电子传递体系与氧化磷酸化共78页
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电子传递体系与氧化磷酸化
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
例题： 反应G-1-P ? G-6-P在380C达到平衡时， G-1-P 占
5% ，G-6-P 占95% ，求 G0?。如果反应未达到平
衡，设 [G-1-
P]=0.01mol.L ， [G-6-P]=0.001mol.L
，
求反应的 G?是多少？
解：达平衡时
=Keq=19
第六章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容和要求 ：重点讨论线 粒体电子传递体系的组成、电子传 递机理和氧化磷酸化机理。对非线 粒体氧化体系作一般介绍。
思考?
目录
第一节 生物氧化概述 第二节 线粒体电子传递体系 第三节 氧化磷酸化作用 第四节 非线粒体氧化体系 （自学）
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念和特点 二、生物能学简介 三、 高能化合物
O
O
O
腺嘌呤—核糖—
O
—
P
?+ —
O
—
?+ P—
O
—
P
?—+
O-
O-
O-
O-
Mg2+
ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+
? G ＝-30.5kJ?MOL-1 ? G ＝-33.1kJ?MOL-1
ATP的特殊作用
化学反应自由能的计算
a.利用化学反应平衡常数计算 基本公式：ΔG′=ΔG°′ + RTlnQc (Qc-浓度商) ΔG°′= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
课件：电子传递和氧化磷酸化
关键公式: Go' = -nF Eo'
传递的电子数目
= Eo'(电子受体) - Eo'(电子供体) 法拉第常数(96485
J/volt/mole)
如果 Eo' 为正，则电子传递反应可自发发生 (Go' <0)
FAD/FADH2的标准还原电势随特异蛋白不同而不同
Eo'
• 延胡索酸+2H++2e-→ 琥珀酸
H3C
N
N (flavin mononucleotide, FMN)
O
NH2
OH OH OH
O
O
N
N
CH2 CH CH CH CH2 O P O P O CH2 O N
N
H3C
N NO
OH OH
N flavin adenine dinucleotide (FAD)
H3C
N
OH OH
O
维生素前体是核黄素
NAD+
FMN
FeS
NAD+只进行2个电 子的反应; 细胞色素，FeS 只 能进行1个电子的反 应；
FMN Q FAD可传递 一个电子也可传递 两个电子
FAD
FeS
ubiquinone
Cyt b
ubiquinone
FeS
Cyt c1
Cyt c
Cyt a
Cyt a3
1/2 O2
电子传递链Electron Transport chain (呼吸链respiratory chain)
1，6-二磷酸果糖
丙酮酸
3-磷酸甘油醛
磷酸二羟丙酮
NADH +ATP
生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用82页PPT
生物氧化——电子传递和氧化磷酸化 作用
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
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。
电子传递和氧化磷酸化途径微课件.ppt
辅基中不含金属(含FAD)，把脂肪分解，最后形成H2O2，对O2的亲和 力极低，不受氰化物抑制。 此外还有CAT、POD等
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《植物与植物生理》第四单元
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谢 谢 / THANKS
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《植物与植物生理》第四单元
（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
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。
《植物与植物生理》第四单元
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《植物与植物生理》第四单元
（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。
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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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《植物与植物生理》第四单元
（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。
第4章--电子传递体系与氧化磷酸化
第3页/共76页
生物氧化的化学本质
——氧化还原反应
脱电子、氢，加氧 ——氧化反应 接受电子、氢，脱氧 ——还原反应 供电子体或供氢体
偶联进行
受电子体或受氢体
第4页/共76页
• 生物氧化与体外燃烧的比较
生物氧化
体外燃烧
反应条件
温和
剧烈
(体温、pH近中性) (高温、高压)
反应过程 逐步进行的酶促反应 一步完成
H+
ATP F0F1 ATP酶
化学渗透假说原理示意图
磷酸化
+++++++++
线粒体内膜
氧化
__________
NADH+H+
2e-
ADP+Pi
3H+ ATP
第52页/共76页
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称 为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原 子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电 子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5
M
氧化型代 谢底物
NAD+ NADH+H+
FMNH2
Fe
FMN
CoQ
S
CoQH2
2e 2Fe2+
细胞色素
b- c1- c -aa3
2Fe3+
2H+
1
2 O2 O2H2O
琥珀酸 延胡索酸
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2H+
生物氧化的化学本质
——氧化还原反应
脱电子、氢，加氧 ——氧化反应 接受电子、氢，脱氧 ——还原反应 供电子体或供氢体
偶联进行
受电子体或受氢体
第4页/共76页
• 生物氧化与体外燃烧的比较
生物氧化
体外燃烧
反应条件
温和
剧烈
(体温、pH近中性) (高温、高压)
反应过程 逐步进行的酶促反应 一步完成
H+
ATP F0F1 ATP酶
化学渗透假说原理示意图
磷酸化
+++++++++
线粒体内膜
氧化
__________
NADH+H+
2e-
ADP+Pi
3H+ ATP
第52页/共76页
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称 为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原 子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电 子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5
M
氧化型代 谢底物
NAD+ NADH+H+
FMNH2
Fe
FMN
CoQ
S
CoQH2
2e 2Fe2+
细胞色素
b- c1- c -aa3
2Fe3+
2H+
1
2 O2 O2H2O
琥珀酸 延胡索酸
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2H+
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。
8电子传递与氧化磷酸化
柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传 递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。
Electron Transport and Oxidative Phosphorylation
• Electron transport and oxidative phosphorylation re-oxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP.
