電子伝達系
Fe-S タンパク質
シトクロム b(ユビキノン酸化還元に関わる)
好気的な電子伝達は以下の手順で行われる。
コハク酸 → 鉄・硫黄クラスター → ユビキノン
収支式は
コハク酸 + ユビキノン → フマル酸 + ユビキノール
嫌気的な電子伝達は以下の手順で行われる。
複合体I 由来のロドキノール → Fe-S クラスター → フマル酸
収支式は
フマル酸 + 2 プロトン + ロドキノール → コハク酸 + ロドキノン
複合体IIはフマル酸還元酵素を起源とする。その後ユビキノン酸化能などを獲得していき、現在の形になったと考えられる。
複合体IVでは複合体IIIで生じた還元型シトクロムcを酸化してプロトンポンプ機構によりプロトンを膜外に放出すると同時に、好気呼吸の最終電子受容体である酸素に電子伝達を行ない、水を生成する。反応式は以下の通りである。
O2+4シトクロムc+8Hin → 2H2O+4シトクロム+4Hout
細菌ではシトクロムcの代わりにキノン(メナキノン、カルダリエラキノンなど)が用いられている。ただし、キノール酸化酵素の場合はプロトンポンプ機構ではなくスカラー反応によってプロトンが放出される。
複合体IVでは、4分子のシトクロムcから4つの電子が酸素分子に移され、2分子の水が形成される。同時に、4つのプロトンがマトリックス側から除かれ、プロトン勾配が形成される。シトクロムcオキシダーゼの作用は、シアン化物によって阻害される。
複合体IVは還元型シトクロムcあるいはユビキノール(真核生物はシトクロムc、一部の原核生物はユビキノールあるいはメナキノール)から最終電子受容体へ電子伝達を行う。シトクロムcを酸化するものは「シトクロムcオキシダーゼ」と呼ばれる。電子伝達の最終の反応をになう重要な酵素であり、この酵素の存在がゆえに好気呼吸が成立すると言っても過言ではない。
鉄-硫黄タンパク質
プロトンポンプ
ユビキノン酸化還元タンパク質
電子伝達は以下の手順で行われる。
FMN → 鉄・硫黄クラスター(6–7個)→ ユビキノン
ユビキノールは膜内を拡散し、ユビキノールを還元する複合体III あるいはIV(原核生物の複合体IV はユビキノールを還元する)に電子伝達をおこなう。
複合体I はもともと水素酸化型 [NiFe]-ヒドロゲナーゼを起源に持つ。その後、NADH 酸化能、フラビン (FMN) の獲得および NiFe 活性中心を失い、現在の形に至ったと考えられている。シアノバクテリアにも複合体 I は存在し、「NADPH:プラストキノン酸化還元酵素」として稼動していると言われているが詳細は明らかになっておらず、今後の研究が待たれる。
好気呼吸を行う全生物がこの複合体を所持している。現在、脱窒細菌である Paracoccus denitrificans の複合体 IV の立体構造が明らかになっている。複合体 IV の構成は以下の通りである。
サブユニットI(銅原子、ヘム a3、a を持ちプロトンポンプ機構および最終電子受容に関与する)
サブユニットII(銅原子を持ち、還元型シトクロムcの酸化を行う)
サブユニットIII(立体構造の安定化)
サブユニットIV(立体構造の安定化)
サブユニットI, IIでシトクロムcオキシダーゼ活性を発揮することが明らかになっている。また、上記のサブユニット構成は真核生物のものだが、原核生物はサブユニットI に配位されているヘムの種類が異なっている(ヘムb,oなど)。
電子伝達は以下の手順で行われる。
シトクロム c Fe → ヘムa,a3 → 酸素(最終電子受容体)
複合体IVは嫌気呼吸の硝酸塩呼吸をになう NOR(一酸化窒素還元酵素)および N2OR(亜酸化窒素還元酵素)を起源に持つとされている。その後、これらの酵素が酸素への耐性を獲得したものが複合体IVとされている。