电子传递链

总论
--

* 光合作用和有氧呼吸作用都需要电子传递链。
* 呼吸作用中的电子传递链称为呼吸链（Respiratory Chain）；光合作用中的电子传递链称为光合链（Photosynthetic Chain）。
* 电子总是从电势高处向电势低处传递。
* 描述电子传递链时，常用“质子”表示“氢离子”。

* 呼吸链存在于所有进行有氧呼吸的细胞内。
* 原核生物的呼吸链在细胞内膜系统上；真核生物的呼吸链在线粒体内膜上。
* 线粒体来自一种与真核生物内共生的α蛋白细菌。
* 线粒体内膜上的蛋白传递电子的同时，把质子从线粒体基质泵入线粒体膜间隙。
* 各呼吸复合体中突出线粒体内膜的部分都向着线粒体基质。
* 电子传递链中的各复合体常聚合在一起，称为呼吸体（Respirasome）。
* 呼吸体内部，泛醌和细胞色素c（见下文）几乎不移动，称为处于固态（Solid State）。
* 呼吸链各复合体的辅酶：

* 绿色植物的线粒体含交替NADH脱氢酶（Alternative NADH Dehydrogenase）和外膜NAD(P)H脱氢酶，将NAD(P)H的电子传递到泛醌，不泵出质子。
* 植物利用交替NADH脱氢酶生热。
* 细菌可以将很多来源的电子传递给泛醌：

### 合成ATP

* 对于线粒体基质中的NADH，电子传递链的总反应式是

N
A
D
H

11

H
M

1
2

O
2

→

N
A

D

10

H
P

H
2

O

{\displaystyle \mathrm{NADH} + 11\mathrm{H^+\_M} + \frac{1}{2}\mathrm{O\_2} \rightarrow \mathrm{NAD^+} + 10\mathrm{H^+\_P} + \mathrm{H\_2O}}

。（

H
M

{\displaystyle \mathrm{H^+\_M}}

表示线粒体基质中的质子；

H
P

{\displaystyle \mathrm{H^+\_P}}

表示膜间隙中的质子。）
* 对于FADH2，电子传递链的总反应式是

F
A
D

H
2

6

H
M

1
2

O
2

→

F
A
D

6

H
P

H
2

O

{\displaystyle \mathrm{FADH\_2} + 6\mathrm{H^+\_M} + \frac{1}{2}\mathrm{O\_2} \rightarrow \mathrm{FAD} + 6\mathrm{H^+\_P} + \mathrm{H\_2O}}

。
* 线粒体内膜对质子不通透，被逆浓度梯度泵入膜间隙的质子具有浓度势能和电势能，称为具有电化学梯度（Electrochemical gradient）。
* 合成1个ATP需要3个质子顺电化学梯度回到线粒体基质，把1个ATP运出线粒体基质需1个质子。
* 因此，理论上一个NADH能为细胞质基质提供

5
2

{\displaystyle \frac{5}{2}}

个ATP，或为线粒体基质提供

10
3

{\displaystyle \frac{10}{3}}

个ATP。
* 同理，理论上一个FADH2能为细胞质基质提供

3
2

{\displaystyle \frac{3}{2}}

个ATP，或为线粒体基质提供2个ATP。
* ATP的合成速率和O2的消耗速率（呼吸速率）相一致，称为偶联现象（Coupling）。（图4）
* 合成ATP的酶是ATP合酶（又名复合体V），属于F型质子泵，具有棒棒糖状结构。（图5）
* ATP合酶催化机制称为“旋转催化”（Rotational Catalysis），参阅跨膜运输蛋白。

### 呼吸链的调控

* 呼吸速率主要受ADP浓度调控。ADP浓度变大时，呼吸速率变大。
* 细胞缺氧时，无氧糖酵解时细胞质基质pH变小，IF1蛋白变为二聚体，同时与2个ATP合酶结合，抑制它们的活性，防止它们反向运行（水解ATP）。

### 抑制呼吸链的药物

* 交替氧化酶对氰化物（Cyanide）不敏感。
* 交替NADH脱氢酶和外膜NAD(P)H脱氢酶对鱼藤酮不敏感。

## 绿色植物的光合链

* 绿色植物的光合链由五部分组成：天线复合体（Light-harvesting Complex或Antenna Complex）、光系统II、细胞色素b6f复合体、光系统I、ATP合酶。
* 各部分的空间分布如图7。
	1. 光系统II分布在基粒类囊体上；
	2. 光系统I分布在基质类囊体上；
	3. 天线复合体分布在光系统I和II周围；
	4. 细胞色素b6f复合体在基粒类囊体和基质类囊体上都有分布；
	5. ATP合酶分布在基质类囊体上。
* 光系统I和II的核心是一对与蛋白结合的叶绿素a。

