第4章电子传递体系与氧化磷酸化
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植物生理学：第4章 植物的呼吸作用-续3
➢ 生长活动已停止的成熟组织或器官，除一部分用于维持 细胞的活性外，有相当部分能量以热能形式散失掉，因 而呼吸效率低。
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➢ 根据上述情况可把呼吸分为两类：
①维持呼吸-用以维持细胞的活性的呼吸。 相对稳定的,每克干重植物约消耗15～20mg葡萄糖。
②生长呼吸-用于供生长发育所需要的呼吸。 如生物大分子的合成，离子吸收等。植株幼嫩生长活跃
20 ℃左右。经36—48小时，就可达到催芽要求(芽长半 粒谷，根长一粒谷)。晾芽以后就可播种。
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种子播种过深或长期淹水 缺氧，会影响正常的有氧呼 吸，对物质转化和器官的形 成都不利，特别是根的生长 和分化会受到明显的抑制。
油料种子萌发时，耗氧多，呼吸商小，所以更需要注意 浅播，保证O2的供应。 有不少种子在萌发早期或吸胀过程中都表现出抗氰呼吸 的存在。这可能与提高种子温度加快萌发时的物质代谢有 关。
第4章
植 物 的 呼 吸 作 用
第一节 呼吸作用的概念及生理意义
第二节 呼吸代谢途径的多样性 第三节 电子传递与氧化磷酸化
一、电子传递链 二、氧化磷酸化 三、呼吸链电子传递途径的多样性 四、末端氧化酶的多样 五、抗氰呼吸及生理意义 第四节 呼吸作用中的能量代谢 第五节 呼吸作用的指标及影响因素 第六节 呼吸作用与农业生产
2、呼吸途径 种子成熟过程呼吸途径也发生变化。水
稻植株在开花初期籽粒的呼吸途径以EMT-TCAC途径 为主，以后随着种子的成熟，PPP途径加强。
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（二）种子的安全贮藏与呼吸作用
干燥种子的呼吸作用与粮食贮藏有密切关系
含水量很低的风干种子呼吸速率微弱, 为什么？
➢ 一般油料种子含水量在8％～9 ％、淀粉种子含水量在12％～ 14％以下，种子中原生质处于 凝胶状态，呼吸酶活性低，呼 吸极微弱，可以安全贮藏,此时 的含水量称之为安全含水量。
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➢ 根据上述情况可把呼吸分为两类：
①维持呼吸-用以维持细胞的活性的呼吸。 相对稳定的,每克干重植物约消耗15～20mg葡萄糖。
②生长呼吸-用于供生长发育所需要的呼吸。 如生物大分子的合成，离子吸收等。植株幼嫩生长活跃
20 ℃左右。经36—48小时，就可达到催芽要求(芽长半 粒谷，根长一粒谷)。晾芽以后就可播种。
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种子播种过深或长期淹水 缺氧，会影响正常的有氧呼 吸，对物质转化和器官的形 成都不利，特别是根的生长 和分化会受到明显的抑制。
油料种子萌发时，耗氧多，呼吸商小，所以更需要注意 浅播，保证O2的供应。 有不少种子在萌发早期或吸胀过程中都表现出抗氰呼吸 的存在。这可能与提高种子温度加快萌发时的物质代谢有 关。
第4章
植 物 的 呼 吸 作 用
第一节 呼吸作用的概念及生理意义
第二节 呼吸代谢途径的多样性 第三节 电子传递与氧化磷酸化
一、电子传递链 二、氧化磷酸化 三、呼吸链电子传递途径的多样性 四、末端氧化酶的多样 五、抗氰呼吸及生理意义 第四节 呼吸作用中的能量代谢 第五节 呼吸作用的指标及影响因素 第六节 呼吸作用与农业生产
2、呼吸途径 种子成熟过程呼吸途径也发生变化。水
稻植株在开花初期籽粒的呼吸途径以EMT-TCAC途径 为主，以后随着种子的成熟，PPP途径加强。
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（二）种子的安全贮藏与呼吸作用
干燥种子的呼吸作用与粮食贮藏有密切关系
含水量很低的风干种子呼吸速率微弱, 为什么？
➢ 一般油料种子含水量在8％～9 ％、淀粉种子含水量在12％～ 14％以下，种子中原生质处于 凝胶状态，呼吸酶活性低，呼 吸极微弱，可以安全贮藏,此时 的含水量称之为安全含水量。
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。
氧化磷酸化
