第五章电子传递和氧化磷酸化
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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.
生物工程学院021班 向生光
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。
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。
生物化学：第五章 第三节 氧化磷酸化
化学渗透学说
一. 氧化磷酸化的机理
➢ 当存在足够高的跨膜质子化学梯度时，强大的质子
流通过F1-F0-ATPase进入基质时，释放的自由能 推动ATP合成。
F1-F0-ATPase复合物
F1： 球 形 头 部 ， 伸 入 线粒体基质，由五种亚 基 组 成 a3b3γδε, 是 ATP 合酶的催化部分；
测定结果表明：
二. 氧化磷酸化的P/O比
NADH经呼吸链完全氧化时，P/O为 2.5，即1分子 的 NADH 通 过 呼 吸 链 将 电 子 最 终 传 递 给 O2 可 产 生 2.5 个ATP；
二. 氧化磷酸化的P/O比
FADH2经呼吸链完全氧化时，P/O为 1.5，即 1分子的FADH2通过呼吸链将电子最终传递给 O2可产生 1.5 个ATP。
体和传电子体交替排列，催化是定向的；
化学渗透学说
一. 氧化磷酸化的机理
➢ 复合物I、III、IV的传氢体将H+从基质泵向内膜外 侧，而将电子传向其后的电子传递体；
化学渗透学说
➢ 内膜对质子不 具有通透性， 这样在内膜两 侧形成质子浓 度梯度，这就 是 推 动 ATP 合 成的原动力；
一. 体穿梭系统
谷草转氨酶，苹果酸脱氢酶，以及一系列的 透性酶。
通过苹果酸与草酰乙酸之间的转换，间接地 将 细 胞 质 中 的 NADH 转 变 为 线 粒 体 内 的 NADH，从而进入NADH呼吸链。
这种方式要通过复合物Ⅰ，P/O为2.5。
最常见的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚(DNP)。
3.离子载体抑制剂
四、氧化磷酸化的抑制剂
增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透 性，从而破坏了膜两侧的电位梯度。
五、线粒体穿梭系统
生物氧化-电子传递
动物机体能量的产生与转移与利用
营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水， 营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在 此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放， 此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放， 另一部分被“截获”并储存到ATP分子中（使 分子中（ 另一部分被“截获”并储存到 分子中 ADP+Pi ATP, 即磷酸化），可以作为有用功 即磷酸化）， ），可以作为有用功 在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、 ）、神经传 在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传 电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（ ）、生物合成 ）、分泌吸收 导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗 透能）中利用。 透能）中利用。 因此， 因此，ATP（三磷酸腺苷）被称为机体中通用 （三磷酸腺苷） 的能量货币。 的能量货币。
高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向， 高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向， 形成较低能量的磷酸脂。ATP是磷酰基的传递体 是磷酰基的传递体。 形成较低能量的磷酸脂。ATP是磷酰基的传递体。
线粒体——细胞的动力站 细胞的动力站 线粒体
生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行， 生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着 许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链 呼吸链。 许多的酶和电子传递体，构成两条呼吸链。内膜上结合的 颗粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有ATP合酶的 颗粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有 合酶的 活性， 活性，称FoF1ATPase 。
1、 烟酰胺脱氢酶类
NAD+
辅酶
NADP+
作用： 作用：递氢体
递氢机制
呼吸链
2H + NAD+
NADH + H+
电子传递与氧化磷酸化
电子传递与氧化磷酸化在疾病中的作用研究
心血管疾病
研究表明，电子传递与氧化磷酸化在心血管 疾病中发挥重要作用。例如，某些遗传性疾 病如Leber遗传性视神经病和肌萎缩侧索硬 化症（ALS）与电子传递链的缺陷有关。
神经系统疾病
许多神经系统疾病如帕金森病、阿尔茨海默 病和亨廷顿氏病等也与电子传递与氧化磷酸 化的异常有关。这些疾病通常伴随着线粒体 功能障碍和氧化应激的增加。
02
在这个过程中，电子从还原剂（如NADH或FADH2）传递 到氧分子，同时伴随ATP的合成。
03
氧化磷酸化主要发生在线粒体内膜上，是细胞呼吸链的主要 组成部分。
氧化磷酸化的过程
电子从NADH或FADH2开始， 经过一系列传递体（如复合体 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ）传递到氧分子。
在这个过程中，质子被泵出线 粒体基质，形成质子梯度。
土壤修复
利用电子传递与氧化磷酸化原理，促进土壤中有机污染 物的降解和转化，实现土壤的生态修复。
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药物靶点
电子传递与氧化磷酸化过程中涉及的酶和蛋白质可以 作为药物设计的潜在靶点，用于开发新的药物。
药物筛选
利用电子传递与氧化磷酸化的机制，建立药物筛选模 型，快速筛选出具有潜在疗效的药物分子。
在环境保护领域的应用前景
废水处理
通过模拟电子传递与氧化磷酸化过程，开发高效、环保 的废水处理技术，降低废水中有害物质的含量。
03
氧化磷酸化过程中释放的能量可以用于合成高能化合物，如ATP、 GTP等，这些化合物在细胞内发挥着重要的生物学功能。
04
氧化磷酸化还参与细胞内氧化还原状态的调节，对于维持细胞内环境 的稳定具有重要意义。
电子传递与氧化磷酸化
(7)细胞色素C氧化酶(复合物Ⅳ）
由 cyt.a和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉 外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。cyta与CuA相 配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，在细胞 色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环， 将电子直接传递给O2,也叫末端氧化酶。
△G0’= －nF△E0’ = －nF （E0’受体 － E0’ 供体）
其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。
呼吸链中电子流动方向与ATP的生成
NADH
FADH2
2e-
三.电子传递抑制剂(P184)
凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为 呼吸链电子传递抑制剂.
返回
各种抑制剂的作用位点
铁硫聚簇借Fe2+和 Fe3+的互变传递电子，每次传递
一个电子.(Fe3+ +e- Fe2+ )
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
(4)辅酶Q(泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶)
辅酶Q（泛醌, CoQ, Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋 白质组分，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型 （氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和 FADH2上的H和电子都必须经过辅酶Q最终传递到氧分子，因 此，它是电子传递链的中心和电子集中点。
NADH + H+ + FMN
电子传递和氧化磷酸化
解耦联剂存在和不存在条件下线粒体的呼吸 （a）过量的Pi和底物存在下，当加入ADP后，氧快速消耗， （b）加入解耦联剂2,4-二硝基苯酚后，底物的氧化过程没有发生ADP磷酸化
在没有ADP的条件下，称为解耦联剂的化合物可以刺激 底物的氧化，直至所有的可利用的氧被还原为止，但底物的 氧化过程没有发生ADP磷酸化。简言之，这些化合物的氧化 没有与磷酸化过程耦联。
12.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学 能的成分
通过呼吸复合物转移到膜间隙的质子经过ATP合成酶返回基 质时，形成一个质子环流。质子浓度梯度的能量称为质子动力 势，类似于电化学中的电动势。
在一分子氧被一个还原剂 XH2 还原的电化学反应池中：
XH2＋1/2O2 X＋H2O
电子从阴极流出，阴极处的 XH2 被氧化：
12.1 真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中 12.2 化学渗透假说解释了电子传递是如何与ADP的
磷酸化耦联的 12.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学
能的成分 12.4 电子传递和氧化磷酸化取决于蛋白质复合物 12.5 穿梭机制使得胞液中的NADH可被有氧氧化
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：
1. 一个完整的线粒体内膜对于耦联是绝对需要的。膜对带电 的溶剂应当是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，特殊的 转运体使得离子代谢物跨过膜。
2. 通过电子传递链的电子传递产生一个质子浓度梯度，线粒 体内膜外侧（膜间隙）的H＋浓度很高。
3. 一个结合于膜上的酶-ATP合成酶在跨膜的质子转移电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：
1/2O2＋2H＋＋2e- H2O
电子传递和氧化磷酸化
一个典型的哺乳动物线粒体的直径是0.2m到0.8m，长度 为0.5m到1.5m，大小类似于大肠杆菌细胞。
线粒体外膜 线粒体外膜
膜间隙
线粒体基质
嵴
20.2 化学渗透学说解释了电子传递是如何 与ADP磷酸化耦联的
一个质子浓度梯度作为能量库用于驱动 ATP的形成的概念被称之化学渗透理论， 是由Peter Mitchell于1961年提出来的，获 得了1978年诺贝尔化学奖。
2 复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌
复合物I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶） 催化NADH的两个电子转移给泛醌。
鱼藤酮（一种植物毒素）和安密妥加入到线粒体悬浮液将 阻断复合物 I 中的电子传递。
复合物I中电子转移和质子流
3 复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌
XH2
X＋2H＋＋2e-
电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：
1/2O2＋2H＋＋2e- H2O
由于两个反应池存在电势差，电子能够通过外部的导线流动。
电子流的方向和氧化剂还原的程度是由XH2和O2之间的自由能 的差确定的，而这一差别又取决于它们各自的还原电位。
化学电池
线粒体中
（a）在化学电池中，电子通过连接两个原电池的导线从XH2流向氧化剂O2。 （b）在线粒体中，质子被跨膜转运到膜间隙，造成跨膜的质子浓度梯度，
1. 一个完整的线粒体内膜对于耦联是绝对需要的。膜对带电 的溶剂应当是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，特殊的 转运体使得离子代谢物跨过膜。
2. 通过电子传递链的电子传递产生一个质子浓度梯度，线粒 体内膜外侧（膜间隙）的H＋浓度很高。
3. 一个结合于膜上的酶-ATP合成酶在跨膜的质子转移驱动反 应中催化ADP磷酸化。
生物氧化与氧化磷酸化—电子传递链
（五）Cytc
接受复合体Ⅲ传递来电子，并传递给复合体Ⅳ 辅基：血红素C 位于膜间隙 可以移动的水溶性电子
20
(六）复合体Ⅳ （Cytc氧化酶 ）
将电子从Cyt c传递给分子氧，催化分子氧还原为 H2O, 泵出2个H＋ /2e－ 。
辅基：Cu-Cu中心（CuA ） 血红素a，血红素a3 Fe－Cu中心（ CuB ）
多个异戊二烯
半醌型泛醌
泛醌
15
16
17
(四）复合体Ⅲ（CoQ-CytC 还原酶）
1. 接受CoQ传递来的电子，并泵出4个H+ /2e－
2. 还原酶的辅基： 血红素b L
血红素bH
Fe－S
血红素c1
18
4.复合体Ⅲ的电子传递途径：
QH2
Cytb，Fe-S，Cytc1
复合体Ⅲ的电子传递
Cytc
19
8
(二）复合体Ⅱ（琥珀酸-辅酶Q还原酶）
1.另一条呼吸链的入口 2.将电子和氢从琥珀酸传递给CoQ 3.辅基： FAD
Fe-S簇
heme b
4.电子传递途径： 琥珀酸 FAD，Fe-S簇 CoQ
复合体Ⅱ的H2
FADH2 Fe3+S Fe2+S
FAD
21
22
复合体Ⅳ的传递途径: Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 C uB O2
23
