电子传递和氧化磷酸化
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这一章将讨论还原型辅酶NADH和FADH2被氧化和形 成ATP的过程，整个过程称之氧化磷酸化。与此过程类似， 植物叶绿体中的光合作用也涉及电子转移和能量的贮存， 有光参与的氧化磷酸化过程称之光合磷酸化。
在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，涉及的 酶嵌入在线粒体内膜；但在细菌中，酶是嵌入在质膜中。 在植物的叶绿体中，类囊体膜含有参与光合作用的成分。
20.3 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：
一个典型的哺乳动物线粒体的直径是0.2m到0.8m，长度 为0.5m到1.5m，大小类似于大肠杆菌细胞。
线粒体外膜 线粒体外膜
膜间隙
线粒体基质
嵴
20.2 化学渗透学说解释了电子传递是如何 与ADP磷酸化耦联的
一个质子浓度梯度作为能量库用于驱动 ATP的形成的概念被称之化学渗透理论， 是由Peter Mitchell于1961年提出来的，获 得了1978年诺贝尔化学奖。
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。
nF
在25℃时，2.303RT/F＝0.059V，所以p可以表示为：
p＝＋（0.059V）pH
例如在肝线粒体中，＝0.17V，而pH＝0.5，实际上由电荷梯度产生的可 利用的自由能比pH梯度产生的自由能大（85％对15％）。
p＝0.17V＋0.059V×0.5＝0.2V
20.4 电子传递和氧化磷酸化依赖于蛋白复合物
XH2
X＋2H＋＋2e-
电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：
1/2O2＋2H＋＋2e- H2O
由于两个反应池存在电势差，电子能够通过外部的导线流动。
电子流的方向和氧化剂还原的程度是由XH2和O2之间的自由能 的差确定的，而这一差别又取决于它们各自的还原电位。
化学电池
线粒体中
（a）在化学电池中，电子通过连接两个原电池的导线从XH2流向氧化剂O2。 （b）在线粒体中，质子被跨膜转运到膜间隙，造成跨膜的质子浓度梯度，
3．质子浓度梯度可作为自由能库。当膜间隙的质子通 过另一个嵌膜酶复合物－ATP合成酶经内膜上的通道返 回到基质时，自由能库中能量释放出来。即当质子顺着 浓度梯度流动时，ATP合成酶催化ADP的磷酸化：
ATP合成酶
ADP＋Pi
ATP＋H2O
ຫໍສະໝຸດ Baidu
20.1真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中
鳄鱼的颌肌的快速收缩和迅速松懈就是白肌的典型例子， 鳄鱼可以用令人惊讶的速度和力量扣他的颌部，但却重复不了 几下。候鸟的飞行肌属于红肌，候鸟需要保持稳定的能量输出。
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驱动反 应中催化ADP磷酸化。
牛心肌中线粒体呼吸电子传递链复合物的一些特征
电子传递反应的次序
底物和电子传递链中辅 助因子的标准还原电位
要注意的是，表中的电 位值是从负到正，一般 来说每个底物或中间物 都是被氧还电位比它们 还要高的辅助因子或底 物氧化的。
标准还原电位与标准自由能的变化有直接的关系： G＝－nFE
表17.3每一个复合物催化的反应中产生的可利用的标准自由能
1 辅助因子在电子传递中具有特殊的作用
在复合物I、II和III中都存在着[2Fe-2S]和[4Fe-4S]两种类型的铁-硫簇。 当三价铁离子（Fe3+）和二价铁离子（Fe2+）之间进行氧化和还原时，每 个铁-硫簇可以接受或给出一个电子。
[2Fe-2S]和[4Fe-4S]两种类型铁-硫簇的结构
线粒体外膜
线粒体内膜 线粒体基质
从上图可看出 线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密耦联 的过程构成的，该过程主要有以下特征：
1．NADH和FADH2通过呼吸电子传递链被氧化，该传递链 是由一系列作为电子载体的嵌膜酶复合物组成的。电子从还 原型辅酶传递到有氧代谢的最终的电子受体－分子氧（O2）。
2. 当电子通过复合物传递时，由NADH和FADH2产生的能量 用来将质子由线粒体基质跨过内膜转移到膜间隙，产生一个 质子浓度梯度，使得基质比膜间隙更具有碱性和带有更多负 电荷。
人们发现了许多解耦联剂，大多数是脂溶性的弱酸，它 们的质子化形式和共轭碱形式可以穿过线粒体内膜。例如， 典型的解耦联剂2,4-二硝基苯酚。
在化学渗透理论中，Mitchell提出了跨线粒体膜的质子 浓度梯度是由线粒体中酶复合物的作用产生的，这一梯度提 供的能量用于了ADP磷酸化。化学渗透学说主要包括以下几 点内容：
质子沿着膜间隙水相环路（相当于导线）流回基质。
质子移动既产生化学能也产生电能，化学能对自由能的贡献源于膜两侧 的质子浓度差。 质子转移的整个自由能变化为：
G＝nF＋2.303 nRTpH
上式除以nF可得到线粒体膜两侧势能的表示式，G/ nF为质子动力势p。
G
2.303RTpH
p＝－－＝＋－－－－－－
2 复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌
复合物I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶） 催化NADH的两个电子转移给泛醌。
