《生物化学》生物氧化-电子传递和氧化磷酸化

自由能变化（单位：KJ/ mol）
（ -0.4 氧 还 -0.2
电 位
0
） 0.2
0.4
NADH
69.5 复合物 I
Q Cyt b
40.5
复合物 III
Cyt c Cyt a
0.6
复合物 IV 102.3
O2
0.8
ADP+Pi ATP 合成1mol ATP需30.5KJ
所以，3个 ATP共截获的能量为： 3×30.5 K＝J 43% 69.5+40.5+102.5 KJ
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。
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）。
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。
（2）构象偶联假说（1964,P.Boyer）
（conformational coupling hypothesis）
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋 白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这 种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。
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
电子在从FADH2转移到CoQ上的标准氧化还 原电势变化不能产生足够的自由能来合成ATP， 因此此步骤没有ATP生成。
延胡索酸
2e＋2H＋
琥珀酸
FADH2
2Fe3+ 2(Fe-S)
FAD
2Fe2+ Ⅱ
CoQH2 CoQ
3）细胞色素还原酶
（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ、辅酶Q-细胞色素C还原酶 ）
2、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）
❖电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递 给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其 中释放大量自由能的部位有3处，这3个部位就是 ATP合成的部位，称为偶联部位。
❖即复合物Ⅰ(将NADH上的电子传递给CoQ的 过程)、Ⅲ（将电子由CoQ 传递给细胞色素c的 过程）、Ⅳ（将电子从细胞色素c传递给氧的过 程） ，ATP的合成是由线粒体内膜上的ATP合酶 （复合体Ⅴ，H+-ATP酶）催化的。
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 )。
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。
紫M 紫MH2
NAD+ 2e＋2H＋
FMN
2Fe3+ 2(Fe-S)
NADH＋H＋
FMNH2 Ⅰ 2Fe2+
CoQ CoQH2
NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环
两个过程： 1Co.通mpl过ex FMN将基质NADH上的:H-和一个质子传给CoQ，放能。 2.从基质将4个质子转运到内外膜间隙，需能。
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、Βιβλιοθήκη Baidu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。
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。
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。
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
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
C
N
C
H3C C
C
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
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。
Cyta Cyta3 Cytb Cytc Cytc1
血红素A 铁-原卟啉IX（也叫b型血红素） c型血红素
Cyt主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变 起传递电子的作用。一个细胞色素每次传 递一个电子。
细胞色素的辅基—铁卟啉：
＋e
Fe3+
Fe2+
－e
Cyta的辅基
Cytb的辅基
还原型Cytc的吸收光谱
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。
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
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。
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。
合成酶
血红素
线粒体基质
4)细胞色素氧化酶
（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶 ）
是嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白。其辅基包括两个血红 素 cyta、a3 组成及2个铜原子（CuA，CuB），构成4 个氧化-还原活性中心。
Cyta与CuA相配合，Cyta3与CuB相配合，当电子传 递时，细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时Cu2+ Cu+间 循环，将电子从Cytc直接传递给O2。 O2是最终的电 子受体。细胞色素氧化酶也叫末端氧化酶。
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。
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。
➢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
❖电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核 细胞存在于线粒体内膜上。
2、呼吸链的组成
由一系列氢传递体和电子传递体组成，按电子 亲和力顺序排列。
主要是蛋白复合体，大致分为四个部分：
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-Q 还原酶 琥珀酸-Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶
复合体III以Q循环方式传递电子，它使QH2上的电子分两路传 递一个通过CytC1，另一个通过Cytb分别还原两个CytC,Q本身 则被氧化。
QH2+ 2CytC1（氧化型）+2H内+→Q+ 2CytC1（还原型）+ 4H外+
细胞色素（cytochrome，Cyt）
细胞色素：以铁卟啉（血红素）为辅基的电子 传递蛋白质的总称,几乎存在于所有的生物体 内。高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种: