12-电子传递和氧化磷酸化

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：
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
p＝＋（0.059V）pH
例如在肝线粒体中，＝0.18V，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＝0.18V＋0.059V×0.5＝0.298V
12.4 电子传递和氧化磷酸化依赖于蛋白复合物
牛心肌中线粒体呼吸电子传递链复合物的一些特征
△G ＝ 2.303RT ＋ F(0.18V) ＝ 5.9kJ＋ 17.4kJ = 23.3kJ
然而当质子从膜外侧(膜间空间)向膜内基质流入时，△G 应该是 -23.3 kJ· -1。依据Mitchell的学说，这应该是推动ATP合成的能量。 mol 虽然在标准条件下，合成1 mole的ATP需要﹢30.5kJ·mol-1，但是在生 理条件下，大约需要﹢40到﹢50kJ·mol-1。从上面的计算可以看出，单一的 质子返回到线粒体基质所产生的质子推动力不足以推动ATP的合成，至少需要 两个质子返回产生的推动力。大多数实验测定表明，每分子的ATP的合成大 约需要3个左右的质子。
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。
当它们参与电子传递时，变换于Cu2+和Cu+状态之间。
细胞色素 c 氧化酶对质子浓度梯度的贡献是通过两种方式表现出来的。 第一种方式是每传递一对电子（即为了还原O2中的每一个氧原子）就转移 两个H＋，第二种方式是当氧被还原为水时消耗基质H＋。后一种方式虽然 不参与实际的跨膜H＋转移，但仍然对p的形成有贡献，这一效果与每传 递一对电子可以净转移4个H＋的效果是一样的。
C6H12O6 ＋ 6O2 —→ 6CO2 ＋ 6H2O
这一总反应实际上由两个不同的代谢过程偶联进 行的结果。前面讨论的有关糖酵解和柠檬酸循环只是 构成了其中一半的反应，即：
C6H12O6 ＋ 6H2O —→ 6CO2 ＋ 24H＋ ＋ 24e－
另一半反应则是分子氧被还原生成水的过程：
6O2 ＋ 24H＋ ＋ 24e－ —→ 12H2O
12.1 真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中
12.2 化学渗透假说解释了电子传递是如何与ADP的
磷酸化耦联的
12.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学
能的成分
12.4 电子传递和氧化磷酸化取决于蛋白质复合物
12.5 穿梭机制使得胞液中的NADH可被有氧氧化
Байду номын сангаас
需氧生物能够利用氧将葡萄糖(以及其他有机物分 子)完全氧化，产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)。葡萄糖 完全氧化的总反应可用下式表示：
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。 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，
6 复合物 V 将质子进入基质与ATP的形成耦联起来
复合物V是一个F-型ATP酶（ATPase），称为FoF1ATP合 成酶，该酶的结构为球-柄结构，象一个“球形”捏手（门把 手）。F代表一个耦联因子ATP酶，它将底物氧化与线粒体内 ADP的磷酸化耦联起来。
F1组分含有催化亚基，当以可溶性形式将它从膜中分离出
通过复合物II的电子流
4 复合物III将电子由QH2传给细胞色素c
复合物III泛醌-细胞色素c氧化还原酶，含有9个或10个不同的亚基，
一个[2Fe-2S]蛋白质，细胞色素b和细胞色素c1。伴随着一分子QH2的氧化 有4个质子被转移到线粒体膜间隙中，其中的两个质子来自QH2，另两个来
自基质。电子被单电子载体细胞色素c接受，细胞色素c沿着内膜的胞液侧
复合物 IV 中电子传递和质子流动
一分子O2的还原需要4个电子（相当于两分子NADH＋H＋ ）
和4个质子。
O2＋4e－＋4H＋－－－→ 2H2O
O2的还原发生在一个催化中心，该中心包括细胞色素a3
的血红素铁原子和相邻的铜原子CuB。正是这个所谓的双核 中心可以结合有毒的配体，例如氰化物和一氧化碳。所以氰 化物和一氧化碳是复合物IV中电子传递的阻断剂。
X＋H2O
电子从阴极流出，阴极处的 XH2 被氧化：
X＋2H＋＋2eH2O
电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：