鱼藤酮（一种植物毒素）和安密妥加入到线粒体悬浮液将 阻断复合物 I 中的电子传递。
复合物I中电子转移和质子流
3 复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌
在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，涉及的 酶嵌入在线粒体内膜；但在细菌中，酶是嵌入在质膜中。 在植物的叶绿体中，类囊体膜含有参与光合作用的成分。
20.3 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：
一个典型的哺乳动物线粒体的直径是0.2m到0.8m，长度 为0.5m到1.5m，大小类似于大肠杆菌细胞。
线粒体外膜 线粒体外膜
膜间隙
线粒体基质
嵴
20.2 化学渗透学说解释了电子传递是如何 与ADP磷酸化耦联的
一个质子浓度梯度作为能量库用于驱动 ATP的形成的概念被称之化学渗透理论， 是由Peter Mitchell于1961年提出来的，获 得了1978年诺贝尔化学奖。
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。
nF
在25℃时，2.303RT/F＝0.059V，所以p可以表示为：
p＝＋（0.059V）pH
例如在肝线粒体中，＝0.17V，而pH＝0.5，实际上由电荷梯度产生的可 利用的自由能比pH梯度产生的自由能大（85％对15％）。
p＝0.17V＋0.059V×0.5＝0.2V
20.4 电子传递和氧化磷酸化依赖于蛋白复合物
XH2
X＋2H＋＋2e-
电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：
1/2O2＋2H＋＋2e- H2O
由于两个反应池存在电势差，电子能够通过外部的导线流动。
电子流的方向和氧化剂还原的程度是由XH2和O2之间的自由能 的差确定的，而这一差别又取决于它们各自的还原电位。
化学电池
线粒体中
（a）在化学电池中，电子通过连接两个原电池的导线从XH2流向氧化剂O2。 （b）在线粒体中，质子被跨膜转运到膜间隙，造成跨膜的质子浓度梯度，
3．质子浓度梯度可作为自由能库。当膜间隙的质子通 过另一个嵌膜酶复合物－ATP合成酶经内膜上的通道返 回到基质时，自由能库中能量释放出来。即当质子顺着 浓度梯度流动时，ATP合成酶催化ADP的磷酸化：
ATP合成酶
ADP＋Pi
ATP＋H2O
ຫໍສະໝຸດ Baidu
20.1真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中
鳄鱼的颌肌的快速收缩和迅速松懈就是白肌的典型例子， 鳄鱼可以用令人惊讶的速度和力量扣他的颌部，但却重复不了 几下。候鸟的飞行肌属于红肌，候鸟需要保持稳定的能量输出。
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驱动反 应中催化ADP磷酸化。
牛心肌中线粒体呼吸电子传递链复合物的一些特征
电子传递反应的次序
底物和电子传递链中辅 助因子的标准还原电位
要注意的是，表中的电 位值是从负到正，一般 来说每个底物或中间物 都是被氧还电位比它们 还要高的辅助因子或底 物氧化的。
标准还原电位与标准自由能的变化有直接的关系： G＝－nFE
表17.3每一个复合物催化的反应中产生的可利用的标准自由能
1 辅助因子在电子传递中具有特殊的作用
在复合物I、II和III中都存在着[2Fe-2S]和[4Fe-4S]两种类型的铁-硫簇。 当三价铁离子（Fe3+）和二价铁离子（Fe2+）之间进行氧化和还原时，每 个铁-硫簇可以接受或给出一个电子。
[2Fe-2S]和[4Fe-4S]两种类型铁-硫簇的结构
线粒体外膜
线粒体内膜 线粒体基质
从上图可看出 线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密耦联 的过程构成的，该过程主要有以下特征：
1．NADH和FADH2通过呼吸电子传递链被氧化，该传递链 是由一系列作为电子载体的嵌膜酶复合物组成的。电子从还 原型辅酶传递到有氧代谢的最终的电子受体－分子氧（O2）。
2. 当电子通过复合物传递时，由NADH和FADH2产生的能量 用来将质子由线粒体基质跨过内膜转移到膜间隙，产生一个 质子浓度梯度，使得基质比膜间隙更具有碱性和带有更多负 电荷。
人们发现了许多解耦联剂，大多数是脂溶性的弱酸，它 们的质子化形式和共轭碱形式可以穿过线粒体内膜。例如， 典型的解耦联剂2,4-二硝基苯酚。
在化学渗透理论中，Mitchell提出了跨线粒体膜的质子 浓度梯度是由线粒体中酶复合物的作用产生的，这一梯度提 供的能量用于了ADP磷酸化。化学渗透学说主要包括以下几 点内容：
质子沿着膜间隙水相环路（相当于导线）流回基质。
质子移动既产生化学能也产生电能，化学能对自由能的贡献源于膜两侧 的质子浓度差。 质子转移的整个自由能变化为：
G＝nF＋2.303 nRTpH
上式除以nF可得到线粒体膜两侧势能的表示式，G/ nF为质子动力势p。
G
2.303RTpH
p＝－－＝＋－－－－－－
2 复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌
复合物I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶） 催化NADH的两个电子转移给泛醌。
鱼藤酮（一种植物毒素）和安密妥加入到线粒体悬浮液将 阻断复合物 I 中的电子传递。
复合物I中电子转移和质子流
3 复合物II将电子由琥珀酸转移到泛醌