磷氧比（O/P）： 电子传递过程中，每消耗1mol氧原子所消耗的 无机磷酸的物质的量。相当于一对电子经呼吸链 传递至O2所偶联产生的ATP分子个数。 磷氧比越高，氧化磷酸化的效率就越高。
每分子NADH的电子对通过传递将10个质子泵 出线粒体内膜，琥珀酸则是6个，每驱动合成1分 子ATP需要4个质子，其中一个质子用于ATP和 ADP的跨膜转移。 所以： 当一对电子经过NADH呼吸链，磷氧比为 10/4=2.5 当一对电子经过琥珀酸呼吸链，磷氧比为 6/4=1.5
化学渗透假说的正确性： （1）在完整线粒体内膜存在下可行 （2）基质与膜间隙存在ph梯度 （3）破坏电化学梯度能抑制ATP的合成 （4）F1Fo-ATPase合成酶能利用质子梯度合成 ATP （5）人工质子梯度同样可以驱动ATP合成 （6）线粒体内膜对氢氧根粒子氢离子、钾离子、 氯离子具有不通透性 可是仍然存在一定的问题……
2.构想偶联假说：该假说基于线粒体超微结构的形 态变化，在1964年由美国化学家Paul Boyer，最 先提出的。他认为线粒体内膜上的大分子成分（电 子传递蛋白）以两种构象状态存在（高能状态、低 能状态），在电子传递过程中，由于电子传递的自 由能差，电子传递蛋白的构象发生了变化，转变成 一种高能形态；进而这种高能状态将释放能量，同 时发生磷酸化作用形成ATP。
氧化磷酸化的概念 氧化磷酸化的偶联机理 线粒体外的氧化磷酸化
氧化磷酸化，又称为电子传递体系磷酸化，与以糖酵解途径 为代表的底物水平磷酸化相对应，需要电子经过电子传递 链传递给氧形成水，同时偶联ADP磷酸化为ATP。 书上： 生物体利用代谢物在生物氧化过程中释放的自由能是 ADP磷酸化形成ATP，这种伴随着氧化放能而进行的磷酸 化作用称为氧化磷酸化作用。 简单说： 就是是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成。（偶 联是一个化学反应发生时其它反应以化学计量学的关系相 伴进行的现象）
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
第四章 生物氧化与氧化磷酸化
第四章 生物氧化与氧化磷酸化一、知识要点生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧生成CO 2和H 2O ，与体外有机物的化学氧化（如燃烧）相同，释放总能量都相同。
生物氧化的特点是：作用条件温和，通常在常温、常压、近中性pH 及有水环境下进行；有酶、辅酶、电子传递体参与，在氧化还原过程中逐步放能；放出能量大多转换为ATP 分子中活跃化学能，供生物体利用。
体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应，能量爆发释放，并且释放的能量转为光、热散失于环境中。
（一）氧化还原电势和自由能变化1．自由能生物氧化过程中发生的生化反应的能量变化与一般化学反应一样可用热力学上的自由能变化来描述。
自由能（free energy ）是指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，又称为Gibbs 自由能，用符号G 表示。
物质中的自由能（G ）含量是不易测定的，但化学反应的自由能变化（ΔG ）是可以测定的。
ΔG 很有用，它表示从某反应可以得到多少有用功，也是衡量化学反应的自发性的标准。
例如，物质A 转变为物质B 的反应：B A −→← ΔG ＝G B —G A当ΔG 为负值时，是放能反应，可以产生有用功，反应可自发进行；若ΔG 为正值时，是吸能反应，为非自发反应，必须供给能量反应才可进行，其逆反应是自发的。
][][ln B A RT G G o +∆=∆ 如果ΔG ＝0时，表明反应体系处于动态平衡状态。
此时，平衡常数为K eq ，由已知的K eq 可求得ΔG °：ΔG °＝－RT ln K eq2． 2．化还原电势在氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。
还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）的大小，则称为氧化还原电势。
将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。
如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。
电子传递与氧化磷酸化
催化ADP 和PI的转 变为ATP.
