电子传递与氧化磷酸化

NADH
电子传递链及其组成
琥珀酸等 黄素蛋白 （FMN） 黄素蛋白 （F AD） 铁硫蛋白 （Fe-S） 辅 酶 Q （CoQ） Cyt b
1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸 （NAD+和NADP+) 2. 黄素蛋白 3. 铁硫蛋白 4. 辅酶Q 5. 细胞色素
铁硫蛋白 （Fe-S）
Fe-S 细胞色素类 Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
（二）氧化磷酸化的偶联机制： 1. 化学渗透假说： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由 Peter Mitchell提出的化学渗透学说。
化学渗透假说的基本要点： 化学渗透假说的基本要点：
该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化 反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外 侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。 当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被 存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸 基团，并与ADP结合而合成ATP。
生物氧化的特点
活的细胞中，pH接近中性、体温条件下进行， 有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行 ，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合 物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因 氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽 可得到有效的利用。
1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：
NADH还原酶 + 4×(Fe-S)
NADH→ FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 总反应： NADH + H+ → NAD+ + CoQH2
→CoQ
2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：
琥珀酸脱氢酶+3×(Fe-S)+Cyt b560
琥珀酸→ FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 →CoQ 总反应：琥珀酸 ＋ CoQ→ 延胡索酸 ＋ CoQH2
3．复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c氧化还原酶）：
2×Cyt b + Cyt c1 +(Fe-S)
CoQH2→
b562; b566; Fe-S; c1
→Cyt c
总反应：CoQH2 ＋ 2细胞色素C(Fe3+) +2H+→ CoQ ＋2细胞色素C（Fe2+)+ 2H+
4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）： Cyt a + Cyt a3
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
总反应：4细胞色素C (Fe2+) +4H+ ＋O2 → 4细胞色素C1（Fe3+)+ 2H2O
呼吸链组分的排列顺序：
通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序： 通过四个方面的 ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧
-e
Fe2+
铁硫中心的结构 铁硫中心的结构
S
无机硫
S
半胱氨酸硫
辅酶Q （CoQ） 辅酶Q （CoQ）
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体内膜中的 脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水 侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之 间相互转变。
细胞色素类： 细胞色素类：
烟酰胺脱氢酶类 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
NAD(P)H + H+
黄素蛋白 黄素蛋白 特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白 递氢机理：FAD(FMN)+2H
FAD(FMN)H2
谷氨酸+ NADH H 3N 天冬氨酸 呼吸链 转运体 -OOC-CH -C-COO2 天冬氨酸 H 天冬氨酸转氨酶
H3 N
+ -
O
草酰乙酸
OOC-CH2-CH2-C-COO H
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
OOC-CH2-CH2-C-COO
-OOC-CH 2 -C-COO -
谷氨酸
H
NADH +H+
NADH+H+ NAD+
延胡索酸 琥珀酸
1/2O2+2H+
H2 O
1．NADH氧化呼吸链：
丙酮酸 α-酮戊二酸 异柠檬酸 苹果酸 谷氨酸 -羟丁酸 -羟脂酰CoA 2H NAD+→[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3 1/2O2 硫辛酸 FAD 2e
2H+ H2O
支持化学渗透假说的实验结果
氧化磷酸化需要完整的线粒体内膜； 线粒体内膜对离子（H+、OH-、K+、Cl－)的不可通透 性； 电子的传递导致H+跨完整的线粒体内膜从基质向膜间 空间转移； 能增高内膜对质子渗透性的化合物能破坏电化学梯 度，导致电子的传递可继续发生，而ATP的合成被抑制。
质子梯度的形成机制： 质子梯度的形成机制：
质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中 所形成的氧化还原袢来完成。 每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。
复合体Ⅰ的氧化还原袢
化学渗透假说示意图
+++++++++
线粒体内膜
氧化
磷酸化
__________
NADH+H+ 2H+ ADP+Pi ATP 2H+ 2H+ H2O 2e2H+ 2H+ 2H+
2. 琥珀酸氧化呼吸链：
-磷酸甘油
[FAD(FP)]
脂肪酰CoA 琥珀酸
2e
FAD (Fe-S) →CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2 Cytb
2H+
H2O
两条电子传递链的关系 两条电子传递链的关系
第三节 氧化磷酸化 第三节 氧化磷酸化
（一）生物体内ATP的生成方式：
1. 底物水平磷酸化： 直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中 的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。
底物水平磷酸化见于下列三个反应：
⑴ 3-磷酸甘油酸激酶 1,3-二磷酸甘油酸+ADP ⑵ 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP ⑶ 琥珀酰CoA+H3PO4+GDP 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸+CoA+GTP 丙酮酸激酶 丙酮酸+ATP 3-磷酸甘油酸+ATP
