电子传递与氧化磷酸化

铁硫聚簇借Fe2+和 Fe3+的互变传递电子，每次传递
一个电子.(Fe3+ +e- Fe2+ )
Cys S
S
S Cys
+e-
Fe3+
Fe3+
Cys S
S
S Cys
Cys S
S
S Cys
Fe3+
Fe2+
Cys S
S
S Cys
(4)辅酶Q(泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶)
辅酶Q（泛醌, CoQ, Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋 白质组分，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型 （氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和 FADH2上的H和电子都必须经过辅酶Q最终传递到氧分子，因 此，它是电子传递链的中心和电子集中点。
(5)细胞色素C还原酶（细胞色素bc1复合体，即复合物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）。 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
cytbc1
（6）细胞色素C
细胞色素C是唯一能溶于水的、可被分离出 来的独立蛋白质成分，在复合体III和Ⅳ之间传 递电子（细胞色素C 交互地与细胞色素还原 酶的C1以及细胞色素氧化酶接触）.
一、生物氧化的概念和特点
（一）生物氧化的概念
概念：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）。 实质：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，又称为 细胞呼吸。
（二）生物氧化的特点
NADH + H+ + FMN
FMNH2 + NAD+
e 铁硫蛋白复合物
e Hale Waihona Puke BaiduoQ
(3)铁硫蛋白
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 )，构成铁硫中心（铁硫 聚簇），Fe通过蛋白质分子中的 4个Cys残基的巯基与蛋白质相连 结。称为铁硫蛋白（非血红素铁 蛋白）。一次可传递一个电子至 CoQ。
一、呼吸链的种类
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二.呼吸链的组成
呼吸链由一系列的递氢体和递电子体组成。 (1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶
(2) NADH-Q还原酶(复合物Ⅰ）
(3) 铁硫蛋白 (4) 辅酶Q
(5) 细胞色素还原酶(复合物Ⅲ） (6) 细胞色素氧化酶(复合物Ⅳ） (7) 琥珀酸-Q还原酶复合物(复合物Ⅱ ） 返回
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称 多肽链数 辅基
NADH-泛醌还原酶 39
琥珀酸-泛醌还原酶
4
泛醌-细胞色素C还原酶 10
细胞色素c氧化酶
13
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。
呼吸链的种类和组成
⑴ NADH呼吸链
线粒体是生物氧化的发生场所
线粒体的功能
线粒体普遍存在于动植物细胞内，是需氧 细胞产生ATP的主要部位。 真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在 细胞的线粒体内膜发生的。
第三节 电子传递链（P180）
定义:线粒体基质是底物氧化的场所，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。这种由递氢体和递电子体按 一定顺序排列构成的电子传递系统称为电子传递链 （eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作 用直接相关，亦称为呼吸链。
本章重点、难点
重点:（1）呼吸链的概念及其组成，常见的电 子传递抑制剂的作用部位。 （2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途 径，磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比。
难点: 氧化磷酸化的偶联机制：化学渗透学说， ATP合酶的旋转催化理论。
第一节 生物氧化概述(P171)
一、生物氧化的概念和特点 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
(7)细胞色素C氧化酶(复合物Ⅳ）
由 cyt.a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，在细胞 色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环， 将电子直接传递给O2,也叫末端氧化酶。
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(1)底物水平磷酸化
定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部 能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键）， 在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP （或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为 底物水平磷酸化。
每次底物磷酸化产生一个ATP
底物水平磷酸化见于下列三个反应
（1）
3-磷酸甘油酸激酶
NAD+ + 2e- +2H+ NADH + H+ NADP+ + 2e- +2H+ NADPH + H+
大多数脱氢酶以NAD+ 为辅酶，所以NADH所携带的高能电 子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。
(2)NADH-Q还原酶（复合物Ⅰ）
NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，以FMN 和铁-硫聚簇（Fe-S）为辅基，以辅酶Q为辅酶，由 辅基或辅酶负责传递电子和氢。
CoA等）。
共同中间物进 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。
第二节 线粒体的结构与功能(P179)
线粒体的结构特点
线粒体有两层膜。中间有膜间隙。 1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白质含有线
粒体孔道蛋白,外膜的主要功能：保持线粒 体的形态
例： R
H2N-CH-COOH
氨基酸脱羧酶
R CH2-NH2 +CO2
O
CH3-C-COOH
CoASH
丙酮酸脱氢酶系 NAD+
CH3COSCoA+CO2
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+、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 。
1,3-二磷酸甘油酸+ADP
3-磷酸甘油酸+ATP
（2）
丙酮酸激酶
磷酸烯醇式丙酮酸+ADP
丙酮酸+ATP
（3）
琥珀酰CoA+H3PO4+GDP
琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸+CoA+GTP
（2）自由能变化与ATP的生成部位
实验证明，电子由NADH到氧的传递过程中， ATP是在三个不连续的部位生成的:
部位I是在NADH和辅酶Q之间； 部位II 是在辅酶Q和细胞色素c之间； 部位III 是在细胞色素aa3和氧之间。
