21章 氧化磷酸化和光合磷酸化

子泵出线粒体基质进入膜间隙。
电子的流动方向： NADH FMN 铁硫蛋白 铁硫中心（N-2蛋白） 辅酶Q
FMN将基质中NADH上的氢负离子(:H-)和一个 质子转移给辅酶Q的过程
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
Q QH2
还原型的QH2从线粒体内膜中从复合体Ⅰ扩散到复 合体Ⅲ，将电子交给复合体Ⅲ后，本身又被氧化。
(二) 生物体中 某些重要的氧 化-还原电势
(三 ) 电势和自由能的关系
ΔG°' = −nFΔE °'
(四) 标准电动势和平衡常数的关系
ΔE0 = (RT / nF)lnk
[OX ] RT ln ΔE = ΔE ° + nF [ RED]
即：
RT [电子受体] ΔE = ΔE ° + ln nF [电子供体]
作用：将FMN或FAD中的电子传递给泛醌
机制： 铁硫蛋白在呼吸链中不传递氢，作为单电子传递体
铁硫蛋白
• 铁硫蛋白(简写为Fe-S) 是一种与电子传递有 关的蛋白质，它与 NADH−Q还原酶的其 它蛋白质组分结合成 复合物形式存在。
铁硫蛋白
• 它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。铁硫蛋白通 过Fe3+ ↔ Fe2+ 变化起传递电子的作用。
4H+ 参与形成水（既是电子传递体又是质子体）
•
cyt a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，
还含有铜原子。cyt aa3可以直接以O2为电子受体。 • 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生
Cu+ ↔ Cu2+ 的互变，将cytc所携带的电子传递给O2。
电子在复合体Ⅳ上的传递
1对电子流 过复合体Ⅳ， 2个质子泵出 线粒体基质进 入膜间隙。
线粒体呼吸链复合体 四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
多肽链数
39 42(14)* 4 5
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
11 泛醌-细胞色素C还原酶 10
细胞色素c氧化酶
n=6-10
辅酶-Q的功能
• 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。
氧化还原反应时可产生 中间产物半醌型泛醌
传递机制：递电子体、递H体
复合体Ⅰ的功能
电子流过复合体Ⅰ，4个质
+ H+
复合体Ⅲ为具有两个相同单体的二聚体，每个单体含有一个 功能核心包括3个亚基: 2个细胞色素b (b562 or bH; b566 or bL), 1个细胞色素c1和一个铁硫蛋白(2Fe-2S)。复合体Ⅲ具有2个与 Q结合的位点：Q内(QN)和Q外(QP)位点。 复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
第21章 氧化磷酸化和光合磷酸化作用
基本要求：
1.熟悉氧化-还原电势的基本概念。 2.掌握呼吸链的结构和有关抑制剂。（重点、难点） 3.掌握氧化磷酸化作用的机制。（重点、难点） 4.掌握光合作用和光合磷酸化作用的机制 。（重点、难点）
一、氧化-还原电势
(一) 氧化-还原电势 生物氧化是通过加氧、脱氢或失电子而进行的，加 氧反应较少见，氧原子通常是通过加水再脱氢引入代 谢物的。代谢物中生成的羧基，可通过脱羧基作用生 成二氧化碳。脱氢或失电子反应是生物氧化的主要方 式，反应过程中伴随着氧化-还原电势的变化。 ε= E正极- E负极
4) 、 CoQ（也称泛醌ubiquinone）
• （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。 • 泛 醌 有 多 个 异 戊 二 烯 连 接 形 成 较 长 的 疏 水 侧 链 (人： CoQ10)。
O CH3O CH3O O CH3 (CH2CH C CH 2)nH CH 3
细胞色素主要是通过Fe3+ ↔ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。
不同色素的吸收光谱
细胞色素
卟啉铁
细胞色素(cytochromes)在生物氧化反 应中，其铁离子可为+2价亚铁离子， 也可为+3价高铁离子。通过这种转变 而传递电子。细胞色素为单电子传递 体。 呼吸链中含5种细胞色素（b、c、 c1、a和a3)，cyt b和cyt c1、cyt c在呼 吸链中为电子传递体; a和a3以复合物物存在，称细胞色 素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有 Cu ，可将电子传递给氧，亦称其为 末端氧化酶。
功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 作用机理：催化电子从UQH2 cyt c； 泵出4H+
（2个来自UQH2 , 2个来自基质）
6）．细胞色素类（cytochromes）
（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生 物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色 素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色 素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。 细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅 酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水， 这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。
呼吸链的组成和电子传递顺序
组成： 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
二、生物氧化的概念及其与物质代谢的关系 （一） 什么是生物氧化（Biological oxidation）
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂 肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能
氧化还原反应时变 化发生在五价氮和 三价氮之间。
作用：辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白
传递机制： 递电子体、递H体
2）、FMN
FMN结构中含有核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧 化还原反应时不稳定中间产物是半还原的FMN（FMN·）， 是一种活跃的自由基。
异咯嗪的第1、10位N上可加氢
异咯嗪结构
FMN的作用： 接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。 还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。
NADH−Q还原酶
NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2
传递机制：递电子体、递H体
3)、 铁硫蛋白类
铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。 组成成分：含等量的铁原子和硫原子（ Fe2 S2，Fe4S4）， 铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。 其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) ，泵出 4 H+(既是电子传递体又是质子移位体）。
1）、NAD+的结构
吡咯环
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+和NADH相互转变 • NAD+可接受多种代谢产物脱下来的氢。NADH所 携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。
13(3-4) 13
* 括号表示细菌的亚基数目 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
Cytc
eeⅠ NADH+H+ NAD+ Ⅱ
胞液侧
e-
Q eⅢ
eⅣ H2O 1/2O2+2H+
Hale Waihona Puke Baidu线粒体内膜
延胡索酸 琥珀酸
基质侧
复合体之间没有前后关系，但作用相同，将电子传 递到Q，只是来源不同。
由13个亚基组成。 含有色素a、a3和 两个铜离子CuA、 CuB，血红素a与 CuA结合, CuB 与 a3形成双核中心.
（一）、线粒体的结构
外膜：含孔蛋白(porin)，通透 性较高。 内膜：高度不通透性，向内折 叠形成嵴（cristae）。含有与 能量转换相关的蛋白。 膜间隙：含许多可溶性酶、底 物及辅助因子。 基质：含三羧酸循环酶系、线 粒体基因 表达酶系等以及线粒 体DNA, RNA，核糖体。
（二）、呼吸链的概念
位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由13个多肽亚 基组成。活性部分主要包括cyt a和a3和2个Cu离子。 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuA→CuB → O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 作用机理：催化1对电子从Cytc 分子O2 形成H2O，4H+泵出，
辅酶Q
NADH脱氢酶（NADH-Q还原酶）
NADH+H+ FMN Fe2+－S Fe3+－S CoQ CoQH2
NAD+
FMNH2
琥珀酸脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶）
succinate
FAD
Fe2+－S Fe3+－S
CoQ CoQH2
Fumarate
FADH2
3. 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶
电子在复合体Ⅲ上的传递
QH2上的2个电子分两路传递：一个电子通过细胞色素c1，另一个电子 通过细胞色素b，还原2个细胞色素c，Q本身被氧化(需基质中2个H+)。
细胞色素c为单一多肽链，唯一溶于水的细胞色 素，也是唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素。
作用：接受复合体Ⅲ传来的电子传递给 复合体Ⅳ
4. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
FAD结构中含有核黄素 作 用：进行可逆的脱氢加氢反应。
传递机制：异咯嗪的第1、10位N上可加氢 主要形式：琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱 下的H传入呼吸链。
电子在复合体Ⅱ上的传递
电子流过复合体Ⅱ，无质子泵出线粒体基质进入膜间隙。 电子的流动方向： 琥珀酸 FAD 铁硫蛋白
细胞色素b560
MH2→NAD(NADP)→FMN(FAD)→Fe-S→CoQ→Cyt→O2 Succinate
FAD
Fumarate •电子传递有严格顺序，只能从氧化还原势较低的载体 传递到氧化还原势较高的载体。
ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL
（三）、电子传递链各个成员——电子载体及其功能
（二） 生物氧化与体外氧化的异同 1、 生物氧化与体外氧化之相同点
• 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电 子，遵循氧化还原反应的一般规律。 • 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2，H2O）和释放能量均相同。
2、 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 是在细胞内温和的环境中（体 温，pH接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于有利于机体捕获能 量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生H2O，有机酸脱羧产生CO2。 体外氧化 能量是突然释放的。
2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶
琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物， 它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子 传递给Q。
复合体Ⅱ 琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
作用机理： 催化2个电子 FAD Fe-S 辅酶Q
产生的CO2 、H2O由物 质中的碳和氢直接与氧 结合生成。
3、生物氧化与物质代谢的关系
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TAC
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
ATP H2O
三、电子传递链(electron transfer chain) 呼吸链（Respiratory chain）
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶
简写为NADH−Q还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH 的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一 种还原酶。 NADH−Q还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活 性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。
复合体Ⅰ NADH→ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN -2 →CoQ
→CoQ
(无H+泵出) （是电子传递体而非质子泵）
• 琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合 物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多 肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cytb560和铁 硫蛋白。 • 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q 的还原。
5）、FAD