除以上之外还有：UQ和 Cytc UQ：电子传递链中非蛋白质成员 实现在复合体Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ之间的传递。 Cytc: 线粒体内膜外侧的外周蛋白，是电子 传递链中唯一的可移动色素蛋白，通过辅 基中的铁离子价的可逆变化，在复合体Ⅲ 和Ⅳ之间传递电子。
在氰化物的存在下，某些植物呼吸不受抑 制，所以把这种呼吸称为抗氰呼吸。 抗氰呼吸电子传递途径与正常的NADH电子 传递途径交替进行，所以抗氰呼吸途径由 称为交替呼吸途径，简称交替途径。
①.利于授粉 ②.能量溢流 ③.增强抗逆性
植物线粒体膜间隙油附属2个外脱氢酶，分 别是外在的NADH 和NADPH脱氢酶，都对 鱼藤酮不敏感。 功能：催化细胞质中的NADH或NADPH的 氧化，把氧化脱下的电子直接传递给UQ库。
↓
O2
氧化
偶联
↓ 供生命活动，生化反应需要
ATP
磷酸化
½ O 2 → H＋ ＋ e
ATP
营养物分解
氧化磷酸化
肌肉收缩,物质转运 信息传递,腺体分泌
ADP
氧化磷酸化作用： 在生物氧化中，电子经过线粒体电子传递链传递到 氧，伴随ATP合酶催化，使ADP和磷酸合成ATP的过程。
线粒体内膜与氧化磷酸化
线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所。是组 织细胞的“发电厂”。
在呼吸链一系列反应的最末端，有能活化 分子氧并生成ATP的末端氧化酶。 如：线粒体膜上：细胞色素c氧化酶和交替 氧化酶。 细胞质基质和微粒体中，还存在不产生ATP 的末端氧化酶体系。如：酚氧化酶. 抗坏血 酸氧化酶.乙醇酸氧化酶等。
重要的酚氧化酶：单酚氧化酶（酪氨酸酶 ） 和多酚氧化酶（儿茶酚氧化酶） 酚氧化酶是含铜的酶。
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
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(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
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(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
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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
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(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
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复合体Ⅳ的传递途径: Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 C uB O2
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电 子 传 递 链
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第二节 呼吸链（respiratory chain)
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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。
生物氧化氧化电子传递链和氧化磷酸化作用生物氧化氧化电子
11.1生物氧化、氧化电子传递链和氧化磷酸化作用生物氧化、氧化电子传递链和氧化磷酸化作用一、生物氧化的概念和特点。
糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。
生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。
特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。
生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。
真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。
二、氧化电子传递过程生物氧化过程中形成的还原型辅酶（NADH和FADH2），通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称为电子传递过程。
在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以负质子（H —）形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。
三、氧化电子传递链由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括FMN、辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c1、c、a,a3及一些铁硫蛋白。
氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。
电子载体的标准势能△G o /是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。
其中有三个部位的势能落差△G较大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=7.3Kal/mol.）。
这三个部位正好是氧化磷酸化部位。
细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O其中CO2主要是在三羟酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。
四、电子传递链的酶和电子载体呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在（包括NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素）。
这些蛋白质大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上。
NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是NADH脱氢酶的辅酶。
1、NAD+和NADP+脱氢酶分别与NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD（P）相关的脱氢酶，多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以NADP+为辅酶（如G-6-P脱氢酶）少数酶能以NAD+或NADP+两种辅酶（Glu脱氢酶）。
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。
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。
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2CO2+ 8H+ +
辅酶A
20520、/6/28电子传递和氧化磷酸化
2020/6/28
2020/6/28
细胞质 线粒体
第二节 线粒体电子传递体系
一、线粒体结构特点 二、电子传递呼吸链的概念 三、呼吸链的组成 四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 五、电子传递抑制剂
线粒体结构
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一、生物氧化的特点 二、生物氧化过程中CO2的生成 三、生物氧化过程中H2O的生成 四、有机物在体内氧化释能的三个阶段
生物氧化的特点
生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件 温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程， 逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。
对于真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行； 在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞 膜上进行。
