c不同，细胞色素aa₃的辅基不是血红素，而是血红素A。细胞色素aa₃可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。铁卟啉辅基所含Fe²⁺可有Fe²⁺↔Fe³⁺+e的互变，因此起到传递电子的作用。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。细胞色素aa₃和P450辅基中的铁原子只形成5个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与CO、氰化物、H₂S或叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素aa₃与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。

• 电子传递链与疾病的关系：电子传递链的异常与多种疾病相关，如线粒体疾病、心血管疾病、糖尿病和癌症等。研究其在疾病中的作用机制，有助于寻找新的疾病标志物和治疗靶点。
• 电子传递链中的新型代谢物和调控机制：随着代谢组学技术的发展，不断发现电子传递链中新的代谢物及其功能，探索其在细胞代谢和信号传导中的作用。
• 电子传递链相关酶的结构与功能：对参与电子传递链的关键酶（如复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ等）的三维结构、催化机制以及与底物和抑制剂的相互作用进行深入研究，为开发新型药物和酶抑制剂提供理论基础。
• 电子传递链在生物技术和生物能源中的应用：利用电子传递链的代谢机制，开发新型的生物传感器、生物燃料电池和生物制氢技术等。

• 个性化医疗：基于个体的基因特征和代谢状态，开发个性化的营养和治疗方案，通过调节电子传递链的活性来预防和治疗疾病。
• 疾病治疗新策略：开发针对电子传递链关键酶和代谢物的新型药物，用于治疗线粒体疾病、癌症等代谢相关疾病。
• 生物技术应用：利用电子传递链的代谢机制，开发新型的生物传感器、生物燃料和生物材料，推动生物技术产业的发展。
• 跨学科研究：整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学技术，全面解析电子传递链在细胞代谢网络中的作用和调控机制。

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