Transcript A班第四組20081022

電子傳遞與能量運用
組長：李佳真
組員：吳宣鋒
林宛瑩
林欣岳
郭力仰
張復舜
大綱
電子如何傳遞
Complex I
Complex II
Complex III
Complex IV
能量如何儲存
ATP合成酶
能量運用效率
電子傳遞鏈
ATP合成酶
電子傳遞路徑
• 依高能電子的攜帶者區分：
電子傳遞路徑
電子傳遞路徑
電子傳遞鏈
COMPLEX I
結構
• 由42條肽鏈組成
• 包含1個FMN
(Flavin mononeucleotide)
• 包含8個硫鐵蛋白
電子傳遞流程
NADH
FMN
Fe-S
• 檸檬酸循環的產物之一
• Flavin mononeucleotide
• Vitamin B2的衍生物
• 作為prosthetic group
• 生物體內常見的蛋白質
• ubiquinone
Q
FMN特性
• 作為一種prosthetic group
Prosthetic • 幫助酵素反應
• 一直與酵素結合
group
輔酶
FMN
• 幫助酵素反應
• 有任務才與酵素結合
FMNH
FMNH2
• 由riboflavin + mononeucleotide組成
FMN結構
• 由riboflavin + mononeucleotide組成
• Riboflavin是由 Vitamine B2形成
Flavin結構與反應
• Flavin結構
• 氧化還原
Fe-S蛋白
• 作為電子傳遞鏈的一份子
• 經由Fe2+Fe3+傳遞電子
小結
• 總反應：NADH+H++QNAD++QH2
• 一次傳遞一對電子(兩個e-)
• 作為質子幫浦
電子傳遞鏈
COMPLEX II
Complex II
Succinate-CoQ Dehydrogenase
• Complex II分為四個次單元：
Chain A、 Chain B、
Chain C、 ChainD
• Chain A 的作用：
作為Succinate 去氫酶
• SuccinateFumarate過程
(屬於Cirtric Cycle 的一部份)
將電子傳遞至電子載體FAD
FAD+2H(2H++2e-)→FADH2
• F:Flavoproteins 黃
素蛋白 A:Adenine
D:dinucleotide
• FAD與Chain A上的
histidine residue結
合作為Complex II的
其中一個cofactor
Complex II
Succinate-CoQ Dehydrogenase
Chain B上含有三種鐵
硫蛋白等待著傳遞由
ChainA來的電子：
▫ [2Fe-2S]→[4Fe-4S]
→[3Fe-4S]
鐵硫蛋白
• 可見於
▫ NADH dehydrogenase
▫ Coenzyme Q - cytochrome c
reductase
▫ Succinate dehydrogenase
• 鐵硫蛋白中的鐵硫中心是
一個prosthetic groups ，
與無機硫原子或蛋白質上
的Cys側基結合
• 鐵硫蛋白藉由Fe 2+與Fe 3+
之間價電子的轉換來傳遞
電子
• 2Fe-2S clusters
▫ (Fe 3+ )2 →Fe3+Fe 2+
• 4Fe-4S clusters
▫ Fe4S4 +→ Fe4S4 2+ → Fe4S4 3+
• 3Fe-4S clusters
Complex II
Succinate-CoQ Dehydrogenase
• 最後，
電子傳到Chain C及
Chain D上的
Ubiquinone(Q) pool
▫ Heme Group
Coenzyme Q
(Co Q, Q, or ubiquinone,UQ)
• 脂溶性化合物
▫ 協助其它膜內無法自由活動者，
穿梭運送電子
• Q10
• 電子載體
O
CH 3
CH3O
CH 3
▫ 可攜帶兩個電子及兩個質子
• 作為Complex Ⅰ或
Complex Ⅱ和
ComplexⅢ
之間的電子傳遞 。
CH3O
(CH 2 CH
O
C
coenzyme Q
CH2)nH
Q→QH2
• 利用三型態間的轉換
傳遞電子
• Q包含三種型態：
▫ Ubiquinone(Q)全
氧化狀態
▫ Semiquinone
radical (QH+)半氧
化狀態
▫ Ubiquinol (Co
QH2)還原狀態
3-D Conformation
Heme
硫鐵蛋白
硫鐵蛋白
Succinate琥
FAD
珀酸
FAD
FAD
Succinate
Succinate琥
Succinate琥
琥珀酸
珀酸
珀酸
電子傳遞鏈
COMPLEX III
Complex III
• 由多個次單元所組成的 lipoprotein
• 組成可分為三個部分: cytochrome b subunit,
cytochrome c1 subunit, rieski iron sulfur protein
-
+
IM
-
+
IM
e
• QaH2 → cytochrome c1 (FeIII) → Qa + 1 cytochrome c1 (FeII) + 2 H
+
e
•
cytochrome b → Qc + H M → QcH
e
+)
• QbH2 → cytochrome c1 (FeIII) → Qb + 1 cytochrome c1 (FeII) + 2 H
+
•
cytochrome
b
→
QcH
+
H
M→ QcH2
e
+
M
• QH2 + 2 cytochrome c (FeIII) + 2 H
-
+
IM
※2e → 4H
+
-
∴ pump 2H per e
Q
QH
QH2
+
IM
→ Q + 2 cytochrome c (FeII) + 4 H
電子傳遞鏈
COMPLEX IV
22HH++
2 H+
2 H+
Cytochrome c
•
•
•
•
small heme protien
loosely associated with the inner membrane
carries one electron
transfers electrons between complex III and IV
Heme
Metal
Porphyrin
Complex IV
Cytochrome C oxidase
• the last enzyme in ETC
• 13 subunits
• 2 centers
▫ CuA center
 2 copper
▫ CuB center
 1 copper + cytochrome a3
Electron pathway
• Cytochrome c → Cu(A) center → cytochrome a
→ Cu(B) center → O2 → H2O
▫ Cytochrome c being oxidized
▫ Cu(B) accept electrons and reduce O2 to H2O
cytochrome
copper
Summary reaction
• 4 Fe2+-cytochrome c + 8 H+in + O2 →
4 Fe3+-cytochrome c + 2 H2O + 4 H+out
• 故可將四個H+打出
ΔG = - 26.4 kcal/mol
H+從基質到膜間消耗能量：+5.2 kcal/mol，
理論背景
究竟自由能是什麼？
它和ATP的合成有什麼相
關性呢？
熱力學定律
• 生物體內的很多能量轉移都可用熱力學定律來解
釋，並計算之
• 第零定律：平衡
• 第一定律：能量不滅
• 第二定律：物體趨向最大亂度
• 第三定律：任何結晶性物體在絕對零度時的亂度
應為零。
熱力學化學平衡〉
• 吉布斯（ Gibbs ）在1874年發表了〈以熱力學的
原理決定化學平衡〉
• 吉布斯在這篇300頁的報告中，以熱力學的觀點
提出「化學勢」（chemical potential）與「自由
能」（free energy）的新觀念
Gibbs Free Energy equation
• G = H - T × S（狀態函數）
▫ H：系統熱含量
▫ T：溫度(K)
▫ S：亂度
Gibbs Free Energy equation
•
•
•
•
熱含量公式：ΔH= Δ E+PΔ V
Δ E=Δ G+ T ΔS-PΔ V
Δ E=Δ G+ T ΔS（生物體系之化學反應）
自由能變化指的是恆溫恆壓下，反應朝平衡的方
向進行時，離子在系統中所具的總能量其可以作
功的部份。
化學位能
• 定義
• 化學位能為隨著i 莫耳改變自由能的速率
• 標準狀況下：
▫ (1) 1 atm
▫ (2) 1 M
▫ (3) 298K
離子在系統中所具有的總能量
• 一是因為膜的兩邊粒子數不同造成的
化學位能：
 A1 
 A  RT  ln  
 A2 
化學位能
• 另一個是膜兩邊離子帶電量不同造成
的電位能：
z
 Az
A 1
 zF  + RT  ln  z  
A 2
電位能
化學位能
質子驅動力
• 粒線體兩側的質子梯度造成電化學能的累積。這
種質子濃度差所造成的電化學能差又稱做質子驅
動力。包含兩部份：
▫ 化學位能(chemical potential)：
 H   2.303RT pH
▫ 電位能(electrical potential)：
nF 
離子濃度差──膜位能