电 子 传 递 链
24
25
第二节 呼吸链（respiratory chain)
26
一、概念： 呼吸链（respiratory chain）：代谢物脱下的氢原子通
过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与 氧结合生成水的传递链，也叫电子传递链 （ electron transfer chain ）。 递氢体：传递氢的酶或辅酶 电子传递体：传递电子的酶或辅基/辅酶
简述氧化磷酸化和电子传递的偶联机制
简述氧化磷酸化和电子传递的偶联机制
氧化磷酸化和电子传递是生物体中重要的代谢过程，它们之间存在着偶联机制。
氧化磷酸化是一种重要的代谢过程，它可以将低能量的磷酸化物转化为高能量的磷酸化物，从而提供细胞活动所需的能量。
氧化磷酸化的偶联机制是通过一系列的反应来实现的，首先，一种叫做ATP酶的酶将ATP分解为ADP和磷酸，然后，一种叫做磷酸酶的酶将磷酸与另一种叫做磷酸酰转移酶的酶结合，最后，一种叫做磷酸酰转移酶的酶将磷酸酰转移到另一种叫做磷酸酰转移酶的酶上，从而实现氧化磷酸化反应。
电子传递是一种重要的代谢过程，它可以将低能量的电子转移到高能量的电子，从而提供细胞活动所需的能量。
电子传递的偶联机制是通过一系列的反应来实现的，首先，一种叫做NADH的酶将NADH分解为NAD+和电子，然后，一种叫做电子转移酶的酶将电子转移到另一种叫做电子转移酶的酶上，最后，一种叫做电子转移酶的酶将电子转移到另一种叫做NADH的酶上，从而实现电子传递反应。
总之，氧化磷酸化和电子传递是生物体中重要的代谢过程，它们
之间存在着偶联机制，即通过一系列的反应来实现氧化磷酸化和电子传递反应。
这些反应可以提供细胞活动所需的能量，从而保证细胞的正常运作。
【生物化学】第五章-生物氧化-第二节-电子传递链
（还原型）
② 铁硫蛋白（Fe-S） （非血红素蛋白）
与电子传递有关
与其他递氢体或电 子传递体结合成复 合物存在
②铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)
又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯 基连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子， 为单电子传递体。
Cyt-Fe2+
2e－21 O2
b
c1
c
a
a3
Fe -S
CoQH2 2e- Cyt-Fe3+
Cyt-Fe2+ 2e- Cyt-Fe3+ Cyt-Fe2+ 2e- Cyt-Fe3+ O2- H2O
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）
－
2.电子传递链的成员组成
细胞色素a、b、c的区别
Cytb
辅基
原卟啉Ⅸ (血红素)
颜色 α带波长 与酶蛋白连接 红色 560nm 非共价结合
Cytc
原卟啉Ⅸ (血红素)
红色
550nm
与多肽链中 Cys 的 –SH相连
Cyta 血红素A 绿色 600nm 非共价结合
Cytochrome bc1 complex (complex III)
Reduced
The end of Chap1 !
电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。
复合体Ⅱ
琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
琥珀酸
FAD
2Fe2+-S Q
② 铁硫蛋白（Fe-S） （非血红素蛋白）
与电子传递有关
与其他递氢体或电 子传递体结合成复 合物存在
②铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)
又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯 基连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子， 为单电子传递体。
Cyt-Fe2+
2e－21 O2
b
c1
c
a
a3
Fe -S
CoQH2 2e- Cyt-Fe3+
Cyt-Fe2+ 2e- Cyt-Fe3+ Cyt-Fe2+ 2e- Cyt-Fe3+ O2- H2O
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）
－
2.电子传递链的成员组成
细胞色素a、b、c的区别
Cytb
辅基
原卟啉Ⅸ (血红素)
颜色 α带波长 与酶蛋白连接 红色 560nm 非共价结合
Cytc
原卟啉Ⅸ (血红素)
红色
550nm
与多肽链中 Cys 的 –SH相连
Cyta 血红素A 绿色 600nm 非共价结合
Cytochrome bc1 complex (complex III)
Reduced
The end of Chap1 !