### 天线复合体

* 天线复合体主要包含胡萝卜素、叶黄素、叶绿素b。
* 天线复合体将各波长的光能聚集到光系统。
* 漏斗模型（Funnel）中，天线复合体内部的光能传递顺序见图8。
* 绿色植物的天线复合体属于膜整合天线（Integral Membrane Antenna）中的周围型（Peripheral）天线。
* 天线复合体的组织形式有4种模型。（图9）

### 光系统II

* 光系统II的结构见图10。
* 光系统II由几乎相同的两个蛋白组成（D1和D2），但电子只通过D1传递。
* 光系统II的核心（P680）的一个电子被光子激发后，传递给脱镁叶绿素（Pheo）。
* 脱镁叶绿素把电子传给质体醌PQA，再传给质体醌PQB。
* PQB每接受一个电子，就从基质获取一个质子。
* 完全还原的PQBH2通过类囊体膜扩散至细胞色素b6f复合体。
* 失去电子的P680从酪氨酸残基TyrZ获取电子。
* TyrZ从放氧复合体（Oxygen-evolving Complex）获取电子。
* 放氧复合体含4个锰离子。
* 放氧复合体是已知唯一能把水分子分解为质子和氧气，获取电子的生物系统。
* 放氧复合体释放的质子在类囊体内侧。
* 放氧复合体的工作机制尚不清楚，有S循环模型。（图11）
* 光系统II的总反应式为

2

H
2

O

2

P
Q

4

H

→

O
2

2

P
Q

H
2

{\displaystyle 2\mathrm{H\_2O} + 2\mathrm{PQ} + 4\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{O\_2} + 2\mathrm{PQH\_2}}

。
* 光系统II各亚基的辅酶、功能见图14。

### 细胞色素b6f复合体

* 细胞色素b6f复合体由三部分组成：铁硫蛋白、细胞色素b6、细胞色素f。
* 来自光系统II的PQH2，其中一个电子经过铁硫蛋白和血红素f，到达质体蓝素（Plastocyanin）。
* 另一个电子，经过血红素bL和bH被递给另一个PQ（或PQH），形成PQH（或PQH2）。
* 上述过程是呼吸链中的Q循环的变化形式。
* 质体蓝素含铜离子。
* 细胞色素b6f复合体各亚基的辅酶、功能见图15。

### 光系统I

* 光系统I的结构见图13。
* 光系统I的核心（P700）的一个电子被光子激发后，传递给特殊的叶绿素A0。
* A0之后的电子传递顺序为：叶绿素A0→叶绿醌A1→3个铁硫蛋白→铁氧化还原蛋白Fd。
* 失去电子的P700从质体蓝素获取电子。
* 光系统I各亚基的辅酶、功能见图16。

* Fd的去路有6条：
	1. 用于碳同化（铁氧还蛋白：NADP+氧化还原酶）；
	2. 用于环式电子流；
	3. 用于氮同化（硝酸还原酶）；
	4. 用于硫同化（亚硝酸还原酶）；
	5. 用于氨基酸合成（谷氨酸合成酶）；
	6. 用于酶的调控（铁氧还蛋白-硫氧还蛋白还原酶）。

### 叶绿素的光谱性质

* 叶绿素a主要吸收红光、蓝紫光，反射绿光。
* 目前对叶绿素a的光谱性质的理解见图17。
* 基态叶绿素a的能量最高的被占用的分子轨道上有一对电子。
* 被红光（能量较低）或蓝紫光（能量较高）激发时，上述一对电子中的一个能跃迁到能量更高的一个轨道上，但自旋不会变化。（根据轨道能量高低依次称为第一单线态、第二单线态）
* 第二单线态的叶绿素a非常不稳定，在10-12 s内即以热能散发能量，回到第一单线态。
* 第一单线态较稳定，能存在约10-6 s，此时能量有如下几种去路：
	1. 以热能散发，回到基态。
	2. 以荧光（Fluorescence，红色）散发，回到基态。
	3. 跃迁的电子的自旋反转，进入第一三线态。（第二单线态不能发生自旋反转，因为发生自旋反转需要约10-9 s的时间）
	4. 发生电子传递。
* 第一三线态的叶绿素a不能发生电子传递，其能量只能以热能或磷光（Phosphorescence，红色）形式散发。
* 第一三线态回到基态的过程是“禁止的”（Forbidden），所以发生很缓慢，磷光现象在移除光源一段时间后仍能观察到，类似夜明珠。
* 用白色光源照射叶绿素溶液，在对面观察看到绿色，是透过溶液的颜色；在同侧观察看到红色，是荧光和磷光现象。

来源
--

《Lehninger Principles of Biochemistry》第5版第19章

《Molecular Mechanisms of Photosynthesis》第7章

《Strasburger's Plant Sciences》第36版第5章