第4章 电子传递体系与氧化磷酸化

NADH
呼吸链的组成
1. 黄素蛋白酶类
琥珀酸等 黄素蛋白 （FAD） 铁硫蛋白 （Fe-S） Cyt b
黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S） 辅 酶 Q （CoQ） Cyt b Fe-S
细胞色素类
（flavoproteins, FP）
2. 铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins) 3. 辅酶Ｑ （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）
CoQ
特点： 带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂
溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由 泳动。
+2H
传递氢机理：CoQ
－2H
CoQH2
细胞色素
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。
生物氧化的化学本质
——氧化还原反应
脱电子、氢，加氧 ——氧化反应
偶联进行
接受电子、氢，脱氧 ——还原反应 供电子体或供氢体
受电子体或受氢体
• 生物氧化与体外燃烧的比较
生物氧化
反应条件 温 和
(体温、pH近中性)
体外燃烧
剧 烈
(高温、高压)
反应过程 逐步进行的酶促反应
能量释放 逐步进行
一步完成
瞬间释放
成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成
（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。
生物氧化过程中 释放出的自由能
ADP + Pi
ATP + H2O
磷酸化类别： 底物水平磷酸化
电子传递水平磷酸化
磷酸化
电子传递水平磷酸化 ：电子沿着氧化电子传递链传递的 过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP 的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。
（化学能、热能）
CO2生成方式 有机酸脱羧
（热能）
碳和氧结合
H 2O
需
要
不需要
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
H2N-CH-COOH
O CH3-C-COOH
CoASH
氨基酸脱羧酶
细胞色素
O21 2 O2
H2O
Fe
延胡索酸 FADH2
S
CoQ
b- c1 - c-aa3
2e 2Fe2+
两种呼吸链的比较:
相同: 1. 将H传递给O2生成水； 2. H和O2消耗，其它可反复使用； 3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。 • • • • 不同点: 普遍程度 起始物 ATP NADH呼吸链 较普遍 NADH 2.5 琥珀酸呼吸链 次要 FADH2 1.5
2、能量偶联假说
1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
*
1978年获诺贝尔化学奖
3、质子梯度的形成 4、ATP合成的机制
氧还回路 质子泵
线粒体 ATP合酶
氧化磷酸化重建示意图
传递电子机理：Fe3+
+e
-e
Fe2+
电子传递 抑制剂
鱼藤酮 安密妥
NADH FMN Fe-S
复合物 I
琥珀酸
FMN
Fe-S
CoQ
Cyt b
复合物 II
抗霉素A
Fe-S Cyt c1 Cyt c
复合物 III
NAD FP Q
b
c aa3
NAD FP Q b
c aa3
抗霉素 A的 抑制部位
CNCO
呼吸链中电子传递时自由能的下降
NADH
FADH2
2e-
铁-硫蛋白
Cyt c
23K

