电子传递与氧化磷酸化

线粒体内膜的功能有3个方面：
1.氧化脱羧生成CO2的同时，NAD＋、FAD还原为
NADH和FADH2,这发生在线粒体基质或面向基 质的内膜蛋白质上； 2.电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上,并同 时形成跨膜质子泵； 3.将储存在电化学质子梯度的能量由内膜上的 ATP合成酶合成ATP。
二、线粒体的跨膜转运系统
（一） 细胞溶质还原当量的跨膜转运
在胞液中代谢产生的NADH上的电子可
通过一定的穿梭系统转运进入线粒体内
膜的电子传递系统中
穿梭系统：
苹果酸-天冬氨酸穿梭 磷酸甘油穿梭
1.苹果酸穿梭
线粒体膜 胞液 NAD+ 苹果酸 基质 苹果酸 NAD
+
苹果酸脱氢酶
苹果酸脱氢酶
NADH + H+
草酰乙酸
α-酮戊二酸
NADHCoQ氧化还原酶 *简写为NADHQ还原酶,即复合物I,是一种黄
素蛋白。它的作用是催化NADH的氧化脱氢以 及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶,也是一 种还原酶。
*NADHQ还原酶含有46个
多肽链。它的活性部分 含有辅基FMN和5-7个铁 硫簇。
辅基FMN
NADH + H+ + FMN FMNH2+ NAD+
呼吸毒物－阻断电子传递
某些物质能抑制呼吸链传递氧和电子,使氧化作用
受阻,自由能释放减少,不能合成分子ATP。 呼吸毒物：阿米妥、鱼藤酮、抗霉素A、CO、CN-等。
抑制部位
ATP ATP ATP FMN 代谢物→NADH→ Fe-S →CoQ→Cytb→Cytc1→c→aa3→O2 ↑ ↑ ↑ ↑
阿的平 阿米妥(麻醉药) 抗霉素A 鱼藤酮(杀虫药) CO CNN 3-
（二）ADP-ATP转运蛋白
由两个相同的、 分子量为30KD 的亚基组成， 含有一个ADP 和ATP竞争结 合的部位,以 两种构象存在
位 于 线 粒 体 内 膜
（三）Pi-H的转运
第二节 电子传递
电子传递过程中的一系列氧化还原反应 是由许多电子传递体所组成的电子传递 链（即呼吸链）完成的。
一、电子传递链及其组成
存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两
个铁原子。铁与其蛋白分子中的Cys残基中
的-SH结合。
电子呼吸链成员
复合物I 传递电子时的能量变化
NADH + H + + CoQ
NADHQ还原酶
NAD+ + CoQH2
该反应由两个半反应组成 NADH + H + CoQ + 2H+ + 2eNAD+ + 2H+ + 2eCoQH2
电子呼吸链成员
4、CoQ-细胞色素c还原酶
complexⅢ
细胞色素还原酶：ISP（Fe-S蛋白）铁卟啉,Cytb,Cytc1 作用：催化电子从CoQ转移到细胞色素c---Q循环
细胞色素还原酶是含铁卟啉辅基的结合蛋白(简写为
Cyt)，铁卟啉辅基的铁原子处于卟啉环的中心,构成
血红素。
各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中 主要含有细胞色素a,b,c和c1等,组成它们的辅基分别 为血红素A、B和C。细胞色素a, b, c可以通过它们的 紫外-可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要通过血红素中 Fe3+ Fe2+ 的互变起传 递电子的作用。

主要部位：
真核细胞的线粒体内膜 原核细胞的细胞质膜
生物氧化
CO2的生成机制：脱羧
（1）直接脱羧作用
代谢的中间产物在脱羧酶的催化下,直接从分 子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。
1．α－直接脱羧
CH3-CO-COOH CH3CHO＋CO2 HOOC-CO-CH3＋CO2
2．β－直接脱羧
HOOC-CO-CH2-COOH
FAD呼吸链 少部分脱氢酶(琥珀酸,脂酰CoA脱氢酶)的辅基 是FAD,FADH将氢传给CoQ,呼吸链较短,释放能 量也较少。
呼吸链复合体

呼吸链中的各种传递体多数是紧密镶嵌在线粒 体内膜中,这些功能上相关的传递体结合成四 种脂溶性的复合物,称为呼吸链复合物。
I FMN (Fe-S)
底物
NADH
CoQ
0.031V
0.045V
P346
琥珀酸 + CoQ
电子呼吸链成员
3、CoQ