2. 氧化磷酸化： 在线粒体中，电子从被氧化的底物传递到氧的过 程中所释放的自由能推动ADP酶促合成ATP的过 程。因此氧化磷酸化又叫电子传递磷酸化。实质 是一个能量偶联的过程。
这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中，其 铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子，通过 这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。 细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同 而分类。
铁卟啉辅基的分子结构 铁卟啉辅基的分子结构
传递电子机理：Fe3+
+e
-e
Fe2+
细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微 粒体。 存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3，Cyt b（b560，b562，b566），Cyt c，Cyt c1；而存在 于微粒体的细胞色素有Cyt P450和Cyt b5。
高 质 子 浓 度
质子流 2H+
三. ATP的合成
当质子从膜间腔返回 基质中时，这种“势 能”可被位于线粒体 内膜上的 ATP 合酶 利 用以合成ATP。
2. ATP合酶：
多基团的跨膜蛋白，嵌于线 粒体内膜上，其头部呈颗粒 状，突出于线粒体内膜的基 质侧。
基质 膜间腔
ATP合酶的分子结构
由亲水部分 F1(α3β3γδε亚基) 和疏水部分F0组成。
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
NAD+
OH -OOC-CH 2-C-COO H
α-酮戊二酸
OH
NAD+
苹果酸 脱氢酶
-OOC-CH 2-C-COO -
苹果酸
苹果酸-α-酮 戊二酸转运体
H
胞液
线粒体基质
（一）磷酸甘油穿梭系统：
主要存在于脑和骨骼肌中。 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于 经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生2分 子ATP。
-磷酸甘油
线粒体 内膜
线粒体 基质
第二节 线粒体的电子传递链 第二节 线粒体的电子传递链
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，经过一系列递氢体或递电子体的传递，最后 递电子体 传递给O2生成H2O。这种由若干递氢体或递电子体按 一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反 应体系称为电子传递链,因为其功能和呼吸作用直接 应体系称为 相关，亦称为呼吸链。
主要存在于肝和心肌中。 胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对 氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故 可生成3分子ATP。
苹果酸－天冬氨酸穿梭系统 苹果酸－天冬氨酸穿梭系统
H 3N
+ -
OOC-CH2-C-COO H
O -OOC-CH 2-C-COO -
H3 N
-
+ -
G（Gn） 胞液 丙酮酸 乙酰CoA 线粒体 TAC循环 CO2
H2O
[O] ATP ADP
NADH+H+ FADH2
第一节 线粒体的结构与功能 第一节 线粒体的结构与功能
一. 线粒体的形态与结构
线粒体基质是液态的，它 含有柠檬酸循环和脂肪酸氧 化的绝大多数酶。 与电子传递和氧化磷酸化 过程密切的蛋白质和电子传 递体位于内膜和脊上。
氧化呼吸链的组成 氧化呼吸链的组成 ⑴ NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c → 复合体Ⅳ→O2
⑵ 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
氧化呼吸链的排列 氧化呼吸链的排列
Cytc
wenku.baidu.comeⅠ
胞液侧
eⅡ
e-
Q eⅢ
eⅣ
线粒体内膜 基质侧
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 铁硫蛋白
铁硫蛋白（Fe-S）共有9种同工蛋白；分子中含有由 半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的 铁硫中心（铁硫簇），一次可传递一个电子至CoQ。
+e
传递电子机理：Fe3+
磷酸甘油穿梭系统 磷酸甘油穿梭系统
CH2OH CH2OH C=O CH2O- Pi
琥珀酸 氧化 呼吸链
NADH+H+
C=O CH2O- Pi
-磷酸甘 油脱氢酶
磷酸二羟丙酮
FADH2
-磷酸甘 油脱氢酶
CH2OH
NAD+
CH2OH CHOH CH2O- Pi
线粒体 外膜 膜间腔
FAD
CHOH CH2O- Pi
二. 电子传递链的组织结构及电子传递顺序 人线粒体呼吸链复合体
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
多肽链数
39 4
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
泛醌-细胞色素C还原酶 10 细胞色素c氧化酶 13
* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。
第八章 电子传递与氧化磷酸化 第八章 电子传递与氧化磷酸化
生物氧化(细胞呼吸）的概念
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），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。
生物氧化的过程
生物氧化分为三个阶段： 葡萄糖酵解变为丙酮酸、丙酮酸氧 化脱羧变为乙酰CoA ； 化脱羧变为 乙酰CoA进入三羧酸循环，被酶促转 变为CO2，同时产生NADH和FADH2; 还原性的 NADH 和 FADH2 进入电子传递 链，最终传递给 O2 ， 导致 H2O 的生成 , 通过氧化磷酸化，产生ATP.
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
氧化还原对
Eº' (V) -0.32 -0.30 -0.06 0.04（或0.10） 0.07 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82
NAD+/NADH+H+ FMN/ FMNH2 FAD/ FADH2 Cyt b Fe3+/Fe2+ Q10/Q10H2 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ Cyt c Fe3+/Fe2+ Cyt a Fe3+ / Fe2+ Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 1/2 O2/ H2O
二、线粒体的跨膜转运系统
线粒体内膜仅对O2, CO2和H2O可以自由通透，内膜上含 有很多控制代谢物和离子进出的转运蛋白。 胞液中糖酵解产生的NADH必须进入到线粒体电子传递 系统中才能在有氧条件下被氧化。 NADH上的电子通过 间接的“穿梭系统”才能被转运到线粒体内膜的电子传递 链上。
（一）苹果酸－天冬胺酸穿梭系统：