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2O ΔG°′=-nFΔE°′
= -2×96.5×[0.82-(-0.18)] =-193.0千焦·mol-1
烟酰胺脱氢酶类
特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在
于线粒体、基质或胞液中。
传递氢机理:
NAD(P) + + 2H+ +2e H+
传递电子机理：
+e
Fe3+ －e
Fe2+
+e
Cu2+
Cu+
－e
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H＋
CoQH2
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铁硫蛋白的结构
传递电子机理：Fe3+
+e -e
Fe2+
细胞色素体系（Cyt）
（1） Cyt的本质 细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素
（2） Cyt的分类 a类：a、a1、a2、 a3 …
琥珀酸等
黄素蛋白 （FAD）
铁硫蛋白 （Fe-S）
NADH
黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S）
辅酶Q （CoQ）
Cyt b
Fe-S 细胞色素类 Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3 O2
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FADH2 呼吸链
琥珀酸等 FAD
Fe-S
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q 还原酶
NADH
+++++++++
线粒体内膜
氧化
__________
NADH+H+
2e-
ADP+Pi
3H+ ATP
4H+ 2H+ H2O
4H+ 高
质
4H+
子 浓
2H+ 度
质子流 3H+
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线粒体电子传递和H+排出的数目与途径
4H+
FeS FMN
FeS 2e-
NADH+H+ NAD+
Cytc
4H+
Cytc
底物水平磷酸化：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物 （ 如 PEP ） 上 的 磷 酸 基 团 转 移 相 偶 联 的 作 用 。 糖 酵 解 中 1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。
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。
呼吸链的比拟图解
氰化物 CO
NADH
FMN 复合物 I
Fe-S CoQ
Cyt b
复合物 III
Fe-S Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3 复合物 IV
O2
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第三节 氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 六、能荷
FMN Fe-S CoQ
复合体 I
NADH 脱氢酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
复合物 III
细胞色素 还原酶
NADH 呼吸链
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素
氧化酶
O2
NADH呼吸链电子传递和水的生成
MH2
还原型代 谢底物
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+
FAD
Fe
FADH2
CoQH2
S
CoQ
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
2e 2Fe2+
O2-
1
2 O2
H2O
两种呼吸链的比较:
O
丙酮酸脱氢酶系
CH3-C-COOH
CH3COSCoA+CO2
CoASH NAD+
NADH+H+
H2O的生成
代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体 （NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再 通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。 例：
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD(P)H +
黄素蛋白酶类
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为生物膜组成蛋白
递氢机理：FAD(FMN)+2H＋
FAD(FMN)H2
类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）
铁硫蛋白
特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和
氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合 成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成 （磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。
ADP + Pi
生物氧化过程中 释放出的自由能
ATP + H2O
磷酸化类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化
磷酸化
电子传递水平磷酸化：电子沿着氧化电子传递链传递的 过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP 的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。
2e-
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
2020/6/28
铁-硫蛋白
2Fe-2S
(bL)
c1
(b566)
(b562)
线粒体基质 (bH)
Cyt b
细胞色素还原酶 部分结构模式
(chemiosmotic hypothasis)
电子传递的自由能 驱动H+从线粒体基质 跨过内膜进入到膜间 隙，从而形成H+跨线
膜间隙
H+
e-
基质
底物 电子传递链
H+
粒体内膜的电化学梯
度，这个梯度的电化
学势( ΔH+ )驱动
H+
ATP的合成。
ADP+Pi
H+
ATP F0F1 ATP酶
磷酸化
化学渗透假说原理示意图
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
2H+
1\2 O2 O=
H2O
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
e-
三羧酸 循环
生物氧化的三个阶段
大分子降解成 基本结构单位
小分子化合 物分解成共同 的中间产物（ 如丙酮酸、乙 酰CoA等）
共同中间产 物进入三羧酸循 环,氧化脱下的 氢由电子传递链 传递生成H2O,释 放出大量能量, 其中一部分通过 磷酸化储存在 ATP中。
S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成 Fe—S中心。Fe通过蛋白质分子中的4个Cys 残基的－SH与蛋白质相连结。
+e
传递电子机理：Fe3+
Fe2+
-e
CoQ
特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂
溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由 泳动。
+2H
传递氢机理：CoQ
CoQH2
－2H
细胞色素
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5
NADH
2e-
1 2
O2
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 1.5
FADH2
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP