粒線體呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）是一連串的氧化還原反應，下列有關呼吸鏈相關之氧化還原反應的敘述，何者正確？

本題觀念：

本題考查的是粒線體電子傳遞鏈（Mitochondrial Electron Transport Chain, ETC） 中各個複合體（Complex I-IV）的功能及其氧化還原反應的流向。 電子傳遞鏈位於粒線體內膜，由一系列蛋白質複合體和移動式電子載體（Coenzyme Q 和 Cytochrome c）組成。其核心功能是將電子從還原性輔酶（NADH, FADH₂）傳遞至最終電子接受者（氧氣），並利用過程中釋放的能量建立質子梯度以合成 ATP。

選項分析：

• A. NADH 為最終的電子接受者 (錯誤)

  • NADH 是電子傳遞鏈的主要電子捐贈者（Electron donor），它在 Complex I（NADH dehydrogenase）被氧化成 NAD⁺，釋放電子進入呼吸鏈。
  • 電子傳遞鏈的最終電子接受者是氧氣（O₂）。在 Complex IV，電子與氧氣及氫離子結合生成水（H₂O）。

• B. complex Ⅱ將 FAD 還原成 FADH₂ (錯誤或描述不完整)

  • Complex II 又稱為 Succinate dehydrogenase（琥珀酸去氫酶）。
  • 在三羧酸循環（TCA cycle）中，Complex II 確實催化 Succinate 氧化為 Fumarate，同時將其結合的輔基 FAD 還原為 FADH₂。
  • 然而，在呼吸鏈的整體功能敘述中，FADH₂ 是作為電子的來源（雖然它是緊密結合的輔基），電子隨即會從 FADH₂ 傳遞給鐵硫叢集（Fe-S clusters），最後傳給 Coenzyme Q。
  • 相較於選項 D 對於「複合體與移動載體間作用」的明確定義，選項 B 描述的是複合體內部的輔基變化，且在呼吸鏈的上下文中，我們通常強調的是電子流向 Coenzyme Q（即 Succinate-CoQ Reductase 的功能），而非單純 FAD 的還原。此外，FADH₂ 會在傳遞電子後立即被再氧化回 FAD，以進行下一輪反應。

• C. coenzyme Q 的還原發生在 complex Ⅲ (錯誤)

  • Coenzyme Q (Ubiquinone) 的還原（接受電子變成 Ubiquinol, QH₂）主要發生在 Complex I（接收來自 NADH 的電子）和 Complex II（接收來自 FADH₂/Succinate 的電子）。
  • Complex III (Cytochrome bc1 complex) 的功能是將 QH₂ 氧化回 Q，並將電子傳遞給 Cytochrome c。雖然 Complex III 的 Q-cycle 機制中確實涉及一個 Q 分子的暫時還原，但該複合體的主要淨反應是「氧化 QH₂，還原 Cytochrome c」。

• D. cytochrome c 的氧化發生在 complex Ⅳ (正確)

  • Complex IV 的名稱為 Cytochrome c oxidase（細胞色素 c 氧化酶）。
  • 它的功能正是接收來自還原態 Cytochrome c 的電子，使其發生氧化（Cytochrome c 被氧化），並將電子最終傳遞給氧氣。
  • 這是教科書中對 Complex IV 功能的標準定義。

答案解析

正確答案是 D。

• Complex IV (Cytochrome c oxidase) 是呼吸鏈的終端複合體，其核心生化反應就是催化 Cytochrome c 的氧化以及氧氣的還原。電子流向為：Cytochrome c (還原態) → Complex IV → O₂。
• 選項 A 錯在最終接受者是氧氣。
• 選項 C 錯在 CoQ 主要是在 Complex I 與 II 被還原，而在 Complex III 被氧化。
• 選項 B 雖然描述了 Complex II 的部分酵素機制，但相比之下，選項 D 是對呼吸鏈中電子載體流向的精確定義（Complex IV "is" the oxidase of cytochrome c）。

核心知識點 (Study Guide)

考生應熟記電子傳遞鏈各複合體的名稱及其**受質（Substrate）與產物（Product）**的氧化還原關係：

1. Complex I (NADH-CoQ oxidoreductase):
   • 氧化 NADH → NAD⁺
   • 還原 Ubiquinone (Q) → Ubiquinol (QH₂)
   • 泵出質子 (4 H⁺)
2. Complex II (Succinate-CoQ oxidoreductase):
   • 氧化 Succinate → Fumarate (TCA cycle step)
   • (內部 FAD 還原為 FADH₂ 再氧化為 FAD)
   • 還原 Ubiquinone (Q) → Ubiquinol (QH₂)
   • 不泵出質子
3. Complex III (CoQ-Cytochrome c oxidoreductase):
   • 氧化 Ubiquinol (QH₂) → Ubiquinone (Q)
   • 還原 Cytochrome c (Fe³⁺ → Fe²⁺)
   • 泵出質子 (4 H⁺ via Q-cycle)
4. Complex IV (Cytochrome c oxidase):
   • 氧化 Cytochrome c (Fe²⁺ → Fe³⁺)
   • 還原 O₂ → H₂O
   • 泵出質子 (2 H⁺)

參考資料

1. Harper's Illustrated Biochemistry: Chapter on The Respiratory Chain & Oxidative Phosphorylation.
2. Lumen Learning: Electron Transport Chain (Complex IV acts as Cytochrome c oxidase). Link
3. NCBI Bookshelf: Molecular Biology of the Cell - Electron-Transport Chains and Their Proton Pumps.