泛醌(简写为 Q)或辅酶Q(CoQ) ：它是电子传递链 中唯一的非蛋白电子载体。是一种脂溶性醌类 化合物。人和哺乳动物 CoQ的侧链有 10个异戊二 烯单位（n＝10）以Q10表示
O CH3O CH3O O CH3 (CH2CH C CH2)nH CH3
M 氧化型 一个或几个中间传递体 MH2 还原型 脱氢酶 1/2O2 氧化酶 H2O
具有严格排列顺序的电子载体所构成的体系 称为电子传递链或呼吸链。电子载体存在于 线粒体内膜,它们在内膜上的排列顺序与它 们各自氧化还原电势的高低相关。
电子总是从低电位向高电位流动
E0 -0.32 -0.22 0.045 0.07
细胞色素b、c、c1、a和aa3 --- 膜结合蛋白
但细胞色素b中血红素与蛋白是非共价键结合,
并有两个血红素结合部位：bH和bL
bH
---
靠近基质
bL--- 靠近膜间空间
-1
产生的自由能：-40.5KJ.· mol
Q循环
p347
电子呼吸链成员
5、细胞色素C
细胞色素C：球形蛋白,104个AA组成,溶于水 作用：在复合体III和IV之间传递电子
n=6-10
辅酶Q的功能
CoQ(醌型结构)很容易
接受电子和质子,还原
成CoQH2(还原型)； CoQH2给出电子和质子 还原成CoQ。因此,它 在线粒体呼吸链中是
电子和质子的传递体。
不能从底物接受氢
CoQ在线粒体内膜中有结合到膜上的,也有游离的。
CoQ不仅接受NADH脱氢酶催化脱下的氢,还接受线粒体 其它脱氢酶催化脱下的 氢,如琥珀酸脱氢酶、脂 酰辅酶A脱氢酶及黄素酶 类脱下的氢。所以,CoQ 在电子传递链中处于中 心地位。在黄素蛋白类 琥珀酸 和细胞色素类之间作为 一种特殊灵活的载体而 起作用。
电子传递链图解如下：
NADH
NADH-Q 还原酶
琥珀酸-Q 还原酶
FADH2
FMN、Fe-S
辅酶Q
FAD、Fe-S
血红素b-562
细胞色素还原酶
血红素b-566 血红素c1
血红素a
血红素a3
细胞色素c 细胞色素氧化酶 O2
Fe-S
CuA和 CuB
NADH呼吸链 与
FAD呼吸链
NADH呼吸链 体内大多数代谢中间物 ( 如乳酸、丙酮酸、苹 果酸等)的生物氧化都是以 NAD＋为辅酶的脱氢 酶催化而脱氢,电子经呼吸链传递,最终传给氧 生成水。
在电子传递过程中伴随有质子的释放和 结合,通过这种方式使质子能定向移动, 并通过质子的跨膜电势来推动ATP的合成。
电子传递链的组成：
由蛋白质复合体构成。电子传递链存在于真 核细胞的线粒体内膜上,原核细胞的质膜上。 电子传递酶复合体的辅基有：黄素类、铁硫 中心、血红素和铜离子,这些辅基都是电子 载体,电子传递通过这些辅基来完成。
第13章 生物氧化电子传递与氧化磷酸化
生物氧化概念
C6H12O6＋6O2 C6H12O6＋6H2O 6O2＋24H + 24e
+ _
6CO2 + 6H2O 6CO2 + 24H + 24e
+ _
12H2O + 能量
生物氧化的定义：有机分子在细胞内氧 化分解成二氧化碳和水并释放出能量形 成ATP的过程。需要耗氧并放出二氧化碳
底物
Ⅱ FAD (Fe-S)
Ⅲ Cytb C1 (Fe-S)
Cyt.c
Ⅳ Cyt aa3
½ O2
二、呼吸链的组织结构及电子传递顺序
在呼吸链中电子的流动有着严格的顺序,
不能超于其间的第二个载体流向而第三个 载体,这表明构成呼吸链的电子载体在膜 结构上有着严格的组织顺序和定位关系。
电子呼吸链成员
1.NADH-CoQ 还原酶
-0.315V +0.045V
电子呼吸链成员
复合物I 在传递电子的同时伴随有H质子的转移 复合物I蛋白 氧化态 构象的改变 还原态
电子呼吸链成员
2、琥珀酸－Q 还原酶
complexⅡ
复合物II存在于线粒体内膜,包括琥珀酸脱
氢酶和3个小亚基和Fe-S簇、Cyb560。琥珀酸
脱氢酶的辅基是FAD，FAD接受氢生成FADH2。
第一节:线粒体的结构与功能
线粒体是真核生物重要的细胞器，含有
丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸循环的酶、 催化脂肪酸氧化的酶及电子传递和氧化 结 磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白。
线粒体是需氧细胞产生ATP的主要部位 因此，被称为“细胞的动力车间”
一、线粒体的形态与结构
线粒体是由双层膜包围的细胞器。外膜和内 膜中间为膜间隙,线粒体内部为基质。内膜向 基质内折叠为 嵴,嵴的存在 大大增加了内 膜的面积。
p261
*FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子,
形成还原型FMNH2。还原型FMNH2通过铁硫簇进 一步将电子转移给CoQ。
铁硫蛋白
分子中含铁硫中心(非血红素铁和硫构成活 性中心),铁与硫一般等量存在，位于线粒体 内膜上,通过Fe3+ Fe2+ 变化传递电子
铁硫蛋白主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)的形式
细胞色素氧化酶：13个亚基组成, 核心是3个最大的疏水性亚基 有4个氧化－还原活性中心：血红素a,a3,CuA,CuB
作用：将电子传递给O2，最终生成 2H2O
内膜空间
线粒体基质
Cyta,a3 :结构相同,所处位置不同,性质亦不同 CuA 、CuB：所处位置不同,结合的蛋白不同,势能不同
电子传递的抑制剂
细胞色素c（Cytc）
它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于 线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细 胞色素c1含有相同的辅 基，但是蛋白组成则有
所不同。在电子传递过
程中，Cytc 也是通过 Fe3+ Fe2+ 的互变起 电子传递中间体作用。
电子呼吸链成员
6.细胞色素氧化酶
complexⅣ
↑ FADH -0.22 ↑
0.22
0.235
0.58 0.815
底物→NADH→FMN→CoQ→Cytb→CytC1→ CytC→Cytaa3→1/2O2
(丙酮酸 α-酮戊二酸 苹果酸）
低电位 高自由能
底物
（琥珀酸,脂酰CoA）
高电位 低自由能
电子从氧还电势较低的载体
氧还电势较高的载体
电子的传递过程是一个放能的过程
草酰乙酸
α-酮戊二酸
GOT 谷氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 天冬氨酸
NADH + +H _ e
电子传递链
二羧酸移位酶 谷氨酸-天冬氨酸移位酶
2.磷酸甘油穿梭
线粒体内膜
胞液 NAD
+
3-磷酸甘油
3-磷酸甘油
FAD
NADH
+ H+
磷酸二羟丙酮
磷酸二羟丙酮
FADH2
磷酸甘油脱氢酶 辅酶 NAD+
磷酸甘油脱氢酶 辅酶 FAD CoQ
FADH2中的两个电子经Fe-S中心传递给CoQ,
从而进入电子传递链。
电子呼吸链成员
2H+
琥 珀 酸
延胡索酸
FAD
FADH2
2Fe2+
2Fe 3+
琥珀酸 延胡索酸
产生的自由能：-4.6KJ.mol -1 不够合成ATP
琥珀酸 CoQ + 2H
+
延胡索酸 + 2H + + 2e+ 2e CoQH2 延胡索酸 + CoQH2
和水，所以又称为细胞呼吸和细胞氧化。
生物氧化