• In eukaryotes, electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane.
HOOC
丙酮酸脱羧酶 C C COOH H2
草酰乙酸
O
H3C C COOH + CO2
丙酮酸
Oxidative Decarboxylation
-oxidative decarboxylation
O
H3C C COOH + CoASH + NAD+
丙酮酸氧化脱羧酶系
O
H3C C ~SCoA +NADH+H++CO2
Mitochondria
• outer membrane relatively permeable • inner membrane permeable only to those
things with specific transporters
– Impermeable to NADH and FADH2 – Permeable to pyruvate
Electron Transport and Oxidative Phosphorylation
• Electron transport and oxidative phosphorylation re-oxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP.
• In eukaryotes, electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane.
HOOC
丙酮酸脱羧酶 C C COOH H2
草酰乙酸
O
H3C C COOH + CO2
丙酮酸
Oxidative Decarboxylation
-oxidative decarboxylation
O
H3C C COOH + CoASH + NAD+
丙酮酸氧化脱羧酶系
O
H3C C ~SCoA +NADH+H++CO2
Mitochondria
• outer membrane relatively permeable • inner membrane permeable only to those
things with specific transporters
– Impermeable to NADH and FADH2 – Permeable to pyruvate
第六章电子传递体系与氧化磷酸化
细胞色素类 铁硫蛋白 （Fe-S）
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
NADH呼吸链
还原型代 谢底物
MH2
NAD+
FMNH2
CoQ
2Fe2+
细胞色素
1 2 O2
Fe
NADH+H+ FMN
S
CoQH2
b- c- c1 -aa3
2Fe3+
氧化型代 谢底物
M
O2-
2H+
H2 O
FADH2呼吸链
2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
外
NO2 NO2
内
NO2 NO2
氧化磷酸化抑制剂
三、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用
氧化磷酸化
酵解
（细胞质） （线粒体）
磷酸甘油穿梭系统 苹果酸—天冬氨酸穿梭系统
-磷酸甘油穿梭
NADH
（细胞液）
NAD+
3-磷酸甘油 3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮
磷酸二羟丙酮 线 粒 体 内 膜
FADH2
FAD
NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2
生物氧化过程中 释放出的自由能
ADP + Pi 类别： 底物水平磷酸化
ATP + H2O
电子传递水平磷酸化
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比
值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一 个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当 于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。
琥珀酸 FAD CoQH2 2Fe3+
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
NADH呼吸链
还原型代 谢底物
MH2
NAD+
FMNH2
CoQ
2Fe2+
细胞色素
1 2 O2
Fe
NADH+H+ FMN
S
CoQH2
b- c- c1 -aa3
2Fe3+
氧化型代 谢底物
M
O2-
2H+
H2 O
FADH2呼吸链
2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
外
NO2 NO2
内
NO2 NO2
氧化磷酸化抑制剂
三、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用
氧化磷酸化
酵解
（细胞质） （线粒体）
磷酸甘油穿梭系统 苹果酸—天冬氨酸穿梭系统
-磷酸甘油穿梭
NADH
（细胞液）
NAD+
3-磷酸甘油 3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮
磷酸二羟丙酮 线 粒 体 内 膜
FADH2
FAD
NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2
生物氧化过程中 释放出的自由能
ADP + Pi 类别： 底物水平磷酸化
ATP + H2O
电子传递水平磷酸化
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比
值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一 个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当 于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。
琥珀酸 FAD CoQH2 2Fe3+
第三节 电子传递与氧化磷酸化
第三节电子传递与氧化磷酸化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。
线粒体中氧化磷酸化反应的一般机理一、呼吸链的概念和组成所谓呼吸链(respiratory chain)即呼吸电子传递链(electron transport chain)，是线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。
呼吸链传递体能把代谢物脱下的电子有序地传递给氧，呼吸传递体有两大类：氢传递体与电子传递体。
氢传递体包括一些脱氢酶的辅助因子，主要有NAD+、FMN、FAD、UQ等。
它们既传递电子，也传递质子；电子传递体包括细胞色素系统和某些黄素蛋白、铁硫蛋白。
呼吸链传递体传递电子的顺序是：代谢物→NAD+→FAD→UQ→细胞色素系统→O2。
呼吸链中五种酶复合体(enzyme complex)的组成结构和功能简要介绍如下(图5-11，5-12)。
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)。