H out
 H in

RT
[
H
out
in
in ]
 E  E  E  
ln 
nF [H out ]
[H in ]
[H in ]
G  nFE  RT ln   2.303RT log 
[H out ]
[H out ]

 G  2.303RT (log[ H in ]  log[ H out
])  2.303RT ( pH in  pH out )
 G  2.303RT pH
以粒線體電子傳遞鏈為例
E０（V）
ΔG0
NADH+H+
NAD+
2
鐵氧還蛋白(還原態) 鐵氧還蛋白（氧化態） 1
－0.315
－0.43
61.696
41.452
CoenzymeQ(還原態)
CoenzymeQ (氧化態)
2
0.047
-19.28
琥珀酸(succinate)
延胡索酸(Fumarate)
2
0.031
-5.784
CoenzymeQ(還原態)
CoenzymeQ (氧化態)
2
0.10
-19.28
還原劑(氧化態)
氧化劑(還原態)
n
細胞色素b（Fe２+）
細胞色素b（Fe３+）
1
0.07
-6.748
細胞色素C（Fe２+）
細胞色素C(Fe３+)
1
0.22
-21.208
H２O
1/2O２+2H+
-158.096
電子傳遞路徑（complex 1→3→4）
CoQH
 2 cyt c  氧化態
1    CoQ  2 cyt c  還原態 
 2
2cytc
（還原態）
+
O

