生物化学 第12章电子传递和氧化磷酸化
生物化学复习要点-生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化一、教学大纲基本要求教学大纲基本要求讲解生物氧化与氧化磷酸化，1.生物能学简介，包括化学反应的自由能，自由能变化与化学反应平衡常数的关系，标准自由能变化的加和性，高能磷酸化合物，生物氧化的概念和特点。
2.线粒体电子传递，包括线粒体电子传递过程，电子传递链，电子传递链有关的酶和载体,电子传递链的抑制剂。
3.氧化磷酸化作用，包括氧化磷酸化的,P／O比和由ADP形成ATP的部位,电子传递和ATP形成的偶联及调节机制概念，氧化磷酸化的偶联机理，氧化磷酸化的解偶联。
二、本章知识要点1、本章概述有机物分子在生物细胞内被逐步氧化生成CO2，并释放出能量。
电子传递和氧化磷酸化作用使NADH和和FADH2再氧化并以ATP捕获释放出的能量。
真核生物电子传递和氧化磷酸化作用在线粒体内膜进行，而原核生物中过程在质膜上进行。
2、自由能变、反应平衡常数、氧化还原电位体系内能用于做功的能量称为自由能。
对化学反应来说，可以把自由能看成促使化学反应达到平衡的一种驱动力。
反应物自由能的总和与产物的自由能总和之差就是该反应的自由能变化(△G)。
当△G<0时体系未达到平衡，反应可以自发正向进行；当△G>0时体系未达到平衡，必须供能反应才能正向进行；当△G=0时反应处于平衡状态。
在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为一个大气压(0.1MPa)，温度为25℃、pH=0的条件下进行反应时自由能的变化称为标准自由能变化(△G0)。
标准自由能变化具有加和性。
对生物化学反应而言，在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃、pH=7.0的条件下进行反应时自由能变为标准自由能变化(△G0)。
生化反应中自由能变与反应的平衡常数间的关系可以用△G0=-RTlnK′eq =-2.303RTlogK′eq。
氧化-还原电位(E)是物质对电子亲和力的量度。
生化反应的标准氧化-还原电势(E0 )是在标准状况(参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa，温度为25℃)和pH7的条件下测量的，用伏特表示。
生物氧化与-电子传递与氧化磷酸化
Fe3+ + e
Fe2+
在复合体中将FMNH2 上电子传递给泛醌
2 泛醌
（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯 一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2 （还 原型）；QH2 也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。 因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。
电子传递
一物质脱氢（失电子）被氧化，必然有另一物质接 受氢（得电子）被还原，相伴发生。 机体内不存在游离的电子或氢原子，故从底物分 子脱下的电子或氢原子必然被另一物质接受。
递氢体、电子传递体
第二节
氧化 阳极 负极
氧化还原电势
还原 阴极 正极
原电池示意图
ε=E正极-E负极®
电极电势的计算
二、生物氧化的特点
1. 生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程， 反应条件温和（水溶液，pH7和体温）。 2. 氧化进行过程中，必然伴随还原反应的发生。 3. 在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步 进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子， 通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。
4. 生物氧化是一个分步进行的过程。每一 步都由特殊的酶催化，生物氧化的速度 可以调节或控制。 5. 生物氧化逐步释放的能量，通过与ATP合 成相偶联，转换成生物体能够直接利用 的生物能ATP。
1．NADH—Q还原酶
NADH—Q还原酶又称为NADH脱氢酶(NADH dehydrogenase)，简 称为复合体I，是一个具有相对分子质量88000的大蛋白质分子，至 少包含有34条多肽链。分别由核和线粒体两个不同的基因组编码 构成。在电子传递链中共有3个质子泵(proton pump)，该酶是第一 个质子泵。 该酶的作用是先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移 到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原，反应如下： NADH十H＋十FMN→FMNH2十NAD＋ FMN既可接受两个电子形成FMNH2，又可接受一个电子，或由 FMNH2给出一个电子形成一个稳定的半醌中间产物，
证明线粒体的电子传递和氧化磷酸化是由两2个不同的结构.