电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。
复合体Ⅱ
琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ
琥珀酸
FAD
2Fe2+-S Q
2014 生物氧化—电子传递和氧化磷酸化
ε。= ΔE° = RT/nF·lnKeq = 2.30 RT/nF·lgKeq
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。
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。
电子传递链与氧化磷酸化
铁-硫蛋白的Fe-S中心
仅指无机S
自学 2Fe-2S型
4Fe-4S型
参与单电子转移： Fe-S簇中只有1个 Fe被氧化或还原
蓝细菌Anabaena 7120的铁氧还蛋白 为2Fe-2S型
7
19-2
自学
泛醌 (Q/CoQ)
- 完全还原需要2H，经由 半醌基中间物形式以两步 反应完成 - 质体醌(叶绿体)和甲基萘 醌(细菌)也具有类似的在 膜结合e–传递链中携带e– 的功能 - 为脂溶性小分子，能在 线粒体内膜的脂双层中 自由扩散，从而在内膜 上其他移动性较低的e– 载体间传递还原当量 既能携带e–也能携带H+，
E’o = 0.045V
E’o = -0.32V (E’o = 0.031V) E’o = 0.816V ⊿E’o = 1.14V ∆G’o≈-220 kJ/mol 16 (cf. p335)
总矢量反应式(NADH型)
NADH + 11HN+ + ½O2 NAD+ + 10HP+ + H2O
1916
- 只添加ADP和Pi时， 呼吸(O2耗)和ATP 合成都很小
- 添加e–供体如琥珀酸 则立即显著增加
- 加入氰化物后又随即 被抑制
干扰ATP合酶使其合成受阻 H+不能返回基质 H+梯度加 大导致H+泵停转 e–流停止
30
G21.3 1
解偶联剂 (uncoupler)
使e–传递和ATP 合成相互分离
Dinitrophenol
2,4-二硝基苯酚 (DNP)
- 疏水性小分子(弱酸)
- 具有可解离H+ - 不影响e–传递和H+泵
第五章生物氧化与氧化磷酸化
NH2
N
N
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
ATP水解时释放大量的自由能，原因主要有三方面：
b、ATP水解产物具有更大的共振稳定性，其水解产物 ADP3-和Pi的某些电子的能量水平远远小于ATP4-。 c、H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行。
② 生成核苷三磷酸（NTP）
生物体内其他三种核苷三磷酸的合成与补充都依赖于ATP。在相 应激酶作用下，生成的CTP主要用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质 的合成，UTP用于多糖的合成。
③ ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能
化合物
磷酸基团转移势能G （千卡/摩尔）
化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作 用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化 分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃 的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活 动。
一、生物氧化的概念
1 、概念
有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞 内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的 过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧， 所以又称为呼吸作用。
生物氧化
细胞内温和条件 （常温、常压、中性pH、水溶液）
一系列酶促反应 逐步氧化放能，能量利用率高
体外燃烧
高温或高压、干燥条件
无机催化剂 能量骤然释放
释放的能量转化成ATP被利用
转换为光和热，散失
三、生化反应中自由能的变化
1、自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在 恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。