2cytc
（氧化態）
+H
O
NADH
H

CoQ

NAD

CoQH
（牽涉2個電子的轉移）
2
2
2
0
2 V 0.19V

E
 0.235V  0.047
0
E  0.047
V  0.36V
0 0 V   0.315
0
EG 0.815
V
0.235
V  0.58
Vmol


nF
E


36.7
KJ
/
G 0  0nF E 0  69.5
KJ / mol
0
G   nF E  112
CoQ
CoQ
NADH
NAD+
CoQH 2
KJ / mol
Cyt cred
Cyt
Cytccoxox
H 2O
1
O2
2
電子傳遞路徑（complex 2→3→4）
1
（還原態）
+
O
2cytc
（氧化態）
+H 2
2 
CoQH2cytc

2
cyt
c
氧化態

CoQ

2
cyt
c
還原態




2
2
E 0 0.235
 0.047
V 0.235
0.19V
V  0.58V
E 0 FADH
V0.815
V
FAD
2
0
G 0  nF
0 E  36.7
0
/ mol
G  nF E  KJ
112
KJ / mol
CoQ
Cyt cred
CoQH 2
Cyt cox
FADH 2  CoQ（氧化態） FAD  CoQ（還原態）
E 0  0.047V   0.031V   0.029V
G 0  nF E 0  5.6
KJ / mol
H 2O
1
O2
2
電子傳遞鏈小結
• 電子傳遞鏈路經1→3→4的化學反應式：
▫
▫
▫
▫
NADH + 11 H+ + ½O2 → NAD+ + 10 H+ + H2O
10個H+ 穿過內膜到膜間隙
O2為電子傳遞鏈最後的接受者
每一對傳送到O2的電子，伴隨著由複合體I送出4個質子，
複合體III送出4個，複合體VI送出2個 。
電子傳遞鏈小結
• NADH + 11 H+ + ½O2 → NAD+ + 10 H+ + H2O
乃一極強放能反應，整個反應的 ΔE’°為1.14 V，其
標準自由能變化為：
• ΔG’° = -nF ΔE’°
• = -2(96.5 kJ/V · mol)(1.14 V)
• = 220.2 kJ/mol (of NADH)
▫ 此標準自由能變化是假設在相等濃度 (1 M)
▫ 由NADH傳送電子到O2的過程中，伴隨有10 H+ 外送 ，一
莫耳NADH氧化所釋出的220 kJ當中，大約有200 kJ可被
保留在質子梯度
電子傳遞鏈
ATP synthase
ATP synthase之結構
• 可分為兩部分：
• FO：由a，b，c三種subunit所構成。
• F1：由α,β,γ,δ,ε五種 subunit所構成。
ATP synthase之作用機制
FO之詳細機構
合成機制
•
•
•
•
三種構形：
構形1：與ADP及Pi有良好的親和力。
構形2：使ADP和Pi緊密結合，促成ATP的形成。
構形3：與ATP間的親和力弱，使生成的ATP釋放。
總結
電子傳遞路徑
電子傳遞鏈小結
▫
NADH + 11 H+ + ½O2 → NAD + + 10 H+ + H2
 極強放能反應，其 ΔE’°為1.14 V
▫ 標準自由能變化為：
• ΔG’° = -nF ΔE’°
• = -2(96.5 kJ/V · mol)(1.14 V)
• = 220.2 kJ/mol (of NADH)
▫
▫
此標準自由能變化是假設在相等濃度 (1 M)
由NADH傳送電子到O2的過程中，伴隨有10 H+ 外送 ，
故一莫耳NADH氧化所釋出的220 kJ當中，大約有200
kJ可被保留在質子梯度
質子通過ATPase提供能量
•
基本數值：
R  8.31/ 4.18 T  310K pH  0.207 F  96500(Coul)
• E  0.2 V
 H 
 F   2.303RT pH
  3.46    0.29  Kcal / mole
 3.75 kcal / mole  15.675 kJ / mole
• 4 mole H +從膜外通過ATP合成酶流進膜內時，其所釋
放出之自由能為4x(-15.675)= -62.7kJ/mole
ATPase合成ATP所需能量
• 而由ATP 合成的熱化學方程式可知：
ADP+Pi+H + ↔ ATP+H2O, Δ G=30.66kJ/mol
• 粒線體內由於高[ATP]/[ADP][Pi]比值的關係
ΔG值約為-62.7 kJ/mole
• ATPase 合成1 mole ATP 需要4 mole H+
1 mole NADH 可合成 2.5 mole ATP
• 其能量為 7.3x30.66=76.65KJ ，
因此有(76.65/ 220)x100%＝34.84%
Organization of
Mitochondrial Electron Transport Chain
VIDEO