,4K ,12K III
21K
2Fe-2S
(bL)
(b566) (b562)
c1
36K


8K
线粒体基质
(bH) Cyt b
线粒体基质 17K

,, 4K
细胞色素还原酶 部分结构模式
细胞色素氧化酶 结构示意图
一、生物氧化的特点 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
生物氧化的特点
生物氧化在活细胞中进行， pH 中性，反应条件 温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程， 逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。
对于真核细胞，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。
4、乙酰辅酶A
2CO2+ 8H+ +辅酶A
5、电子传递和氧化磷酸化
细胞质
线粒体
第二节
线粒体电子传递体系
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
线粒体结构
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
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2
NADH
Fwk.baidu.comN
Fe-S
复合体 I NADH 脱氢酶
FADH2
Fe-S
Cyt bH
CoQ
Cyt b
复合体 II 琥珀酸-辅酶Q 还原酶
Fe-S
Cyt c1 Cyt c Cyt aa3
FADH2 呼吸链
复合体 III 细胞色素 还原酶
NADH 呼吸链
复合体 IV 细胞色素 氧化酶
有利于 ADP 和 Pi 结合，一种构象 (T) 可使结合的 ADP 和 Pi 合 成 ATP，第三种构象 (O) 使已合成的 ATP 容易被释放出来。
在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交
替变化，所需能量由跨膜H+提供。 英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线 粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催 化循环中三个 β亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了 Boyer的假说。
Cytc
Cytc Cytc
2H+
Cyta Cyta3 2e-
FMN FeS 2e-
Q
CytbH
NADH+H+
NAD+
1 O +2H+ 2 2
HH 2O 2O
Boyer和Walker的工作
美国科学家 Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化
假说，认为ATP合酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)
传递电子机理：
Fe3+
+e －e
Fe2+
Cu2+
+e －e
Cu+
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H＋
CoQH2
铁硫蛋白的结构
传递电子机理：Fe3+
+e
-e
Fe2+
细胞色素体系（Cyt）
（1） Cyt的本质
细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素 （2） Cyt的分类 a类：a、a1、a2、 a3 … 30多种 b类：b、b1～7、P450 … c类：c、c1、c2、 c3 …
乙酰CoA
+Pi
磷酸化
电子传递 （氧化）
e-
三羧酸 循环
能量转换
1 、食物中有机大分子在消化道消化降解为有机小分子
• 如：淀粉→葡萄糖
2、有机小分子被细胞摄取，在细胞质内进一步降解为 更小的有机小分子（糖酵解）
• 如：葡萄糖→2丙酮酸 +2ATP
3、有机小分子丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质
• 丙酮酸+辅酶A→乙酰辅酶A+2H++CO2 三羧酸循环（2ATP）
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O= H 2O
2H+
生物氧化的三个阶段 脂肪 多糖 蛋白质
大分子降解成 基本结构单位
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
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。
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应: NADH+H++1/2O2→NAD++H2O Δ G°′=-nFΔ E°′ =-2×96.5×[0.82-(-0.32)] =-220.07千焦· mol-1
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2O ΔG°′=-nFΔE°′ = -2×96.5×[0.82-(-0.18)] =-193.0千焦· mol-1
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+
黄素蛋白酶类
特点：
以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为生物膜组成蛋白 FAD(FMN)H2
递氢机理：FAD(FMN)+2H＋
类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
膜间隙
内膜
基质
电子传递的自由能 驱动H+从线粒体基质
底物 电子传递链 e-
跨过内膜进入到膜间
隙，从而形成H+跨线
H+
H+
粒体内膜的电化学梯
度，这个梯度的电化 学势( Δ H+ )驱动 ATP的合成。 ADP+Pi
H+
ATP F0F1 ATP酶
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 （ eclctron transfer chain), 因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为 呼吸链。 氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位 于线粒体的内膜上。
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）
单加氧酶（如赖氨酸羟化酶）
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 通过蛋白质分子中的 4 个 Cys 残基的－SH与蛋白质相连结。 +e
传递电子机理：Fe3+
-e
Fe2+
H+
化学渗透假说原理示意图
+++++++++
线粒体内膜
氧化
磷酸化
__________
NADH+H+ 3H+ ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ H2 O 2 e4H+ 4H+ 2H+
高 质 子 浓 度
质子流
3H+
线粒体电子传递和H+排出的数目与途径
4H+
FeS
4H+
Cytc1 CytbL FeS
第4章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容：重点讨论线粒体电
子传递体系的组成、电子传递机理 和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧
化体系作一般介绍。
思考

目
第一节
录
生物氧化的特点和方式
第二节
第三节 第四节
线粒体电子传递体系
氧化磷酸化作用*** 其它氧化体系（自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
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。
O2
NADH呼吸链电子传递和水的生成
MH2
还原型代 谢底物
NAD+
FMNH2
CoQ
2e
2Fe2+
细胞色素
1 2 O2
Fe
NADH+H+ FMN
S
CoQH2
b- c1- c -aa3
2Fe3+
氧化型代 谢底物
M
O2-
2H+
H2 O
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
2H+
琥珀酸 FAD CoQH2 2Fe3+
R
CH2-NH2 +CO2
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NADH+H+
NAD+
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： CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
底物水平磷酸化：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物 （如 PEP ）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中 1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。
磷氧比（ P/O ）
呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称
为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原 子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电 子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。
例
实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5 2eATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
NADH
ADP+Pi
1 O2 2
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 1.5
FADH2
ADP+Pi ATP
2eADP+Pi ATP
1 O2 2
H2 O
二、氧化磷酸化的偶联机理
1、线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase）
Cyt aa3
复合物 IV
呼吸链的比拟图解
O2
第三节
氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 六、能荷
氧化磷酸化
代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合