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述
第
三.生物氧化的特点
一 都是加氧、去氢、失去电子，都生成CO2和H2O 节，
（1）生物氧化是在细胞内进行的，，条件较温和
生 而体外反应条件剧烈
物 氧
（2）能量逐步释放出来，不会因骤然释放而损害 机体，同时能量得到有效的利用；而体外能量突 然爆发式释放出来
化 （3）生物氧化所释放出的能量中，大部分转换为 概 ATP分子中活跃的化学能，
应物产物的氧化还原电位计算。
生 氧还对：生物氧化包括一系列的氧化还原反应， 参与氧化还原反应的每一种物质都有氧化态和还
物 原态，称为氧还对。 氧 生化标准氧化还原电位：是指在pH7，25℃，氧 化 化态与还原态物质浓度（近似活度）为1mol/L
等标准条件下，与标准氢电极组成原电池测定得
概 到的氧化还原电位，符号为E0′。在生物体中，发 述 生氧化还原反应的每一氧还对，其电子转移势能
CO2和H2O，并释放出大量生命所需要的能量。
代 谢 的 三 个 阶 段
第
二.生物氧化的方式
1.脱氢氧化反应
一 （1）脱氢 节 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许
生 多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应 的是各种类型的脱氢酶。
物
COOH
COOH
氧 化
CH2 CH2 COOH
CH
+
CH
节 ATP的生成方式
生 （1）底物水平磷酸化：前一章EMP和TCA循环。
物 （2）光合磷酸化：光驱动电子在光合链中传递
氧
释放出能量，使ADP磷酸化生成ATP
化 （3）氧化磷酸化 ：该章重点内容
概
述
第
五.高能化合物
一 1．ATP分子结构特点
节 ATP是由腺嘌呤、核糖及三磷酸单位组成的核苷 酸
，参加反应的物质浓度为1mol/L，若其中有气
生 体，则为1个大气压，有氢离子参加时，其浓度 也是1mol/L，即pH为0等标准条件下测定的自 由能变化，用符号△G0表示。
物 生化的标准自由能变化：生物化学上将pH为7 氧 （即H+浓度为10-7mol/L），其他条件同上，
化 概
在这种生化标准条件下测定的自由能变化称为生 化标准自由能变化，用符号△G0′表示。
链
一.电子传递链涵义
第 电子传递链
二 代谢物（如糖、蛋白质、脂肪等）上的氢
节 原子被脱氢酶激活脱落后，经过位于质膜
或线粒体内膜的一系列传递体，最后传递
电 给被激活的氧分子而生成水的全部体系称
子 传
为电子传递链（electron transport chain， ETS）或电子传递体系，也称呼吸链（也 称呼吸链）。
物 释放出大量自由能，这类高能化合物称为高能磷 氧 酸化合物。
化
概
述
第
五.高能化合物
一 （二）高能化合物类型
节 1．磷氧键型（O～P）
生 2．氮磷键型（N～P） 物 3．硫酯键型（C～S）
4．甲硫键型（C～S）
氧
化
概
述
第
五.高能化合物
一 （三）最重要的高能化合物——ATP
质子跨线粒体内膜运输。
(三)复合体Ⅲ：CoQ-细胞色素c还原酶或细 胞色素bc1复合体
组成：细胞色素b、c1和Fe-S蛋白
UQ-Cytc还原酶结 构
（电子传递链中第二个质子泵）
细胞色素：
细胞色素在呼吸链中作为单电子传递体。
(四) 复合体Ⅳ：细胞色素c氧化酶
组成：Cytc、Cyta、 Cytaa3
第五章电子传递和氧化磷酸化
生物代谢
第
一
生物代谢：生物体与外界环境不断进行的物质和 能量交换过程。
节
生 合成代谢：将简单的小分子物质转变成复杂的 大分子物质、储存能量
物
氧 分解代谢：将复杂的大分子物质转变成小分子
化
物质、释放能量。
概 即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生
述
成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成
作用：从Cytc接受电子 指导四个电子还 原氧形成水。
4Cytc(Fe2+)+4H++O2 4Cytc(Fe3+)+2H2O
1分子氧还原为2分子水， 需4个e，4个H+。
电子传递链中第三个质子泵
(四) 复合体Ⅳ：细胞色素c氧化酶
Cytaa３ 是 由 Cyta 和 Cyta３ 组成的复合物，该复合物 称细胞色素氧化酶，由于 它是有氧条件下呼吸链中 最后一个电子传递体，处 于呼吸链的最末端，故又 称末端氧化酶。Cyta接受 来自于还原型Cytc的电子， 经Cu2＋ Cu＋，将电子传 递给Cyta3，最后Cyta３将 接受的电子传递给分子氧， 使分子氧还原成水。
