《生物化学》生物氧化-电子传递和氧化磷酸化

真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体 内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。
线粒体结构
外膜: 平滑，含约50%脂类和50%蛋白，蛋白 质中有些可以形成孔道蛋白，能通过分子量 小于4000-5000的物质。
内膜: 含约20%脂类和80%蛋白。它是细胞质 和线粒体基质之间的主要屏障。内膜有许多 向内的折叠，称为嵴。嵴与嵴之间形成区室。 内膜上有许多球状颗粒（内膜球体），内膜 还含有许多富含蛋白质的跨膜颗粒（如电子 传递链颗粒、跨膜运送颗粒等）。
二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比
1、P/O比：
1940年，S.Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与 ATP生成的关系，提出P/O比的概念。
当一对电子经呼吸链传给氧（1/2O2)的过程中所产 生的ATP分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无 机磷酸的分子数与消耗分子氧数之比,称为P/O比。
目前认为，每个NADH+H+的电子对，经传递能将10个 质子泵出，而琥珀酸则为6个质子，每驱动一个ATP合 成需4个质子，则NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5 (3), FADH2经呼吸链氧化P/O比为1.5 (2 )。
电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中 电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物 质的氧化-还原状态可以测出）
2）常用的几种电子传递 抑制剂及其作用部位
➢鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素: 其作用是 阻 断电子在NADH-Q还原酶内的传递，所以阻断 了电子由NADH向CoQ的传递。
➢抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中 Cytb上的传递，所以阻断电子由QH2向CytC1 的传递。
HC OH
HC OH 接受的氢原子
HC OH
HC OH
HC OH
HC OH O
HC OH O
HC OH O
H2C O P O-
H2C O P O-
H2C O P O-
FMN O-
FMNH· O-
FMNH2 O-
铁硫聚簇（Fe-S中心 ）
铁硫聚簇主要以（Fe-S）、 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。
➢氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化 碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素 氧化酶中传递，即阻断了电子由Cytaa3向分子 氧的传递。
呼吸链的电子传递抑制剂图示
NADH
NADH-Q还原酶
鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素
CoQ
cytb
抗霉素A
cytc1
cytc
cytaa3
氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物
CoQ
＋2H －2H
CoQH2
泛醌
(R)
（醌型或氧化型）
泛醌H·
（半醌型）
二氢泛醌 （氢醌型或还原型）
辅酶Q：线粒体内膜， 结合 游离 接受：NADH、琥珀酸脱氢酶，脂酰-CoA脱氢酶以及其 它黄素酶类脱下的氢。
R:哺乳动物中为10个异戊二烯单位，简写为Q10 非哺乳动物中为6-8个异戊二烯单位。 作用:使辅酶Q成为非极性化合物，在线粒体内膜 的脂双层中可以迅速扩散。
辅基
FMN，Fe-S FAD， Fe-S 铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，Cu
NADH 氧化呼吸 链
琥珀酸氧化呼吸链
电 -0.4 子 传 -0.2 递 链 标0 准 氧 0.2 化 还 原 0.4 自 由 能 0.6 变 化
0.8
E0/V 琥珀酸等
ADP+Pi ATP
FMN Fe-S
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q 还原酶
MW：88 kDa ≧34条多肽链 辅基： FMN和铁-硫聚簇（Fe-S） 传递电子和氢 辅酶：辅酶Q
以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋。FMN通过氧化还原 变化可接收NADH+H+的氢以及电子。
NADH+H+ + FMN
FMNH2 + NAD+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
Cytc的辅基
波长nm
细胞色素c
起着在复合体III和Ⅳ之间传递电子的作用， 细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的C1和 细胞色素氧化酶接触。
是唯一能溶于水的细胞色素。由一条多 肽链组成，含104个氨基酸残基，分子量 13 kDa。
线粒体 外膜
线粒体 内膜
细胞质
无血红素细 胞色素c
成熟的细 胞色素c
铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上 脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一 个电子.
Cys S
S
S Cys
+e-
Fe3+
Fe3+
Cys S
S
S Cys
Cys S
S
S Cys
Fe3+
Fe2+
Cys S
S
S Cys
辅酶Q（泛醌、亦简称Q）
功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递 氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2 个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也 容易给出2个电子和2个质子，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。
O2
第四节 氧化磷酸化
生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要由三种方式：
➢底物水平磷酸化 ➢光合磷酸化 ➢氧化磷酸化
一、概念
氧化磷酸化:是与电子传递过程偶联的磷酸化过 程。即伴随电子从底物到O2的传递，ADP被磷 酸化生成ATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化 相偶联的作用称为氧化磷酸化。
这是需氧生物合成ATP的主要途径。
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
NADH
FMN 复合体 I
Fe-S
NADH 脱氢酶
CoQ
Cyt b Fe-S Cyt c1
复合物 III
细胞色素 C还原酶
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素C
氧化酶
O2
1) NADH-Q还原酶 (NADH脱氢酶、复合体Ⅰ)
NADH-Q还原酶是电子传递链中第一个质 子泵，它是一个大的蛋白质复合体。
2)琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ ）
琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，位于线粒体 内膜上，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。
琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时 其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子 传递给Fe-S聚簇。
最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-CoQ还原酶 的辅酶CoQ。
FMN(黄素蛋白辅基)
FMN
＋2H －2H
FMNH2
接受的氢原子 接受的氢原子
O
H
CNຫໍສະໝຸດ CH3C CC
C
NH
O
H
H
C
N
C
H3C C
C
C
NH
O
H
H
C
N
C
H3C C
C
C
NH
H3C C
C
C
C O H3C C
C
C
C O H3C C
C
C
CO
C
N
N
C
N
N
C
N
N
H
H
H
H
CH2
e + H+
CH2
e + H+
CH2
HC OH
细胞色素氧化酶催化氧接受4个电子的过程。
e-
e-
[Fe3+ Cu2+] 2H2 O
[Fe3+ Cu+]
eF+e24H+=+ O2+ Cu2+
e+2H+
Fe3+-O-
Cu2+
O
高铁中 间体
过氧中 间体
容易与氧 气结合
[Fe2+ Cu+]
O2
Fe2+-O Cu+
3、呼吸链的电子传递抑制剂
1）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。
第一节 电子传递和氧化呼吸链
1、概念
需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解 途径所形成的还原性辅酶，包括NADH和FADH2 通过电子传递途径被重新氧化。即还原型辅酶上的 氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定 顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并 生成水，这个电子传递体系称为电子传递链,由于消 耗氧，故也叫呼吸链。
位于线粒体内膜上，其辅基包括Cytb562 （bH/bK）、Cytb566 （bL/bT） 、Cytc1和铁硫 蛋白（ 2Fe-2S ）。两种Cytb在细胞色素还原 酶中以游离形式存在，而Cytc1则以共价键与蛋 白质连接。Cytbc1复合体的作用是将电子从 QH2转移到Cytc
CoQ-CytC还原酶
三、氧化磷酸化作用的机理
1. 有关氧化磷酸化机理的几种假说 ➢化学偶联假说 ➢构象偶联假说 ➢化学渗透假说
（1）化学偶联假说（1953年,E. Slater）
（chemical coupling hypothesis）
认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的 化学反应形成高能共价中间物，它们随后裂解驱动氧 化磷酸化，即将其能量转移到ADP中形成ATP。
生物氧化－电子传递和氧化磷酸化
生物氧化：有机分子在机体氧化分解成二氧化
碳和水并释放出能量的过程。
特点：在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），
有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递 体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些 高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。 在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放 而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效 的利用。