前言
三羧酸循环等呼吸代谢过程中脱下的氢被NAD+或FAD所接受。 细胞内的辅酶或辅基数量是有限的，它们必须将氢交给其它受 体之后，才能再次接受氢。在需氧生物中，氧气便是这些氢的 最终受体。这种有机物在生物活细胞中所进行的一系列传递氢 和 电 子 的 氧 化 还 原 过 程 ， 称 为 生 物 氧 化 ( biological oxidation)。生物氧化与非生物氧化的化学本质是相同的，都 是脱氢、失去电子或与氧直接化合，并产生能量。然而生物氧 化与非生物氧化不同，它是在生活细胞内，在常温、常压、接 近中性的pH和有水的环境下，在一系列的酶以及中间传递体的 共同作用下逐步地完成的，而且能量是逐步释放的。生物氧化 过程中释放的能量可被偶联的磷酸化反应所利用，贮存在高能 磷酸化合物（如ATP、GTP等）中，以满足需能生理过程的需要。
2.抑制剂(depressant)
抑制剂与解偶联剂的区别在于,这类试剂不仅抑
制ATP的形成，还同时抑制O2的消耗。这是因 为像寡霉素(oligomycin)这一类的化学物质可以 阻止膜间空间中的H+通过ATP合成酶的Fo进入 线粒体基质，这样不仅会阻止ATP生成，还会 维持和加强质子动力势,对电子传递产生反馈抑 制,O2的消耗就会相应减少。
泛醌︰线粒体复合物Ⅲ（细胞色素c 氧化还原酶）的假想构成和膜局部构造
4.复合体Ⅳ
又称Cyt c∶细胞色素氧化酶(Cyt c∶cytochrome oxidase)分 子量约 160 ～ 170 × 10 3 ，含有多种不同的蛋白质，主要成分是 Cyta和 Cyta3 及2个铜原子，组成两个氧化还原中心即 Cyta CuA 和Cyta3 CuB，第一个中心是接受来自Cyt c 的电子受体，第二 个中心是氧还原的位置。它们通过Cu+ Cu2+ 的变化，在Cyta 和Cyta3间传递电子。其功能是将 Cyt c中的电子传递给分子氧， 氧分子被 Cyta3、CuB 还原至过氧化物水平；然后接受第三个电 子，O-O键断裂，其中一个氧原子还原成 H2O；在另一步中接受 第四个电子，第二个氧原子进一步还原。也可能在这一电子传 递过程中将线粒体基质中的 2个H+转运到膜间空间。CO、氰化 物(cyanide,CN-)、叠氮化物(azide,N3-)同 O2 竞争与 Cytaa3 中 Fe的结合，可抑制从Cytaa3到O2的电子传递。
第十二章__生物氧化--王镜岩《生物化学》第三版笔记(完美打印版)
复合体IV：细胞色素C氧化酶复合体。将电子传递给氧。
三、偶联的调控
（一）呼吸控制
电子传递与ATP形成在正常细胞内总是相偶联的，二者缺一不可。ATP与ADP浓度之比对电子传递速度和还原型辅酶的积累与氧化起着重要的调节作用。ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。呼吸控制值是有ADP时氧的利用速度与没有时的速度之比。完整线粒体呼吸控制值在10以上，损伤或衰老线粒体可为1，即失去偶联，没有磷酸化。
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。
二、构成
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。
三、抑制剂
1.鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q的传递。鱼藤酮是极毒的植抗生素，抑制从细胞色素b到c1的传递。
3.氰化物、叠氮化物、CO、H2S等，阻断由细胞色素aa3到氧的传递。
第二节 氧化磷酸化
一、定义
与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。其作用是利用生物氧化放出的能量合成ATP：
生物化学第12章知识点总结
1.能量的生成:当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量转化成ATP。
2.生物氧化的特点（异同点）：①酶的催化②氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。
③水是许多生物氧化反应的氧供体。
通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。
④氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。
⑤生物氧化是一个分步进行的过程，能量通过逐步氧化释放，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。
⑥生物氧化释放的能量一般都贮存于一些特殊的化合物中，主要是ATP.【生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。
但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化体外燃烧细胞内温和条件（常温、常压、中性pH、水溶液）高温或高压、干燥条件一系列酶促反应，逐步氧化放能，能量利用率高无机催化剂能量爆发释放释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失3.高能化合物的概念：在标准条件下发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。
4.高能化合物的类型：磷氧键型（乙酰磷酸）；氮氧键型（磷酸肌酸）；甲硫键型（S-腺苷甲硫氨酸）；硫酯键型（酰基辅酶A）5.ATP的特殊作用：①ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。
②ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”③ATP是生物体通用的能量货币。
④ATP是能量的携带者和转运者，但并不能量的贮存者。
起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸肌酸。
6.电子传递链的概念:在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链。
又称呼吸链。
7.电子传递链的组成：FMN、辅酶Q、细胞色素b、c1、c、a、a3以及一些铁硫蛋白8.细胞色素c:唯一能溶于水的细胞色素；Q循环:通过辅Q的电子传递方式称为Q循环9.电子传递链的电子传递顺序（必考）：NADH：NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→细胞色素→复合体Ⅳ→O2FADH2：FADH2→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→细胞色素→复合体Ⅳ→O210.电子传递抑制剂的概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。
