第4章电子传递体系与氧化磷酸化

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:
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+
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
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
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。
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呼吸链的组成
1. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins) 3. 辅酶Ｑ （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）
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。
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
第4章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容：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 生物氧化的特点和方式
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 其它氧化体系（自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生 成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的 一系列氧化还原反应过程。
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。
CytCbyLtc1
FeS
Q
CytbH
2H+
Cytc
Cyta Cyta3
2e-
1 2
O2
+2H+
HHቤተ መጻሕፍቲ ባይዱO2O
Boyer和Walker的工作
美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化 假说，认为ATP合酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L) 有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合 成ATP，第三种构象(O)使已合成的ATP容易被释放出来。 在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交 替变化，所需能量由跨膜H+提供。
+++++++++
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
特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要
成份为铁卟啉。
类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中
含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc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，因此亦称其为末端氧化酶。
2CO2+ 8H+ +
辅酶A
20520、/6/28电子传递和氧化磷酸化
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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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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 …
2e-
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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
能量转换
1 、食物中有机大分子在消化道消化降解为有机小分子
• 如：淀粉→葡萄糖
2、有机小分子被细胞摄取，在细胞质内进一步降解为
更小的有机小分子（糖酵解）
• 如：葡萄糖→2丙酮酸 +2ATP
3、有机小分子丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质
• 丙酮酸+辅酶A→乙酰辅酶A+2H++CO2
4、乙酰辅酶A 三羧酸循环（2ATP）
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
相同: 1. 将H传递给O2生成水； 2. H和O2消耗，其它可反复使用； 3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。
• 不同点: • 普遍程度 • 起始物 • ATP
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NADH呼吸链 较普遍 NADH 2.5
琥珀酸呼吸链 次要 FADH2 1.5
呼吸链中电子传递时自由能的下降
NADH FADH2
瞬间释放
（化学能、热能）
（热能）
CO2生成方式 有机酸脱羧
H O2 2020/6/28
需要
碳和氧结合 不需要
CO2的生成
方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧 基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成 CO2。
类型：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
例： R
H2N-CH-COOH
氨基酸脱羧酶
R CH2-NH2 +CO2
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
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• 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
能量释放 逐步进行
Cyt c
23K
III
21K 36K
,4K ,12K
8K
线粒体基质 17K
,, 4K
细胞色素氧化酶 结构示意图
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应: NADH+H++1/2O2→NAD++H2O ΔG°′=-nFΔE°′
=-2×96.5×[0.82-(-0.32)] =-220.07千焦·mol-1
•1953年 Edward Slater 化学偶联假说 •1964年 Paul Boyer 构象偶联假说
•1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说*
1978年获诺贝尔化学奖
氧还回路
3、质子梯度的形成 质子泵
4、ATP合成的机制
线粒体 ATP合酶
氧化磷酸化重建示意图
化学渗透假说
内膜
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
(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
30多种 b类：b、b1～7、P450 … c类：c、c1、c2、 c3 …
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传递电子机理：Fe3+
+e -e
Fe2+
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电子传递 抑制剂
鱼藤酮 安密妥
琥珀酸
FMN
Fe-S
复合物 II
抗霉素A
NAD FP Q b c aa3
NAD FP Q b c aa3
抗霉素 A的 抑制部位
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
1 2
O2
H2O
二、氧化磷酸化的偶联机理
1、线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase） 2、能量偶联假说
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2020/6/28
线粒体呼吸链
线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产 生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经 过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O 。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼 吸链。
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。
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。