生物氧化特点：
在活细胞内进行 , 在体液 ( 水 ) 环境中进行 , 体温、 pH 中性 ,在一系列酶和传递体的作用 下逐步进行,释放的能量可转换成ATP等高能 化合物的各种形式 , 以供机体生命活动的需 要。 （生物氧化与体外燃烧化学本质是相 同的,释放的总能量也相等）
α β
（2）氧化脱羧作用
代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱 羧酶系的催化下,在脱羧的同时,也发生氧化（脱 氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。
1．α－氧化脱羧
CH3-CO-COOH＋CoASH＋NAD＋ 丙酮酸氧化脱羧酶系 CH3-CO-SCoA＋NADH＋H＋＋CO2 2．β－氧化脱羧 HOOC-CH-CH2-COOH＋NADP＋
NADH
Q
Cytc-Fe
2+
O2 + 4H
+
NADH-Q还原酶
CoQ-Cytc还原酶
Cytc 氧化酶
NAD﹢
4H
+
CoQH2
4H
+
Cytc-Fe3+
2H
+
2H2O
第三节、氧化磷酸化
ATP
½ O2→H＋＋e 营养物分解
氧化磷酸化
肌肉收缩,物质转运 信息传递,腺体分泌
OH
苹果酸酶
HOOC-CO-CH3＋CO2＋NADPH＋H＋
掌握要点
生物氧化
1.电子传递、氧化磷酸化与线粒体膜结构的关系
2.电子沿呼吸链在酶复合体中的传递与质子跨膜转 移的关系； 3.电子在传递过程中所释放出来的能量是如何蕴藏 在跨膜的电化学梯度中？ 4.蕴藏在跨膜的电化学梯度中的质子推动力是如何 推动ATP酶促合成的？ 5.抑制剂在电子传递与氧化磷酸化研究中的作用