第三节 电子传递与氧化磷酸化
图5-11植物线粒体内膜上的复合体及其电子传递
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ；UQ库代表存在于线粒体中的泛醌库
1.复合体Ⅰ又称NADH∶泛醌氧化还原酶(NADH∶ubiquinone oxidoreductase)。分子量700X103～900X103,含有25种不同的蛋白质,包括以黄素单核苷酸(flav in mononucleotide,FMN)为辅基的黄素蛋白和多种铁硫蛋白，如水溶性的铁硫蛋白(iron sulfur protein,IP)、铁硫黄素蛋白(iron sulfur flavoprotein，FP)、泛醌(ubiquinone,UQ)、磷脂(phospholipid)。复合体Ⅰ的功能在于催化位于线粒体基质中由TCA循环产生的NADH＋H+中的2个H+经FMN转运到膜间空间，同时再经过Fe-S将2个电子传递到UQ(又称辅酶Q,CoQ)；UQ再与基质中的H+结合，生成还原型泛醌(ubiquinol,UQH2)。该酶的作用可为鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶菌素A(piericidin A)、巴比妥酸(barbital acid)所抑制。它们都作用于同一区域，都能抑制Fe-S簇的氧化和泛醌的还原。
图5-14 ATP生成过程中构造变化的模型。
F1复合物有三个核苷酸结合位点。每一部位有三种完全不同的结构状态。松散的核苷酸结合部位（L），紧密核苷酸结合部位（T）和开放核苷酸结合部位（O）。在任何时候。F1复合物包括这三种不同的结构，其中有一个与酶复合物的每一个催化中心相连。ADP和Pi开始被结合到开放状态未被占有的部位（1）。质子运动通过F0释放能量引起γ亚单位旋转。这种旋转自发改变了三个核苷酸结合位点的构造。结合有ATP的T型被转变成O型，ATP被释放出来。同时，结合有ADP和Pi的L型被转化成T型，疏水性的结合正有利于ATP生成。第上步中结合ADP和Pi的开放部位转化或松散型结构（2）。被紧密结合的ADP和Pi转化生成ATP，此步骤不需消耗能量和构型改变（3）
生物化学(第三版 下册)名词解释
1.丙氨酸-葡萄糖循环肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，后者经血液循环转运至肝脏经过联合脱氨基作用再脱氨基，放出的氨用于合成尿素；生成的丙酮酸经糖异生转变为葡萄糖后再经血液循环转运至肌肉重新分解产生丙酮酸，丙酮酸再接受氨基生成丙氨酸。
丙氨酸和葡萄糖反复地在肌肉和肝之间进行氨的转运，股将这一循环过程称为丙氨酸-葡萄糖循环。
2. 光合磷酸化光合磷酸化(photophosphorylation)是植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化腺二磷（ADP）与磷酸（Pi）形成腺三磷（ATP）的反应。
3.底物水平磷酸化物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP 或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化4.酶的共价修饰调节某些酶蛋白肽链上的侧链基团在另一酶的催化下可与某种化学基团发生共价结合或解离，从而改变酶的活性，这一调节酶的活性的方式成为酶的共价修饰调节5.酮体在肝脏中，脂肪酸氧化分解的中间产物乙酰乙酸、β-羟基丁酸及丙酮，三者统称为酮体。
肝脏具有较强的合成酮体的酶系，但却缺乏利用酮体的酶系。
酮体是脂肪分解的产物，而不是高血糖的产物。
进食糖类物质也不会导致酮体增多。
6.P/O比值物质氧化时，每消耗1克原子氧所消耗无机磷的摩尔数（或ATP摩尔数），即生成ATP的克分子数7. 脂肪酸的β-氧化脂酰CoA在线粒体基质中进入β氧化要经过四步反应，即脱氢、加水、再脱氢和硫解，生成一分子乙酰CoA和一个少两个碳的新的脂酰CoA。
8.暗反应暗反应是激发分子的热力学的缓和过程，是电荷的分离、电子的传递、磷酸化或短命的中间体形成等多种基本过程。
9.光反应光反应又称为光系统电子传递反应(photosythenic electron-transfer reaction)。
在反应过程中,来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。
氧化磷酸化名词解释生物化学
氧化磷酸化名词解释生物化学一、氧化磷酸化名词解释呼吸链的主要功能是产生能量货币ATP。
当电子沿着呼吸链向下游传递的时候总伴随着自由能的释放，释放的自由能有很大一部分用来驱动ATP的合成，这种与电子传递偶联在一起的合成ATP方式被称为氧化磷酸化（OxP）。
二、氧化磷酸化的偶联机制1、化学渗透学说该学说由Peter Mitchell于1961年提出，其核心内容是电子在沿着呼吸链向下游传递的时候，释放的自由能转化为跨线粒体内膜（或跨细菌质膜）的质子梯度，质子梯度中蕴藏的电化学势能直接用来驱动ATP的合成。
驱动ATP合成的质子梯度通常被称为质子驱动力（pmf），它由化学势能（质子的浓度差）和电势能（内负外正）两部分组成。
支持化学渗透学说的主要证据：•氧化磷酸化的进行需要完整的线粒体内膜的存在。
•使用精确的pH计可以检测到跨线粒体内膜的质子梯度存在。
据测定，一个呼吸活跃的线粒体的膜间隙的pH要比其基质的pH 低0.75个单位。
•破坏质子驱动力的化学试剂能够抑制ATP的合成。
•从线粒体内膜纯化得到一种酶能够直接利用质子梯度合成ATP，此酶称为F1F0-ATP合酶。
•人工建立的跨线粒体内膜的质子梯度也可驱动ATP的合成2、结合变化学说1977年Paul D. Boyer提出的结合变化学说能正确地解释F1F0-ATP 合酶的作用机理。
结合变化学说可简化为：质子流动→驱动C单位转动→带动γ亚基转动→诱导β亚基构象变化→ATP释放和重新合成。
支持结合变化学说的证据：•18O同位素交换实验•John Walker获得的F1的晶体结构清楚地表明，3个β亚基处于不同的构象并和不同的核苷酸配体结合•日本科学家采取特别的手段直接观察到F1的旋转催化三、氧化磷酸化的解偶联氧化磷酸化与呼吸链通常是紧密偶联的，但是，低水平的质子泄漏时刻发生在线粒体内膜上，因此，确切地说，线粒体通常是部分解偶联的。
解偶联一般是受解偶联剂作用所致。
解偶联剂的作用机制在于它们能够快速地消耗跨膜的质子梯度，使得质子难以通过F1F0-ATP合酶上的质子通道来合成ATP，从而将贮存在质子梯度之中的电化学势能转变成热。
