电子传递和氧化呼吸链
电子传递和氧化呼吸链
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）Fra bibliotek+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。
Reduced
方法四:分 离并鉴定 每个多蛋 白质复合 物：
链上组分 中特有的 电子供体 和受体可 以确定。
（三）呼吸链的组成 琥珀酸等
黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP）
黄素蛋白 （FAD）
铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins)
铁硫蛋白 （Fe-S）
细胞色素类
二、电子传递链（呼吸链）
（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
（一）线粒体结构
嵴
➢线粒体外膜
自由透过小分子和离子
➢线粒体内膜
不能自由透过大部分小分子和离子 ,包括H+。
含有：电子传递体（复合体I、II 、III、IV）
（二）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 （ electron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关 ，亦称为呼吸链。
生物化学复习总结之呼吸链
细胞色素（cห้องสมุดไป่ตู้tochromes）
• 细胞色素都是膜结合蛋
白。 • 不同种类的细胞色素的辅 基结构及与蛋白质连接的 方式是不同的 • 不同的血红素有不同的特 征吸收谱带； • 血红素的氧化态与还原态 的光吸收是不同的。 • 唯一水溶性的细胞色素； • 分子量为~13,000；
Cytochrome C
复合物Ⅱ ：琥珀酸到泛醌
呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不 经过复合物II： – 脂酰CoA脱氢酶 – 3-磷酸甘油脱氢酶 往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称 为琥珀酸脱氢酶类。
复合物Ⅲ ：泛醌到Cyt c
（细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶）
又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：细胞色
底物水平磷酸化
(Substrate Level Phosphorylation)
• 底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间 化合物; • 高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形 成的； • 高能键通过转磷酰基给ADP，转移时有非常大的平衡 常数和一个大的ΔGº’ 负值；
• 一分子高能中间化合物只能形成一个ATP；
• 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式。
氧化磷酸化
（Oxidative Phosphorylation)
生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化
为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实 际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成 ATP的过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。
F1F0-ATP合酶抑制剂
解偶联剂
ATP/ADP交换体抑制剂
的活性基团。 铁硫中心的结构：最简单的是单铁原子与4个Cys的SH相连；更复杂的是有2个或4个铁原子。Rieske铁 硫蛋白则为1个铁原子与两个His残基相连。 蛋白含有的铁是非血红素铁,它借铁的价态变进行电子 传递，氧化型与还原型的的颜色不同，Fe3+为红、 绿，而Fe2+为无色. 注意：铁硫蛋白在电子传递链中，虽然起到传电子的作用， 但这不是传递链中一个单独的组分，往往是与其它组分 结合在一起共同起传递电子的作用。
第二节_呼吸链
二. 呼吸链的组成
呼吸链中的电子传递体共有五种： 呼吸链中的电子传递体共有五种：
5. 细胞色素 (Cyt)
Cytc
唯一能溶 于水的细 胞色素 Lys残基形成环状包围血红素。 残基形成环状包围血红素。 残基形成环状包围血红素
三. 呼吸链的电子传递顺序
呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序， 呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电 子从电位较低的传递体依次通过电位较高 较低的传递体依次通过电位较高的传递体逐步 子从电位较低的传递体依次通过电位较高的传递体逐步 流向氧分子。 流向氧分子。 NADH FMN FAD Fe-S CoQ Cytb Fe-S Cytc1 Cytc Cytaa3 O2
Fe3+ + e = Fe2+
Ferredoxin1
二. 呼吸链的组成
呼吸链中的电子传递体共有五种： 呼吸链中的电子传递体共有五种：
3. 铁硫蛋白
二. 呼吸链的组成
呼吸链中的电子传递体共有五种： 呼吸链中的电子传递体共有五种：
3. 铁硫蛋白 单电子传递体。 单电子传递体。 它通常与其它的电子传递体（ 如黄素蛋白、 它通常与其它的电子传递体 （ 如黄素蛋白 、 细 胞色素）结合成复合物 ， 从而具有不同的氧化还原 胞色素 ） 结合成复合物， 电位，在呼吸链的不同部位传递电子。 电位，在呼吸链的不同部位传递电子。
第二节 呼吸链
一、 呼吸链的概念
在生物氧化过程中， 在生物氧化过程中 ， 代谢物脱下的氢和电子经 过一系列的传递体的传递， 过一系列的传递体的传递 ， 最终交给分子氧生成水 ，这一电子传递体系称为呼吸链（电子传递链）。 这一电子传递体系称为呼吸链（电子传递链） 呼吸链 在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢 或电子 或电子) 在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子 的载体有三种 —— NADH、NADPH和FADH2。 、 和 其中NADPH作为生物合成的还原剂。 作为生物合成的还原剂。 其中 作为生物合成的还原剂 所以呼吸链有两条： 所以呼吸链有两条： 呼吸链； 由NADH开始的呼吸链 —— NADH呼吸链； 开始的呼吸链 呼吸链 呼吸链。 由FADH2开始的呼吸链 —— FADH2呼吸链。
呼吸链与电子传递［细胞生物学］
呼吸链与电⼦传递 在三羧酸循环中，⼄酰CoA氧化释放的⼤部分能量都储存在辅酶（NADH和FADH2）分⼦中。
细胞利⽤线粒体内膜中⼀系列的电⼦载体（呼吸链），伴随着逐步电⼦传递，将NADH或FADH2进⾏氧化，逐步收集释放的⾃由能最后⽤于ATP的合成，将能量储存在ATP的⾼能磷酸键。
■电⼦载体（electron carriers） 在电⼦传递过程中与释放的电⼦结合并将电⼦传递下去的物质称为电⼦载体。
参与传递的电⼦载体有四种∶黄素蛋⽩、细胞⾊素、铁硫蛋⽩和辅酶Q，在这四类电⼦载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电⼦的氧化还原中⼼都是与蛋⽩相连的辅基。
●黄素蛋⽩（flavoproteins）黄素蛋⽩是由⼀条多肽结合1个辅基组成的酶类，每个辅基能够接受和提供两个质⼦和电⼦。
●细胞⾊素（cytochromes）细胞⾊素是含有⾎红素辅基（图7-24）的⼀类蛋⽩质。
在氧化还原过程中，⾎红素基团的铁原⼦可以传递单个的电⼦。
⾎红素中的铁通过Fe3+和 Fe2+两种状态的变化传递电⼦；在还原反应时，铁原⼦由Fe3+状态转变成Fe2+状态；在氧化反应中，铁由Fe2+转变成Fe3+. 四个卟啉环都含有侧链，不同的细胞⾊素所含侧链不同。
图中所⽰是细胞⾊素c，⾎红素与多肽的两个半胱氨酸共价结合，但在⼤多数细胞⾊素分⼦中，⾎红素并不与多肽共价结合。
●铁硫蛋⽩（iron-sulfur proteins， Fe/S protein）铁硫蛋⽩是含铁的蛋⽩质，也是细胞⾊素类蛋⽩。
在铁硫蛋⽩分⼦的中央结合的不是⾎红素⽽是铁和硫，称为铁-硫中⼼（iron-sulfur centers)。
醌（uniquinone UQ）或辅酶Q（coenzyme Q）辅酶Q是⼀种脂溶性的分⼦，含有长长的疏⽔链，由五碳类戊⼆醇构成。
如同黄素蛋⽩，每⼀个醌能够接受和提供两个电⼦和质⼦（图7-26），部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌（UQH2）。
解释氧化呼吸链
解释氧化呼吸链
氧化呼吸链是生物体利用氧气来产生能量的过程中的一个关键步骤。
这一过程发生在细胞的线粒体内，特别是线粒体的内膜。
氧化呼吸链涉及多个复杂的蛋白质和分子，其主要功能是将食物中的化学能转换为细胞能够利用的能量形式，即三磷酸腺苷（ATP）。
整个过程可以分为几个主要步骤：
1、糖代谢：
在细胞质中，糖类物质经过糖酵解和柯恩循环产生临时的能量分子，如辅酶A和NADH。
2、线粒体内膜传递：
辅酶A和NADH将产生的能量分子通过内线粒体膜转运到线粒体内。
3、氧化呼吸链：
在线粒体内膜上，存在一系列的电子传递蛋白质，它们组成氧化呼吸链。
NADH和FADH₂将其携带的电子输入到氧化呼吸链。
4、电子传递：
电子依次通过一系列的电子传递蛋白质，这些蛋白质构成了氧化呼吸链中的复杂结构。
电子在这个过程中释放出能量。
5、质子泵：
在电子通过氧化呼吸链的过程中，质子（氢离子）被从线粒体基质（内膜内侧）输送到线粒体间腔（内膜外侧）。
6、ATP合成：
质子梯度的形成产生了电化学势差，质子通过ATP合酶酶复合物，驱动ADP与磷酸根结合形成ATP。
7、氧还原：
最终，电子通过氧气来还原，形成水。
这是氧化呼吸链的最终步骤，也是细胞内将食物中的能量与氧气结合产生能量的过程。
结束语：
总体而言，氧化呼吸链是将食物中的电子能量通过一系列蛋白质复合物传递，并最终将电子与氧气结合形成水的过程。
这一过程产生的能量用于合成ATP，为细胞提供所需的能量。
生物化学(王镜岩版)第七章 生物氧化
FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 NADH→ →CoQ
NAD+和NADP+的结构
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 （ ）
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
NADH
NADH-Q 还原酶
琥珀酸-Q 还原酶
FADH2
FMN、Fe-S
辅酶Q
FAD、Fe-S
细胞色素 b-562
细胞色素还原酶 细胞色素c 血红素a 血红素a3 CuA和 CuB 细胞色素氧化酶 O2
细胞色素b-566 细胞色素c1 Fe-S
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶 复合体Ⅰ NADH功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 功能 将电子从 传递给泛醌
二、氧化还原电势 氧化还原反应——凡是反应中有电子从一种 物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化 还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反 应。 如： Fe 3＋ ＋ e
氧化型 电子受体
Fe 2＋
还原型 电子供体
氧化还原电势——还原剂失掉电子或氧化剂 得到电子的倾向称氧化还原电势。
标准电势——任何的氧化-还原物质即氧还电对都 有其特定的电动势，称标准电势。用E0或ε0表示。 氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。 例如，异柠檬酸/α-酮戊二酸 + CO2电对在浓度均 为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V， 这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对 NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。
生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用
氧还－回路机制示意图
质子转移的两种假设机制
（2）质子泵机制
这个机制的内容是，电子传递导致复合 体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+， 构象变化后在膜外侧释放H+，从而把H+从膜 内侧运到膜外。
三种类型的Fe-S cluster
半胱氨酸的巯基硫
Fe
Fe2-S2
Fe4-S4
每传递2个电子，可 驱动4个H+从膜内侧 运到膜外侧。
NADH-Q还原酶 催化的电子传递
电子传递链各个成员
2.辅酶Q
辅 酶 Q （ Coenzyme Q ） 又 称 泛 醌 （ubiquinone），有时简称为Q或UQ，是一种脂溶 性物质，它可以接受1个电子还原成半醌中间体，再 接受1个电子还原成对苯二酚形式。由于其脂溶性强， 可以在线粒体内膜中扩散。它有一个长长的碳氢侧 链，哺乳动物中最常见的是具有10个异戊二烯单位 的侧链，简写为Q10，在非哺乳动物中这个侧链可能 只有6~8个异戊二烯单位。
琥珀酸－Q还原酶 催化的电子传递
电子传递链各个成员
4.细胞色素还原酶
细胞色素还原酶又称复合体Ⅲ、辅酶Q－ 细胞色素c还原酶。它的作用是将还原型辅酶 Q的电子传递给细胞色素c。细胞色素还原酶 中含有细胞色素b，也含有2Fe-2S聚簇。
细胞色素（cytochrome)
细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋 白质的总称。还原型细胞色素具有明显的可见光吸 收，可以看到α、β和γ三个吸收峰，其中α峰的波长 随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来 区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区 看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别 称为细胞色素a、b和c，同一种细胞色素血红素因结 合的蛋白质不同，其α吸收峰的波长会发生小的变化， 如 细 胞 色 素 还 原 酶 中 含 有 的 细 胞 色 素 b 就 分 为 bH （b562）和bL（b566）两种。
生物化学：第二节 电子传递链
2、电子传递链分布 原核细胞存在于质膜上 真核细胞存在于线粒体的内膜上
二. 呼吸链的组成
电子传递中有四个复合体参与：
NADH-CoQ还原酶（复合物I） 琥珀酸-CoQ还原酶（复合物Ⅱ ） CoQ-细胞色素c还原酶（复合物III ） 细胞色素氧化酶（复合物Ⅳ）
铁硫中心只有1个Fe起氧化还原反应，在氧化型（ Fe3+）和还原型（Fe2+）之间转变。
呼吸链中的电子传递体：
3. 铁硫蛋白
铁硫蛋白在呼吸链中作为电子传递体，不传递氢 。
呼吸链中的铁硫蛋白通常与其它的电子传递体的 蛋白质（如黄素酶、细胞色素）结合成复合物，从 而具有不同的氧化还原电位，在呼吸链的不同部位 传递电子。目前对其具体作用机制并不十分清楚.
五. 呼吸链的电子传递过程
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
呼吸链中的电子传递体：
1. 烟酰胺脱氢酶
是指以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶, 属于烟 酰胺的衍生物。以NAD+为辅酶的脱氢酶主要参与线 粒体底物到分子氧的传递, 以 NADP+为辅酶的脱氢 酶主要参与将电子传给生物合成过程.
呼吸链中的电子传递体：
（一）NADH-CoQ还原酶（复合物1） 由FMN + 铁硫蛋白
功能：先与NADH结合并将NADH上的两个高势能 电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使 FMN还原。
NADH+H++FMN
FMNH2+NAD+
二、琥珀酸-CoQ还原酶（复合体Ⅱ ）
琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。也是此复合 体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。
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1.生物氧化是生物体内营养物质被氧化产生二氧化碳、H2O和能量的过程。
包括进料、脱氢和电子损失。
2。
呼吸链是线粒体内膜上按一定顺序参与氧化还原的酶和辅酶，起传递氢和电子的作用。
它们分别被称为氢供体和电子供体。
3。
复合物ⅰ:NADH-泛醌还原酶位于线粒体内膜，有39条多肽链和FMN-Fe-S(2)复合物ⅱ:壬酸-泛醌还原酶位于线粒体内膜，有4条多肽链和FAD-Fe-S电子传递序列。
(3)复合体ⅲ:泛醌-Cytc 还原酶，位于线粒体内膜，多肽链数为11，电子传递序列为cytb-Fe-s-cytc，细胞色素B562，B566，C. (4)复合体ⅳ: CYTC氧化酶，位于线粒体内膜，多肽链数为13，电子传递序列为CUA-CYTA-CYTA-库伯。
4.呼吸链的组成和顺序由低到高(1)NADH氧化呼吸链NADH→FMN→Fe-S→CoQ→CyTB→Fe-S→Cytc→Cytc→CuA→Cyta→CUB-Cyta→O2。
(2)FADH2氧化呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链):琥珀酸→fad→Fe-s(cytb)→CoQ→cytb→Fe-s→cytc→cytc→cua→cyta→cub-cyta→O2。
5.细胞因子C直接参与反应:生物氧化。
6.细胞产生ATP的两种途径:(1)氧化磷酸化(偶联磷酸化):是偶联ADP磷酸化产生ATP的过程，是主要途径。
(2)底物水平磷酸化:代谢产物直接产生ATP的过程。
无氧糖酵解和三羧酸循环中有三个底物水平的磷酸化反应。
7.ATP是最重要的高能磷酸盐化合物，是细胞可以直接利用的最重要的能量形式。
它可以被转移到UDP、CDP和GDP，并生成相应的UTP(用于糖原合成)、CTP(用于磷脂合成)和GTP(用于蛋白质合成)。
8.复合物ⅰ被异丙醇、鱼藤酮和翅霉素A抑制，复合物ⅲ被粘噻唑醇和抗霉素A抑制..解偶联剂是二硝基苯酚。
9.NADPH直接参与胆固醇的生物合成。
第21章--氧化磷酸化(生物氧化-电子传递链和氧化磷酸化)
二、电子传递和氧化呼吸链 P118
电子传递链 磷酸化 （氧化） （ATP合成）
线粒体的电子传递链
电子传递链定义
在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一 定顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称 为(呼吸链)，又称(电子传递链)(electron transfer chain)。 呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电 子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。
子载体的标准势能是逐步下降的，还是上升的？
电子从NADH或FADH2转移给氧的过程，自由
能变化为正值，还是为负值?
电子传递抑制剂试验
Reduced
Oxidized
Reduced
Oxidized
Reduced
还原状态呼吸链缓慢给氧
利用呼吸链各组分特 有的吸收光谱：离体线粒 体，无氧而有过量底物 （还原状态），缓慢给氧， 观察各组分被氧化的顺序。
NADH脱氢酶
复合物I：NADH到泛醌
NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）
(判断题 ) NADH脱氢酶是指以NADH为辅酶的脱氢酶的总称。
江苏大学2005年
厦门大学 2005 年
复合物I：NADH到泛醌
NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）
也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物， 由42条不同的多肽链组成，成分包括含（FMN黄素蛋白 和至少6个铁硫中心）。高分辨率电子显微镜显示复合物I 为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。
兑换率
1分子葡萄糖完全氧化产生的ATP
酵解阶段： 2 ATP 2 1 NADH
丙酮酸氧化：2 1NADH
浙大生物化学课件9：生物氧化
2Fe2+ Cyta 2Fe3+
2Cu2+ 2Cu+
2Fe2+
Cyta3 2Fe3+
细胞色素氧化酶
1 2 O2 H2O
NADH呼吸链
AH2
NAD+
FMNH 2
CoQNADH来自A+H+
Fe-S
FMN
CoQH 2
2Fe2+
b-c1-c-aa3 2Fe3+
2H+ 1 2 O2
O2-
H2O
FADH2呼吸链
琥珀酸 延胡索酸
R
还原型
NAD+、NADP+
NADH、NADPH
FMN
R
H3C
N NO
H3C
NH N
O
FMN (醌型或氧化型)
H H3C H3C
CH2 O H C OH H C OH H C OH
O PO O-
N
O PO O-
CH2 H
N O
H
H OH
H OH
NH2 N
N
CH2
H3C
N
N
O
H3C
NH N
O
FMN
FAD
S Fe
组成复合体，参与电子传 递，而且两个Fe离子中只
Fe S Fe S
有一个参与，所以是单电 子传递。
S Fe S
铁硫簇(Fe4S4) C
泛醌（CoQ）
O
H3CO
CH 3
H3CO O
(CH2 CH
CH 3 C CH 2)nH
是脂溶性醌类化合物，由于在生物中广泛存在，所 以也称泛醌。它处于呼吸链的中心枢纽，也是中间 传递体。
电子传递和氧化呼吸链
NAD+ + 2H+ +2e
NADH + H+
NAD(P)H + H++FMN
FMNH2 +NAD（P）+
NADH + 5H+N + Q
NADH dehydrogenase (Complex I)
N. AD+ + QH2 + 4H+P
辅酶Q是呼吸链 电子传递的枢纽
Ubiquinone (Q) accepts electrons from both NADH and FADH2 in the respiratory chain
NADH 呼吸链
Cyt c
复合物 IV
Cyt aa3 细胞色素 氧化酶
O2
电
-0.4 E0/V
子
传 -0.2
递
链
琥珀酸等 FMN Fe-S
标
0
准
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q
氧
0.2
还原酶
化
还
原
0.4
自
由
能
0.6
变
化
0.8
NADH
FMN Fe-S CoQ
复合体 I
NADH 脱氢酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
.
CuB
2CuA
Heme a
CuA CuA
Heme a3
The three critical subunits of cytochrome oxidase (Complex IV) A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure determined in 1996
《生物化学》24 生物氧化
1、NADH-Q还原酶
NADH-Q还原酶又称为NADH脱氢酶，简称为复合体 Ⅰ，是一个具有相对分子质量88000的大蛋白质分子，至 少包含有34条多肽链。该酶是电子传递链中3个质子泵中 的第一个（包括NAD + 、FMN、铁硫聚簇和 CoQ ） 。
该酶的作用是先与NADH结合并将其上的两个高势能 电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原， 反应如下：
(三)质子梯度的形式
1、质子泵出是需能过程
电子传递驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙,结 果造成线粒体内膜基质的H+浓度低于间隙，线粒体基质形 成负电势，而间隙形成正电势，这样就产生了质子动势。 所需能量来于电子传递。 2、质子转移的机制有两种假设 （1）氧化还原回路机制（图24-20） （2）质子泵机制 （3）合成一个ATP需2-3个跨膜质子（H+）
凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反 应称为氧化-还原反应（oxidation-reduction reactions）。
提供电子的分子称为还原剂（reducing agent或reductant）, 接受电子的分子称为氧化剂（oxidizing agent或oxidant）。
物质失去电子后，称为氧化型，氧化型再得到电子又成为 还原型。
图24-18化学渗透假说示意图 图中表明电子传递链是一个H+ 离子泵（质子泵）使H+从线粒体 基质排到内膜外，在内膜外面的 H+浓度比膜内高，即形成一种H+ 浓度梯度，所产生的电化学电势 驱动H+通过合成酶系统的F0F1 ATP酶分子上的特殊通道回流到 线粒体基质，同时释放自由能与 ATP的合成相偶联。
NADH + H+ + 1/2 O2
生物氧化
糖 脂肪 蛋白质
O2 CO2、H2O ADP+Pi
能量
ATP
热能
2、生物氧化的特点：
① 与体外燃烧的化学本质相同：加氧、脱氢、失电子；但
反应条件温和，反应发生在活细胞的溶液环境中.
② 物质在体内、外氧化时，所消耗的氧量、释放的能量和 终产物（CO2，H2O）均相同. ③ 生物氧化时，氧化还原过程逐步进行，能量逐步释放， 利于能量的储存和利用，同时防止对机体的伤害。 ④ 释放的能量一部分以 ATP(GTP) 方式储存，为机体的需能 反应提供能量。
FAD、Fe-S、Cytb
● 需要氧的参与；
● 消耗氧、ADP和无机磷酸生成ATP； 电子传递水平的磷酸化.
COOH
2H
CH2CH2COOH 2H
SH 2 NAD
+
FMNH 2 2H CoQ Fe S
FAD Fe*S 复合物II Cytb - （琥珀酸脱氢酶） 2e
2+ 2C yt-Fe
2e
1 O － 2 2
（二）质子梯度的形成（耗能过程）
耗 能 过 程
质子转移的可能机制（略）
（三）ATP合成机制——ATP酶复合体 ● 线粒体内膜表面有一层规则间隔排列着的球状颗粒，
称为ATP酶复合体/ ATP合酶，是ATP合成的场所。
● 结构：
头部：ATP合酶（F1） 柄部：棒状Pr，对寡霉素敏感（OSCP）
基底部：疏水Pr，与内膜连接
（还原剂） 负极
● 氧化-还原反应中，失去电子的物质
● 氧化-还原反应中，得到电子的物质
→ 还原剂.
→ 氧化剂.
● 氧化-还原电势的概念：
还原剂失掉电子或氧化剂得到电子的倾向.
呼吸链与电子传递[细胞生物学]
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呼吸链与电子传递［细胞生物学］呼吸链与电子传递在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放的大部分能量都储存在辅酶（NADH和FADH2）分子中。
细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体（呼吸链），伴随着逐步电子传递，将NADH或FADH2进行氧化，逐步收集释放的自由能最后用于ATP的合成，将能量储存在ATP的高能磷酸键。
■电子载体（electroncarriers）在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质称为电子载体。
参与传递的电子载体有四种∶黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q，在这四类电子载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基。
●黄素蛋白（flavoproteins）黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类，每个辅基能够接受和提供两个质子和电子。
●细胞色素（cytochromes）细胞色素是含有血红素辅基（图7-24）的一类蛋白质。
在氧化还原过程中，血红素基团的铁原子可以传递单个的电子。
血红素中的铁通过Fe3+和Fe2+两种状态的变化传递电子；在还原反应时，铁原子由Fe3+状态转变成Fe2+状态；在氧化反应中，铁由Fe2+转变成Fe3+.四个卟啉环都含有侧链，不同的细胞色素所含侧链不同。
图中所示是细胞色素c，血红素与多肽的两个半胱氨酸共价结合，但在大多数细胞色素分子中，血红素并不与多肽共价结合。
●铁硫蛋白（iron-sulfurproteins，Fe/Sprotein）铁硫蛋白是含铁的蛋白质，也是细胞色素类蛋白。
在铁硫蛋白分子的中央结合的不是血红素而是铁和硫，称为铁-硫中心（iron-sulfurcenters)。
醌（uniquinoneUQ）或辅酶Q（coenzymeQ）辅酶Q是一种脂溶性的分子，含有长长的疏水链，由五碳类戊二醇构成。
如同黄素蛋白，每一个醌能够接受和提供两个电子和质子（图7-26），部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌（UQH2）。
图7-26辅酶Q的氧化和还原形式辅酶Q的氧化还原分两步进行，先接受一个电子，得到部分还原，称为半醌，再得到一个电子，成为完全还原的醌，称为全醌。
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
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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
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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
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
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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
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
人体两条重要氧化呼吸链的电子传递模式
人体两条重要氧化呼吸链的电子传递模式
人体有两个重要的氧化呼吸链，即第一氧化呼吸链和第二氧化呼
吸链。
这两条链子都是通过电子传递来促进氧化作用的。
第一氧化呼吸链又称为膜质氧化磷酸化链。
它有四个酶，分别是Nadh脱氢酶、苏氨酸脱氢酶、水合酶和氧化脱氢酶。
它的电子传递模
式如下所示：NADH进行脱氢作用，将加入氢原子，形成NADH氢还原物，然后该物质被苏氨酸脱氢酶转化成FADH2，再由水合酶转化成H2O和FAD。
之后，FAD进入氧化脱氢酶，产生大量的ATP。
第二氧化呼吸链也称为氧合酶呼吸链，它比第一氧化呼吸链要复
杂一些，它由七个酶组成，主要有NADH脱氢酶、苏氨酸脱氢酶、水合酶、细胞色素b海绵、细胞色素c海绵、细胞色素c1-海绵和细胞色素
o海绵。
它的电子传递模式如下：NADH进行脱氢作用，形成NADH氢还
原物，这种氢还原物进入苏氨酸脱氢酶，被转化成FADH2;FADH2穿过
水合酶，被转化成H2O和FAD,随后FAD穿过细胞色素b海绵、细胞色
素c海绵、细胞色素c1-海绵和细胞色素o海绵，并最终被氧化脱氢酶转化成大量的ATP。
总的来说，两条重要氧化呼吸链都是通过电子传递来促进氧化反
应的，而电子传递的过程主要由NADH脱氢酶、苏氨酸脱氢酶、水合酶、以及细胞色素b海绵、细胞色素c海绵、细胞色素c1-海绵和细胞色素
o海绵发挥作用。
【生物化学】第五章-生物氧化-第二节-电子传递链
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
生物化学第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递功能的
第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的2015-07-07 71757 0第八章生物氧化生物体内，物质常可通过加氧、脱氢、失去电子的方式被氧化。
营养物质经柠檬酸循环或其他代谢途径进行脱氢反应，产生的成对氢原子（2个氢质子的形式存在，是生物氧化和2个电子）以还原当量NADH+H+或FADH2(biological oxidation)过程中产生的主要还原性电子载体。
机体在进行有氧呼吸时，这些还原性电子载体通过一系列的酶催化和连续的氧化还原反应逐步失去电子（电子传递），最终使氢质子与氧结合生成水。
同时释放能量，驱动ADP磷酸化生成ATP，供机体各种生命活动的需要。
第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有生物体将NADH+H+和FADH2关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸链( oxidative respiratory chain)。
真核细胞ATP的生成主要在线粒体中进行，在氧化呼吸链中，参与传递反应的酶复合体按一定顺序排列在线粒体内膜上，发挥传递电子或氢的作用。
其中传递氢的酶蛋白或辅助因子称之为递氢体，传递电子的则称之为电子传递体。
由于递氢过程也需传递电子(2H++2e-)，所以氧化呼吸链也称电子传递链(electron transfer chain)。
一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成氧化呼吸链是由位于线粒体内膜上的4种蛋白酶复合体( complex)组成，分别称之为复合体I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。
每个复合体都由多种酶蛋白和辅助因子（金属离子、辅酶或辅基）组成，但各复合体含有自己特定的蛋白质和辅助因子成分（表8-1）。
各复合体中的跨膜蛋白成分使其能够镶嵌在线粒体内膜中，并按照一定的顺序进行排列（图8-1）。
其中复合体I、Ⅲ和Ⅳ镶嵌于线粒体内膜的双层脂质膜，而复合体Ⅱ仅镶嵌在双层脂质膜的内侧。
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2. CoQ
特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是
脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体 内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌，通过醌/酚的互变传递氢，Q ( 醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原 成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2 个质子，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。
❖是唯一能溶于水的细胞色素。 ❖相对分子质量为13000，由104个氨
基酸构成的单一肽链。
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8
3
7
4
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半胱氨酸
6. 细胞色素氧化酶
（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶 ）
❖由 cyta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，细胞色素的Fe3+ 、 Fe2+间循环 ，同时Cu2+ 、 Cu+间循环，将电子从cytc直 接传递给O2，也叫末端氧化酶。
CoASH NAD+
NADH+H+
（三）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+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
2H+
1\2 O2 O= H2O
Cyt aa3 O2
两条主要呼吸链
琥珀酸等 FADH2 呼吸链
FAD Fe-S
复合物 II 琥珀酸-辅 酶Q还原酶
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NADH
FMN 复合体 I Fe-S NADH
脱氢酶 CoQ
Cyt b Fe-S 复合物 III NADH
细胞色素 呼吸链 Cyt c1 还原酶
Cyt c
复合物 IV Cyt aa3 细胞色素
❖ 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同 时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将 电子传递给Fe-S聚簇。
❖ 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的 辅酶CoQ。
琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ
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4.细胞色素还原酶
（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）
❖含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色 素c1）和一铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。
泛醌是一个移动 的电子/质子载体
脂溶性的苯醌有一个 很长的异戊二烯侧链， 可以接受1或2个电子， 形成半醌或还原型辅 酶Q。（QH2）； QH2扩散到下一个复 合物（III）；是唯一 的一个不结合于一种 蛋白的电子载体。
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3. 琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）
❖ 琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基 包括FAD和Fe-S聚簇。
+e
传递电子机理：Fe3+
Fe2+
-e
铁硫蛋白参与电子传递
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2Fe-2S
2Fe-2S
4Fe-4S
Different types of iron-sulfur centers
Iron atoms cycle between Fe2+ (reduced) and Fe3+(oxidized).
复合物 III
细胞色素 还原酶
NADH 呼吸链
Cyt c
复合物 IV
Cyt aa3 细胞色素 氧化酶
O2
电
-0.4 E0/V
子
传 -0.2
递
链
琥珀酸等 FMN Fe-S
标
0
准
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q
氧
0.2
还原酶
化
还
原
0.4
自
由
能
0.6
变
化
0.8
NADH
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 C还原酶
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素C
氧化酶
O2
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The chemiosmotic
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第三节 电子传递和氧化呼吸链
主要内容：重点讨论线粒体电 子传递、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。
❖细胞色素bc1复合体的作用是将电子从 QH2转移到细胞色素c
QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c
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细胞色素（cytochrome, cyt） 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。
The electron path in Complex IV
2020/7/9
2020/7/9
（四）机体内两条主要呼吸 链和能量的变化
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
FMN Fe-S CoQ
复合体 I
NADH 脱氢酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
❖电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真 核细胞存在于线粒体内膜上。
➢呼吸链由4个多蛋白的复合物（I, II,
III, 和 IV;3个是质子泵）和2个移动的电子 载体，泛醌（Q或辅酶Q）以及细胞色素c组 成。
➢呼吸链中蛋白质的辅基包括：
黄素类（FMN，FAD）， 血红素（血红素 A，铁原卟啉IX ，血红素 C ）， 铁硫聚簇（ 2Fe-2S, 4Fe-4S), 和 铜 。
2020/7/9
FMN can accept one electron or FMNH2 can donate one electron to form a semiquinone radical intermediate.
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铁硫蛋白
特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和
S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成 Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残 基的巯基与蛋白质相连结。
2020/7/9
CuB
2CuA
Heme a
CuA CuA
Heme a3
The three critical subunits of cytochrome oxidase (Complex IV) A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure determined in 1996
2020/7/9
方法二：氧化作用动力学研究
➢完全的还原伴随着O2的突然传导； ➢较早的氧化作用更接近呼吸链的末端； ➢使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细 胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波 长不同。
2020/7/9
方法三: 各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤 之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。
氧化酶 O2
1.NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复 合体Ⅰ）
❖NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN 和铁-硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶 负责传递电子和氢。
传递氢机理:
NAD+ + 2H+ +2e
NADH + H+
NAD(P)H + H++FMN
FMNH2 +NAD（P）+
2020/7/9
（二）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
R
H2N-CH-COOH 氨基酸脱羧酶 CH2-NH2 +CO2
O
丙酮酸脱氢酶系
CH3-C-COOH
CH3COSCoA+CO2
2020/7/9
呼吸链上很多电子载体的顺序通 过多种研究得以阐明
• 方法一：测量标准还原电位（E’0）
• 电子倾向于从低还原电位（E’0）的载
体流向还原电位高的载体（不过在真正 的细胞中可能有偏差）
2020/7/9
Electron carriers may have an order of increasing E’0
鱼藤酮
Reduced Oxidized Reduced
抗霉素 A Oxidized
2020/7/9
Reduced
方法四:分 离并鉴定 每个多蛋 白质复合 物： 链上组分 中特有的 电子供体 和受体可 以确定。
2020/7/9
2020/7/9
（三）呼吸链的组成 琥珀酸等
黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP）
2020/7/9 NADH + 5H+N + Q
NADH dehydrogenase (Complex I)