(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶 (烟酰胺腺嘌呤核苷酸类) NAD+ 和NADP+的结构
功能：将底物上的氢 激活并脱下。
辅酶：NAD+或NADP+
NAD+：R=H
NADP+：R=PO32-
OR
(1)NAD+或NADP+ (烟酰胺腺嘌呤核苷酸类)
以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激 活脱下，其中一个氢原子以氢阴离子(hydride ion)(H-)的形式转 移到NAD+或NADP+上，另外一个则以氢离子(H+)形式游离到溶 液中。 每一个氢阴离子(H- )携带着两个电子，即
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
呼吸链各组分的排列顺序
氧化还原电位由低 高
★ E0’越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反 之，E0’越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。 ★ 当电子从E0’ 值低的物质传到E0’值高的物质时， 伴随着自由能的降低，即释放能量:
△G0’= －nF△E0’ = －nF （E0’受体 － E0’ 供体）
其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。
呼吸链中电子流动方向与ATP的生成
NADH
FADH2
2e-
三.电子传递抑制剂(P184)
凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为 呼吸链电子传递抑制剂.
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各种抑制剂的作用位点
合成1molATP时，需要提供的能量至少为 ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差 ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可 生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两 处可生成ATP。
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
2H+
1\2 O2 O2H2O
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
四、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
NADH →复合体Ⅰ→ CoQ →复合体Ⅲ→Cytc →复合体Ⅳ→O2
⑵ 琥珀酸(FADH2) 呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ → CoQ →复合体Ⅲ→Cytc →复合体Ⅳ→O2
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
2.内膜:含有许多生物活性蛋白质，包括电子传 递链和氧化磷酸化的有关组分及许多转运蛋 白，是线粒体功能的主要承担者.内膜形成 了许多向内褶叠的嵴，嵴的存在大大增加了 内膜的面积， 扩大了它产生ATP的能力。
3.基质(matrix)：在嵴和嵴之间构成分隔的区 室，内部充满胶状的基质,基质内含有大量 的酶及线粒体DNA和核糖体
第四节、氧化磷酸化作用
一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式 二、氧化磷酸化的作用机制 三、磷氧比值 四、氧化磷酸化的解偶联和抑制 五、氧化磷酸化的调控
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一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式
1、概念：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在 ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于 代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故 称为氧化磷酸化。
呼
吸 链
1 2 O2
AH2 2H(2H++2e)
H2O
A
能
氧化
偶
ADP+Pi
联 ATP 磷酸化
RCOOH E CO2+RH
代谢物
AH2
A
氧化产物
2H α-磷酸甘
油穿梭
苹果酸穿梭
2H 呼吸链 + 12O2
H2O 氧 化
能量
磷
酸
ADP+H3PO4
ATP+ H2O 化
胞液
线粒体
2、ATP的生成方式
1) 底物水平磷酸化 2) 氧化（电子传递水平）磷酸化
细胞色素类(cytochrome,cyt）
是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，铁原子处 于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素类是呼吸 链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。
高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素,b、 c 、c1 、a、a3等。
细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起 传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子(细 胞色素为单电子传递体)。
1. 反应由酶催化，反应条件温和； 2. 反应分步进行，顺序性 3. 能量逐步放出，且放出的能量以化学能的 方式储存于 ATP中，能量利用率高。
注：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。
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二、生物氧化中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： 分为单纯脱羧和氧化脱羧
以 FMN 或 FAD 为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。
FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。
FMN(FAD)+2H
FAD(FMN)H2
NADH-Q 还原酶先与(NADH+H+)结合并将 (NADH+H+) 上的两个氢转移到 FMN 辅基 上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅 酶Q。
鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q传递 ； 抗霉素A：阻断细胞色素b到c1之间的电子传递; 氰化物、叠氮化物、硫化氢、一氧化碳：阻断电子从细胞色素 aa3到氧的传递。
琥珀酸
FAD
NAD+ FMN CoQ b c1 c aa3 O2
鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素
抗霉素A
H2S
CO
CN
N3
(8) 琥珀酸-Q还原酶（复合物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。
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。
人线粒体呼吸链复合体