电子传递和氧化磷酸化途径微课件.ppt
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（3）复合物III(泛醌-细胞色素c氧化还原酶)：包含2个cytb，c1，Fe-S 蛋白，催化电子从还原型泛醌到cytc，同时将2H转移到膜间空间。
（4）复合物IV(细胞色素氧化酶)：至少有13种蛋白质，包含cyta和 cyta3，含2Cu，催化电子从还原型cytc到O2，被激活的O2可与线粒体基 质中的氢结合生成水。
作物生产技术专业教学资源库植物与植物生理第四单元未端氧化系统的多样性作物生产技术专业教学资源库植物与植物生理第四单元重点电子传递链电子传递途径底物水平磷酸化和氧化磷酸化
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植物与植物生理》第四单元教学子单元4：植物的呼 吸作用微课件3
电子传递和氧化磷酸化途径
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2.氧化磷酸化：是指电子从NADH或 FADH2经电子传递链传递给分子氧 生成水，并偶联ADP和Pi生成ATP的 过程；它是需氧生物合成ATP的主 要途径。
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（二）P/O比
每吸收一个氧原子与所酯化的无机磷分子数之比，或每传递两个电子 与产生的ATP数之比，称为P/O比。是衡量线粒体氧化磷酸化作用的活 力指标。
在植物中普遍存在，果蔬中含量多，定位于细胞质中，含Cu。该酶 对氧的亲和力低，受氰化物抑制，对CO不敏感。
12 电子传递与氧化磷酸化
电子传递过程中的一系列氧化还原反应 是由许多电子传递体（即电子载体）所组成 的电子传递链（即呼吸链）完成的。
电子传递链的主要组分: 烟酰胺腺嘌呤核苷酸、黄素蛋白、铁-硫蛋白、
辅酶Q﹑以及 细胞色素类蛋 白，由它们所 构成的酶复合 物在线粒体内 膜上的定位关 系与它们在电 子传递链中的 严格顺序是一 致的。
4、辅酶Q
它占据 着电子传递 链的中心， 是电子传递 过程中的电 子集中点
5、细胞色素(cytochromes)
细胞色素的吸收 光谱位于可见光范围 内 。 根 据 α- 吸 收 带 的 实 际 波 长 可 分 为 a、b、 c三类细胞色素。在哺 乳动物线粒体电子传 递 链 中 ， 至 少 存 在 b、 c、c1、a 和 a3 等 五 种 细胞色素蛋白。图是 细胞色素c氧化型和还 原型的吸收光谱。
1、烟酰胺腺嘌呤核苷酸(NAD+和NADP+)
多 数 脱 氢 酶 是 以 NAD+ 作 为 辅 酶 ； NAD＋ 具有集中电子的作用。
2、黄素蛋白
黄 素 蛋 白 ( flavoproteins， 简 为 fp) 或 黄 酶 (flavoenzymes) 辅基或是FMN，或是FAD，它 们在氧化还原反应中可以接受或供出一个或二 个电子。
一、线粒体的形态和结构
线粒体的外形很象动物的肾，其大小与一 个细菌的大小接近，很可能是由内共生细菌进 化而来，故有线粒体内共生起源之说.
线粒体是由双层膜包围的细胞器:
二、线粒体的跨膜转运系统
1、细胞溶质（胞液）还原当量的跨膜转运
胞液中糖酵解产生的NADH上的电子可 通过苹果酸-天冬氨酸穿梭或者磷酸甘油穿梭 系统转运进入到线粒体内膜的电子传递系统 中。
生物化学
生物化学名词解释电子传递链:代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，生成水，参加与这一过程的体系称作呼吸链，也叫电子传递体系或电子传递链。
EMP途径：即糖酵解途径，无氧呼吸和有氧呼吸的第一阶段，把1分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸的过程氧化磷酸化：在底物脱氢被氧化时，电子或氢原子在呼吸链上的传递过程中伴随ADP 磷酸化生成ATP 的作用，称为氧化磷酸化。
脂肪酸的β- 氧化：脂肪酸的氧化分解是从羧基端的β-碳原子开始, 经系列反应以乙酰CoA形式移去二碳单位而逐步被降解, 该过程称作脂肪酸的β-氧化.冈崎片段： DNA双链中，合成方向与复制叉移动方向不同的单链，其在合成时，先形成小的DNA 片段，称为冈崎片段不对称转录：DNA链是有极性的，RNA聚合酶以不对称的方式与启动子结合，使得转录只能沿着一个方向进行。
对一个基因而言，互补链中只有一条链被转录成RNA。
一是指双链DNA只有一股单链用作模板，二是指同一单链上可以交错出现模板链和编码链。
RNA转录时，一个转录子内是只转录一条链的DNA上的信息，表现为不对称转录半保留复制：在DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋分开。
然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。
这样，从亲代DNA的分子可以精确地复制成两个子代DNA分子。
每个子代DNA分子中，一条链是从亲代DNA来的，另一条是新和成的链，这种复制方式称为半保留复制。
转氨基作用：在转氨酶作用下，一种氨基酸的α－氨基转移到另一种α－酮酸上生成新的氨基酸，原来的氨基酸则转变为α－酮酸，此过程成为转氨基作用联合脱氨基作用：指氨基酸转氨基作用于L-谷氨酸氧化脱氨基作用的联合。
翻译：遗传信息由转录生成的mＲＮＡ传递给新合成的蛋白质，即有核苷酸序列转换为蛋白质的氨基酸序列，这个过程称为翻译。
遗传密码与密码子：遗传密码子是指mＲＮＡ分子上编码多肽链氨基酸序列的核苷酸序列。
2014 生物氧化—电子传递和氧化磷酸化
非标准状态下，根据实际参加反应物和产物浓度， 用能斯特方程式计算，求出反应的电动势。
第三节 电子传递链
1. 电子传递过程: 指还原型的辅酶（NADH、 FADH2）通过电子传递再氧化的过程。
电子传递链：由一系列具有氧化还原作用的载体组成，
电子、质子通过呼吸链中4个复合体概况
(四)电子传递抑制剂：
能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质。
电子传递的抑制剂： 1. 鱼藤酮 、安密妥 、杀粉蝶菌素
NADH || CoQ
2. 抗霉素A
Cytb || CytC1
3. 氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO
铂酸-Q还原酶（复合体II)、细胞色素还原酶（复合体
III)、细胞色素C和细胞色素氧化酶（复合体IV ） 。
• 主链上形成三个复合物，包埋在线粒体内膜，每
一复合体包括几个电子或氢传递体，三个复合物之间 由两个小电子载体(CoQ和CytC)相连。
•有三个ATP形成位点.
氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实验确定的
并且按其对电子亲和力递增的顺序排列, 即电子从 NADH(-0.32V)系列电子传递体 氧(+0.82V)的方向传递。
2. 电子传递链(呼吸链)的组成特点
• 呼吸链中的传递体大多和水不溶性蛋白相结合，多
数嵌合在线粒体内膜中。传递体包括氢传递体（电 子、质子）和电子传递体两大类。
• 组成包括：NAD-Q还原酶（复合体I ）、CoQ、琥
第二节 氧化还原电势 (E°)
还原电位可以 通过电化学装 置定量地测定。 其原理可以通 过一对电子从 锌原子转移到 一个铜离子 （Cu2+）的简 单的氧化－还 原反应来说明。
生物化学课件：13 电子传递和氧化磷酸化
电子传递的能量计算
ΔG°′=－nFΔE°′ ΔE°′= E0正极 - E0负极
三、电子传递与ATP合成
• 细胞内ATP 的合成是在ADP水平上进行的 ADP + Pi → ATP
• 异养生物体内高能磷酸键的形成方式有两 种：
– 底物水平磷酸化 – 氧化（电子传递水平）磷酸化
（一）生物体内ATP的生成方式
（一）呼吸链的组成
复合物Ｉ
NADH-CoQ 还原酶
(NADH脱氢酶)
辅助因子： FMN，Fe-S
复合物II
复合物III 复合物IV
琥珀酸-CoQ 还原酶
(琥珀酸脱氢酶)
辅助因子： FAD，Fe-S
CoQ-细胞色 素c还原酶
辅助因子： Fe-S，血 红素
细胞色素c 氧化酶
辅助因子： 血红素， Cu离子
2．复合体Ⅱ（琥珀酸-CoQ氧化还原酶）：
功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
琥珀酸→ FAD；Fe-S1； Fe-S2 ；Fe-S3 →CoQ
➢ 2005年，我国饶子和院 士在Cell杂志上发表论 文“Crystal Structure of Mitochondrial Respiratory Membrane Protein Complex II” （Cell. 2005 121(7):1043-57） ，首 次解析了复合物Ⅱ的三 维结构
能
关于能量代谢的说明
➢ 传统的能量代谢理论认为，有机物脱下的H 经氧化呼吸链传递时: 1 FADH2可生成2 ATP 1 NADH•H+可产生3 ATP。
➢ 现在普遍认为呼吸链递氢和递电子所产生的 能量并不完全用于ATP的生成: 1 FADH2只生成1.5 ATP 1 NADH•H+只产生2.5 ATP。
《生物化学》生物氧化与氧化磷酸化
电子体传递给被氧化酶激活的氧而生成H2O 。
乙醇脱氢酶 CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+ NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O-
2H+
H2O
第一节 生物氧化概述
二、 生物化学反应的自由能变化
1、自由能（free energy）的概念 物理意义：恒温恒压下，体系中能对环境作功的那部分能 量称为自由能，又称Gibbs自由能，用G表示)。
抑[例制1电]2,子4-二传硝递。基苯酚（dinitrophenol, DNP）
NO2 H+Fra bibliotekNO2 O-NO2
外 线内 粒
体
NO2
内 膜
OH
NO2
NO2
NO2
OH H+
NO2 O-
第三节 氧化磷酸化
五、线粒体穿梭系统
胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜 转运胞液NADH的机制主要有： ➢磷酸甘油穿梭系统（肌细胞） ➢苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（肝细胞）
CH3-C-COOH
CoASH NAD+
NADH+H+
R CH2-NH2 +CO2
CH3COSCoA+CO2
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念
（三）生物氧化中CO2和H2O 的产生 H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、
NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递
第一节 生物氧化概述
三、高能化合物
(一）生物体内的高能化合物
2、磷氮键型 3、硫碳键型
【清华】18电子传递和氧化磷酸化习题与答案
18电子传递和氧化磷酸化习题与答案习题1．计算以下各氧化还原反应的标准还原电位和标准自由能变化：（a）乙醛＋NADH ＋H＋→乙醇＋NAD＋（其中NAD＋/ NADH＝－0.32V, 乙醛/乙醇＝－0.20）（b）CoQH2 ＋2细胞色素C(Fe3+) →CoQ ＋2细胞色素C（Fe2+）+ 2H＋（其中CoQ/CoQH2＝0.45，细胞色素C(Fe3+)/细胞色素C（Fe2+）＝0.08）2．超声处理产生的线粒体内膜碎片，内面朝外重新闭合形成称为亚线粒体颗粒的球状膜泡。