1/2O2＋2H＋＋2e-
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。
还原电位的改变等价于自由能的改变。
由于内膜外侧的[H＋]大于内膜内侧，因此质子从线粒体内膜内侧向外侧转 移(逆质子浓度梯度转移)是需能的。文献所报道的实际测定的△pH和△ψ 是 有差异的，但是外侧的pH总是较酸性的，内侧的pH总是较碱性的；膜电势也 总是外侧是正的，内侧是负的。比较典型的基质pH大约比膜间空间高出1个单 位，即△pH大约是1，而△ψ 大约是0.18V，因此1 mole的质子从膜内侧转移 到膜外侧的自由能的变化(37℃)是：
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
2 复合物I将来自NADH的电子传递给泛醌
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 线粒体内膜 膜间隙
线粒体基质
嵴
12.2 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。
NADH, H＋
NADH, H＋
要点归纳
1. 通常将生物化学标准还原电位（E°ˊ）定义为于 pH7.0、起始反应物和产物浓度都为1.0M下的反应电位。而
生物化学实际的还原电位（Eˊ）定义为于pH7.0、起始反
应物和产物浓度不是1.0 M下的反应电位。E°ˊ与反应的 平衡常数有关，借助于能斯特（Nernst）方程可以计算Eˊ。
应中催化ADP磷酸化。
12.3 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 XH2
结合-变换机制认为ATP合成酶33寡聚体含有3个催化部位， 在任一给定时间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或 紧缩。所有3个催化部位都依次经历上述3种构象变化。
ATP形成和释放可能涉及的几个步骤
12.5 穿梭机制使得胞液中的NADH可被有氧氧化
1、 甘油磷酸穿梭机制在昆虫飞行肌中占优势
2、 苹果酸-天冬氨酸穿梭是哺乳动物中更为活跃的穿梭机制
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。
移动并将一个电子转移给复合物IV。抗霉素A可以阻断电子传递。
复合物III中电子传递和质子流
5 复合物 IV 将电子从细胞色素c传给O2
复合物IV细胞色素 c 氧化酶是呼吸电子传递链的最后一个成分，这个 复合物催化分子氧（O2）还原形成水（2H2O）和将质子转移到膜间隙。 复合物IV含有细胞色素a 和a3，它们的血红素辅基相同，但还原电位 不同。复合物IV中其它的氧化-还原辅助因子是两个铜离子（CuA和CuB），
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
来自琥珀酸的两个电子转移给Q涉及到FAD被一个氢化物 离子还原和还原型黄素的两个单电子传递给3个铁-硫簇的过程。
来时，它可以催化ATP的水解，习惯上都将F1称之F1ATP酶。
Fo是一个跨膜的质子通道，质子经过通道进入基质的过程
与ATP的形成耦联。每合成一分子ATP大约有3H＋经通道进入 基质。之所以命名为Fo是因为该成分对寡霉素敏感，寡霉素可
结合在通道中，防止质子的进入，抑制ATP的合成。
大肠杆菌ATP合成酶的球-柄形结构
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，质 子沿着膜间隙水相环路（相当于导线）流回基质。
根据基质和胞液pH值，质子跨膜时的自由能的变化可表达为： △G ＝ 2.303RT(log[H＋外]－log[H＋内]) ＋ F△ψ ＝ -2.303RT(pH外－pH内) ＋ F△ψ ＝ 2.303RT(pH内－pH外) ＋ F△ψ ＝2.303RT△pH ＋ F△ψ (3)
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 [其中△ψ是跨膜的电势差]
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＝－－＝＋－－－－－－ nF F 在25℃时，2.303RT/F＝0.059V，所以p可以表示为：
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
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
12.1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。