综上，即在典型线粒体呼吸 链中，细胞色素的排列顺 序依次为： b→c1→c→aa3→O2
三.电子传递链的电子传递顺序
第 呼吸链的各种组分（H或电子传递体）在线粒体内 二 膜上按一定的顺序和方向排列才能发挥它们传递H 节 或e的功能，这些顺序和方向是根据各种电子传递
体标准氧化还原电位（E0′）的数值测定的，亦即
常用生化标准氧化还原电位（E0′）表示。
第 四.生化反应的自由能变化
一 节
E0′值越小即电负性越大，供出电子倾向越 大，即还原能力越强；E0′值越大即电正性
生
越大，接受电子倾向越大，即氧化能力越 强。
物 在氧化还原反应中，电子总是从E0′值较小
氧 化
（较负）的物质转移到E0′值较大（较正） 的物质，即从还原剂（电子供体）流向氧 化剂（电子受体），后者的E0′减去前者的
述
第 四.生化反应的自由能变化
一 节
△G0′单位：过去习惯用cal/mol或 kcal/mol，生化国际委员会建议用J/mol 或KJ/mol
生 不同生化反应在生化标准条件下所释放的 物 自由能是不同的
氧
化
概
述
第 四.生化反应的自由能变化 一 （三）自由能变化与氧化还原电位差的关系 节 自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反
电
子
传
递
链
生物氧化体系
（由脱氢酶、传递体、氧化酶组成）
一.电子传递链涵义
第 氢与氧的激活及水的形成：
二 生物氧化中代谢物所含的H，必须通过相
节 应的脱H酶将之激活后，才能脱落；进入
体内也必须经过氧化酶激活后，才能接受
电 脱落的H
子 激活的氧不能直接氧化由脱H酶激活而脱
传 递
落的氢，两者之间尚需传递，才能结合生 成水。
生
物
氧
化
概
述
第
五.高能化合物
ATP虽是高能化合物，但它的△G0′（生化标准自
一 由能变化）值介于其他高能化合物和普通磷酸酸 节 化合物之间，所以它在细胞的酶促反应的能量转
生 换和磷酸基团转移过程中起着中间载体（桥梁） 的作用
物 ATP不是化学能量的贮存库 氧
化
概
述
一.电子传递链涵义
第 生物氧化作用主要是通过脱H反应来实现的，脱 二 H是氧化的一种方式。 节
递
链
二.电子传递链的组成及其功能
第 二 代谢物上的氢原子被脱H酶激活脱落后，经过一 节 系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子而生
电 成水的全部体系称为电子传递链（呼吸链）或电 子传递体系。
子 呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成， 传 传递H称为电子传递体（电子载体）。 递 链
二.电子传递链的组成及其功能
NADH+［FMN］+H+ ［ FMNH2]+NAD+
第二步：传递电子从还原型 FMNH2到一系列Fe-S蛋白，包 括2Fe-2S和4Fe-4S簇
第三步：传递两个电子从铁-硫簇 到辅酶Q
NADH：是两个电子供体
Fe-S蛋白：是一个电子传 递体。
FMN：有三个氧还状 态——氧化态、半醌态和 还原态，它既可作一电子 递体又可为两电子递体， 在NADH和Fe-S蛋白之 间作为重要联系。
化
概
述
第 四.生化反应的自义，反应的自由能变化
生 （△G）随温度和物质浓度（活度）而改变， 物 为了比较不同反应的自由能变化，必须采 氧 用标准自由能变化，用符号△G0表示。 化 概 述
第 四.生化反应的自由能变化
一 节 物理化学的标准自由能变化：指25℃（298K）
CoQ：是一种移动的电子 载体，它可穿梭电子从复 合体Ⅰ和Ⅱ到复合体Ⅲ
一个NADH氧化和由NADHUQ还原酶作用使一个UQ还原， 结果净运输出质子从线粒体内 膜基质一侧到胞浆液一侧。胞 浆一侧，H+累积叫P面，基质 一侧叫N面。通过这个复合体 电子流释放出某些能量被用于 偶联驱使质子横跨膜（这是主 动运输例子）。实验证据显示 每两个电子从NADH到UQ就 有四个H+ 输出的化学计量。 这样NADH_UQ还原酶是整个 电子传递链中三个质子泵 (proton pump)中的第一个 质子泵。
COOH
2H+ + 2e-
琥珀酸脱氢
概 述
OH
CH3CHCOOH NAD+
O
CH3CCOOH
NADH
乳酸脱氢
第
二.生物氧化的方式
一 1.脱氢氧化反应
节 （2）加水脱氢
生 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类
物H
H
O
氧 H2O RCO
R C OH
ø
R C OH + 2H + + 2e-
化
OH