这些颗粒能够在NADH或CoQH2这样的电子源存在时，合成ATP。
画图显示在这些颗粒中从NADH开始的电子传递、质子转运和磷酸化过程。
假定氧化磷酸化的底物过量存在，当悬浮亚线粒体颗粒的悬浮液pH上升时，ATP合成是增加还是减少？3．含有过量ADP和Pi的线粒体悬浮液的耗O2曲线如下图所示（纵坐标为氧浓度，横坐标为时间）：画出（a）当t为1时加入安密妥；（b）当t为1时加入安密妥；当t达到2时加入琥珀酸；（c）当t为1时加入CN－；当t达到2时加入琥珀酸；（d）当t为1时加入寡霉素；当t达到2时加入2,4-二硝基苯酚的各个耗O2曲线。
4．任何氧化还原电对的标准还原电势都是由半电池反应确定的。
NAD＋／NADH和丙酮酸／乳酸的标准还原电位分别为-0.32V和-0.19V。
（a）哪一个共轭电对有较大失去电子的倾向？（b）哪一种为较强的氧化剂？（c）求在25℃、pH7时，下列反应的标准自由能变化ΔG°′以及反应的平衡常数。
丙酮酸＋NADH ＋H＋→乳酸＋NAD＋5．在正常的线粒体内，电子转移速度与ATP需求紧密联系在一起的：A TP的利用率低，电子转移速度也低；ATP的利用率高，电子转移就加快。
在正常情况下，当NADH作为电子供体时，每消耗一个氧原子产生的A TP数大约为3（P/O＝3）。
（a）讨论解耦联剂的浓度相对来说较低和较高时对电子转移和P/O比有什么样影响？（b）摄入解耦联剂会大量出汗和体温升高。
《生物化学》生物氧化与氧化磷酸化 (2)
FADH2 2e-
-55.6kJ/mol -34.7kJ/mol
呼吸链的 偶联部位
-102.1kJ/moL
第三节 氧化磷酸化
二、氧化磷酸化与电子传递的偶联 （一）呼吸链中电子传递时自由能的下降
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
FADH2
2e-
ΔG’ = - n FΔEӨ′ = - 2×96.5×[0.82-(-0.32)] = - 220.07 kJ·mol-1
第二节电子传递链(呼吸链）
二、电子传递链 （一）电子传递链的组成
1. 黄素蛋白（flavoprotein, FP） 2. 铁硫蛋白（iron—sulfur protein) 3. 泛醌（ubiquinone） 4. 细胞色素（cytochromes）
第二节电子传递链(呼吸链）
二、电子传递链
（一）电子传递链的组分
EӨ愈大表明该物质获得电子的倾向愈大， EӨ愈小则失去电子的 倾向愈大。
因此，在氧化还原体系中，电子总 是由低电位物质流向高电位物质。
第一节 生物氧化概述
氧化还原电位与自由能之间的关系：
在氧化还原反应系统中，标准自由能变化与标准氧化还原电位 变化之间存在下列关系：
ΔGӨ’ = - n F ΔEӨ’
Cyt氧化酶
辅基 FMN，Fe-S FAD，Fe-S，Cytb
铁卟啉，Fe-S
铁卟啉，Cu
第二节电子传递链(呼吸链） 琥珀酸等
二、电子传递链 （二）线粒体呼吸链
（FAD）
NADH
（FMN）
铁硫蛋白
呼吸链中的电子传递有着严格的方 铁硫蛋白 向和顺序，即电子从EӨ’低的传递 （Fe-S）
体依次通过EӨ’较高的传递体逐步
18电子传递和氧化磷酸化
+ NH3
CH2 CH2 H3C S
+
A
18.1 电子传递与氧化磷酸化概述
氧化磷酸化——指NADH和FADH2上的电子通过 一系列电子传递载体传递给O2，伴随NADH和 FADH2的再氧化，并将释放的能量使ADP磷酸化 形成ATP的过程（即氧化与磷酸化发生偶联） 。
电子传递与氧化磷酸化的实质——需氧细胞内糖类、 脂类、蛋白质等通过各自的分解途径所形成的还原 型辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递链被重 新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下， 其电子沿着一系列的电子载体传递，最后转移给分 子氧。而质子和负离子型氧结合成水。在电子传递 过程中释放出的大量自由能使ADP磷酸化生成ATP。 在传递过程中，电子的传递仅发生在相邻的电子载 体之间，它的传递方向每个电子所具有的电化学势 能的大小。
O P O O
-
P O
3-磷酸甘油酸磷酸
乙酰磷酸
11.8千卡/摩尔
10.1千卡/摩尔
O R C O
O H3N
+
O P O
-
O A
O P O O
-
C O
酰基腺苷酸
O
氨甲酰磷酸
O P O A O
-
RCH C O N H3
+
氨酰基腺苷酸
b)
O O P O
-
焦磷酸化合物
NH2
O O P O
焦磷酸
-
N
N N N H H OH
18 电子传递和氧化磷酸化
生物氧化概念 生物氧化的特点 生物氧化的本质及过程 NADH和FADH2的彻底氧化
一、生物氧化概念
有机物在生物体内的氧化包括物质分解和 产能 O CO + H O
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FMN Fe S
CoQH 2
O2-
H2O
2+ C yt-Fe Fe -S b Fe -S 3+ CoQH2 e - C yt-Fe 2
CoQ
2e
-
3+ C yt-Fe
2+ 2 e C yt-Fe
-
3+ C yt-Fe
2+ C yt-Fe
2e
1 －O2 2
c1
c
a
-
a3 O2- H2O
2+ C yt-Fe 2 e - C yt-Fe 3+
此外，琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等以 FAD为辅基。 琥珀酸脱氢酶是一种膜结合蛋白，位于线 粒体内膜上。琥珀酸脱氢酶同FAD的结合是共 价的。琥珀酸脱氢酶是琥珀酸-CoQ还原酶复合 物的组分之一，该复合物的另一组分是铁-硫 蛋白。
（三）
铁-硫蛋白(Iron-sulfur proteins)
铁-硫蛋白是一类复杂的蛋白质，铁和硫结合到 这类蛋白质的半胱氨酸残基上。 铁-硫蛋白是一类非血红素铁蛋白(不含血 红素)。在铁-硫蛋白中，铁和硫通常都是等量存在， 2 Fe-2S 和 4 Fe-4S 是最普遍的铁-硫簇。 当铁-硫蛋白作为电子载体时，其铁-硫簇的铁原 子能以氧化型(Fe3＋)和还原型(Fe2＋)的形式作为电 子受体和供体参与电子的传递。
第 十 二 章 电子传递与氧化磷酸化
需氧生物能够利用氧将葡萄糖(以及其他有机物分子) 完全氧化，产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)。葡萄糖完全氧化 的总反应可用下式表示 C6H12O6 ＋ ຫໍສະໝຸດ O2 —→ 6CO2 ＋ 6H2O
这一总反应实际上由两个不同的代谢过程偶联进行的结 果。前面讨论的有关糖酵解和柠檬酸循环只是构成了其中 一半的反应，即： C6H12O6＋ 6H2O —→ 6CO2 ＋ 24H＋ 6O2 ＋ 24H＋ ＋ 24e－ ＋ 24e－
内膜的存在把线粒体分隔成膜间空间 (intermembrane space)和内侧基质(matrix)。膜间 空间位于内膜和外膜之间，几种能够利用ATP的酶 (例如肌酸激酶和腺苷酸激酶等)可在这一分隔间找 到。 线粒体基质是液态形的，它含有柠檬酸循环 和脂肪酸氧化的绝大多数酶。在参与柠檬酸循环的 酶中，只有琥珀酸脱氢酶是一种膜结合蛋白。
电子转移给内膜上的辅酶Q(CoQ)，从而进入呼吸链 继续传递，故来自胞液的NADH的还原当量经该途径 只产生2分子的ATP。 （FADH2上电子传递途径与 NADH有所区别。没有进入基质）
2
磷酸甘油穿梭：肌肉、神经
P
（二） ADP-ATP转运蛋白
由线粒体电子传递和氧化磷酸化产生的ATP大多 数是在胞液中被利用。线粒体内膜含有ADP-ATP转 运蛋白(也叫做腺苷酸交换酶)，该蛋白能将线粒体 基质中的ATP以与ATP在胞液中被利用产生的ADP进 行交换的方式转运到胞液中。 ADP-ATP转运蛋白是由两个相同的、分子量为 30kD的亚基组成，含有一个ADP和ATP竞争结合的部 位。它以两种构象存在：一种是它的ADP-ATP结合 部位面向线粒体内膜内侧，另一种是它的结合部位 面向线粒体内膜外侧。该转运蛋白必须结合配体才 能以生理上适当的速度从一种构象转变成另一种构 象。
线粒体的外形很像动物的肾，其大小约在0.5～ 1.0µm，与一个细菌的大小接近。典型的真核生物细 胞约含2000个线粒体，占细胞的总体积的1/5。
线粒体是由双层膜包围的细胞器。光滑的外膜 大约由30～40%的脂类和60～70%的蛋白质组成，含 有较高浓度的磷脂酰肌醇。外膜还含有一种很丰富 的(膜)孔蛋白(porin)，是一种跨膜蛋白，富含β折叠片。该蛋白能形成很大的跨膜通道，允许分子 量10000以下的分子自由扩散。显然，外膜主要行使 保持线粒体形态的功能。
当电子被转移时，伴随着氢质 子从线粒体内膜基质侧跨膜转移到内 膜外侧，产生一种跨膜的电化学梯度。 蕴藏在电化学梯度中的能量，推动 ATP酶促磷酸化，生成ATP。
上述的事件实际上包含着电子传 递和氧化磷酸化两个方面的反应。
第一节 线粒体的结构与功能
线粒体是真核生物重要的细胞器，是真核生物氧 化性代谢的场所。线粒体含有
电子传递链(electron-transport chain) 或呼吸链(respiratory chain)是指具有严格排 列顺序的电子载体所构成的体系。电子传递链 的主要组分包括烟酰胺腺嘌呤核苷酸、黄素蛋 白、铁-硫蛋白、辅酶Q﹑以及细胞色素类蛋白， 它们在细胞线粒体内膜上的定位关系与它们在 电子传递链的严格顺序是一致的。
一、电子传递链及其组成
电子传递过程中的一系列氧化还原反应是由许多电子 传递体(即电子载体)所组成的电子传递链(即呼吸链) 完成的。电子在传递过程中有严格的顺序。
这种传递顺序是有每个电子载体的氧化型 和还原型所构成的电对的氧化还原电势决定的。 电子从氧化还原电势较低的载体上传递到氧化 还原电势较高的载体上。
由于CoQ是电子传递链中唯 一不与其他蛋白质紧密结合的电子 载体，异戊二烯基尾链是非极性的， 它能促进CoQ在线粒体内膜的碳氢 相中迅速扩散，这就允许它作为一 种流动着的电子载体在复合物 Ⅰ(或复合物Ⅱ) 和复合物Ⅲ之间 起桥梁作用。
（五）
细胞色素(cytochrome)
细胞色素是一类含血红素(heme)的铁蛋白。这类蛋白质 只存在于需氧细胞中，在把电子从CoQ传递到氧分子的 过程中起着重要作用。 细胞色素的吸收光谱位于可见光范围内。根据α-吸 收带的实际波长可分为a、b、c三类细胞色素(图12－8)。 在哺乳动物线粒体电子传递链中，至少存在b、c、c1、 a和a3等五种细胞色素蛋白。细胞色素b、c和c1都含有 血红素(含铁的原卟啉) ，与血红蛋白和肌红蛋白相同。
3+ 2+ C yt-Fe 2 e C yt-Fe
2H+ 复合物III （泛醌－细胞色素c还原酶） 复合物IV （细胞色素c氧化酶） －
（一）
烟酰胺腺嘌呤核苷酸(NAD＋和NADP＋)
大多数脱氢酶对 NAD＋ 是专一的，只有少数 脱氢酶(如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)以 NADP＋ 作 为辅酶。胞液中的和线粒体中的NAD＋ 和NADP＋ 被线粒体内膜隔开，彼此不能自由通过。 由于大多数脱氢酶是以 NAD＋ 作为辅酶，所 以从不同的底物脱下的电子都可以集中到同一 分子 NAD＋ 上，然后以还原型(NADH)的形式进 入到呼吸链。因此， NAD＋ 具有集中电子的作 用。
（四） 辅酶Q(CoQ)也叫做泛醌(ubiquinone)，是 电子传递链中的唯一的一种非蛋白质组分。不同来源的 CoQ的基本结构相同，只是在侧链上的异戊二烯单位的 数目存在差别。动物线粒体的CoQ侧链含有10个异戊二 烯单位，用CoQ10表示。其他种类的生物中含有6～8个 异戊二烯单位。细菌CoQ的侧链中含有6个异戊二烯单位.
丙酮酸脱氢酶复合物、
柠檬酸循环的酶、
催化脂肪酸氧化的酶、 电子传递和氧化磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白。 因此，线粒体常被描述为细胞的“动力车间”。
一、线粒体的形态和结构
电子传递和氧化磷酸化过程与细胞的膜结构密 切相关。在原核生物中，由于细胞结构简单，电子传 递和氧化磷酸化过程发生在质膜上。在真核生物中， 这样的过程出现线粒体的内膜上。
另一半反应则是分子氧被还原生成水的过程：
—→ 12H2O
当葡萄糖氧化时，生成了10分子的 NADH和2分子 的FADH2，电子以还原性的辅酶形式进入到线粒体 电子传递系统，发生下述反应事件： NADH和FADH2上的电子被转移到其他的电子载体 上，本身被氧化成NAD＋和FAD，可以继续参与代谢 物的氧化反应。 被转移的电子经由线粒体内膜上的四个有序的酶复合 物构成的电子传递系统---电子传递链(或呼吸链)--的传递，最后使O2还原成H2O。
（二）
黄素蛋白
有几种需要黄素核苷酸(FMN和FAD)作为辅基的酶参与了 电子传递。这类酶叫做黄素蛋白(flavoproteins,简为fp)或黄 酶(flavoenzymes)。黄素蛋白的辅基或是FMN，或是FAD,两者 在氧化还原反应中都可以接受或供出一个或二个电子。
NADH脱氢酶(也叫做NADH-CoQ还原酶)是一种含FMN的黄素 蛋白。NADH脱氢酶是一种多体酶，含有多达43条多肽链，分子 量约850kD。该酶还含有5～7个铁-硫簇(iron-sulfur clusters)，因而这个酶又称为 铁-硫蛋白。NADH上的电子 最初为其脱氢酶的辅基FMN所接受，然后通过几个铁-硫簇转移 到辅酶Q(CoQ)上。
二、
线粒体的跨膜转运系统
除与电子传递和氧化磷酸化有关的蛋白质外， 内膜含有很多控制代谢物和离子进出的转运蛋白。
（一）细胞溶质(胞液)还原力的跨膜转运
胞液中糖酵解产生的NADH可通过： 苹果酸-天冬氨酸穿梭 磷酸甘油穿梭系统转运到线粒体内。
1 苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-aspartate shuttle) 在哺乳动物的肝脏，肾和心肌中是很活跃的。 该途径涉及苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶。这两种 酶在胞液和线粒体基质中都存在。此外，还涉及到内 膜上的转运蛋白。。经该系统转运的每分子还原当量 可产生3分子的ATP。
在细胞色素b中，血红素是以非共价的 方式与蛋白质多肽链相连，而细胞色素c和c1 的血红素是以共价键的方式同蛋白质部分相 连。但是，细胞色素a和a3含有一个修饰的叫 做血红素A(heme A)的辅基。
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细胞色素b、c1、a和a3都是完全的膜结合蛋 白。有证据揭示，细胞色素b有两个不同的血红 素结合部位，称为b562(或bH，具有较高的氧化 电势，靠近膜间空间)和b566(或bL，具有较低的 氧化电势，靠近基质)。 细胞色素a和a3作为一个复合物出现在电子传 递链的末端，与电子从细胞色素c传递到氧分子 直接相关，所以细胞色素a,a3又叫做细胞色素c 氧化酶或细胞色素氧化酶。