1、第七章：电子传递与氧化磷酸化一、概述生物氧化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的过程统称为生物氧化。其实质是需氧细胞在呼吸作用中发生的一系列氧化还原反应，即细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的特点：1、体温条件下进行。2、酶促反应。3、逐步氧化并释放能量。4、在氧化过程中产生的能量一般都储存在ATP中。二、氧化还原电势氧化还原反应凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反应。如：Fe 3 e Fe 2 氧化型 还原型 电子受体 电子供体 氧化还原电势还原剂失掉电子或氧化剂得到电子的倾向称氧化还原电势。标准电势任何的氧化
2、-还原物质即氧还电对都有其特定的电动势，称标准电势。用E0或0表示。氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。例如，异柠檬酸/-酮戊二酸+CO2电对在浓度均为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V，这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。三、电子传递与氧化呼吸链糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和）通过多种酶和辅酶所催化的链式反应逐步传递，最终与氧结辅酶所催化的链式
3、反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这一系列酶和辅酶所组成的且与细合生成水。这一系列酶和辅酶所组成的且与细胞 利 用 氧 有 关 的 链 式 反 应胞 利 用 氧 有 关 的 链 式 反 应 称 为 呼 吸 链称 为 呼 吸 链(respiratory chain)又称电子传递链又称电子传递链(electron transfer chain)。电子传递链电子从NADH或FADH2传递到O2所经过的途径称为电子传递链，或称呼吸链，由蛋白质复合体构成。分为NADH-Q、还原酶琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶4个部分。电子传递链存在于真核细胞的线粒体内膜上，存在于原核细胞的质膜上。在传
4、递过程中，电子的传递仅发生在相邻的电子载体之间，它的传递方向与每个电子所具有的电化学势能的大小相关。即电子的流动方向总是由电负性较低的氧还电对流向更强电正性的氧还电对。电子从电负性流向电正性是伴随着自由能的降低，其标准自由能变化的计算公式为：G0=-nF E0 n为转移电子数，F为法拉第常数=23062cal/Vmol，E0为标准电势变化。利用此公式可以计算出电子传递链中每一步电子传递的自由能变化。细胞色素还原酶细胞色素c细胞色素氧化酶O2NADH-Q还原酶FADH2琥珀酸-Q还原酶NADH辅酶QFMN、Fe-SFAD、Fe-S 细胞色素 b-562 细胞色素b-566 细胞色素c1血红素a血
5、红素a3CuA和 CuB Fe-Su 功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中
6、间产物是FMN。铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2u 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥
7、珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体b562;b566;Fe-S;c1QH2Cyt cu 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。还原型还原型Cyt
8、 c O2 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链电子传递链电子传递链五、五、氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用Oxidative phosphorylation：氧化磷酸化作用是指在生物氧化过程中伴随着ATP生成的
9、作用。具体说，就是代谢物被氧化释放的电子通过一系列电子传递体从NADH或FADH2传到O2并伴随将ADP磷酸化产生ATP的过程。这一系列反应是在线粒体内膜上进行，是需氧生物取得ATP的主要来源.真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生。原核生物则是在浆膜发生的。（一）线粒体的结构内膜脊膜 线粒体的结构普遍存在于动植物细胞内，呈球状、棒状、线状等，是需氧细胞产生ATP的主要部位。在细胞中的数目可达数百到数千。线粒体有两层膜：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。内膜是细胞溶胶和线粒体基质间的主要屏障。膜间隙通过外膜与细胞溶
10、液相接触。线粒体内膜的功能有线粒体内膜的功能有3个方面：个方面：（见（见P130）1、是将丙酮酸和脂肪酸氧化为CO2，同时使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、是电子从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（F0F1ATPase）合成ATP。ATP的生成方式：的生成方式：底物磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化（植物体内或某些微生物）（二）氧化磷酸化作用机制 在生物氧化反应中，在生物氧化反应中，氧化与还原总是氧化与还原总是相互偶联的相互偶联的。在线粒体呼吸链中，推在线粒体呼
11、吸链中，推动电子从动电子从NADH传递到传递到O2的力，是由的力，是由于于NAD+/NADH+H+和和1/2 O2/H2O两个半反应之间存在很大的两个半反应之间存在很大的电势差电势差。(a)O2+2 H+2 e-H2O E0=+0.82 V(b)NAD+H+2 e-NADH E0=-0.322 V G =-nF E0=-2 96500 1.14=-220kJ/mol （52.7kcal/mol)上面讲的是在电子传递过程中，自由能的上面讲的是在电子传递过程中，自由能的释放。释放。而电子传递过程中释放的自由能储存于而电子传递过程中释放的自由能储存于ATP的过程，是吸能的过程。的过程，是吸能的过程。
12、放能和吸能的过程相偶联就是氧化磷酸化放能和吸能的过程相偶联就是氧化磷酸化的主要内涵。的主要内涵。P/O比：指一对电子通过呼吸链传至氧所产比：指一对电子通过呼吸链传至氧所产生的生的ATP分子数，或者指电子经过呼吸链传分子数，或者指电子经过呼吸链传递消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷的分递消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷的分子数，它反映氧化磷酸化的效率。子数，它反映氧化磷酸化的效率。NADH 1/2O2 P/O比为比为3 FADH2 1/2O2 P/O比为比为2 1.ATP合成的部位 合成合成1molATP时，需要提供的能量至时，需要提供的能量至少为少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化，相当
13、于氧化还原电位差还原电位差E0=0.2V。故在故在NADH氧氧化呼吸链中有三处可生成化呼吸链中有三处可生成ATP，而在，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成成ATP。FAD（0.18)NAD+FMN(Fe-S)CoQ b(Fe-S)c1 c aa3 1/2O2 -0.32 -0.30 +0.04 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.82 ATP ATP ATPNADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FADH2 PADP ATP PADP ATP PADP ATP2.氧化磷酸化的偶联机制（能量偶联假说）氧化磷酸化作用与电子
14、传递相偶联的方式是怎样的？提出的假说有：化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说等（P131）。葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算：目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由年由Mitchell提出的提出的化学渗透学说化学渗透学说。这一学说认为氧化。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，时，H+通过氢泵作用被泵到线粒体内膜外侧（膜间通过氢泵作用被泵到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成腔），从而形成跨膜跨膜pH梯度和跨膜电位差梯度和跨膜电位差。这种。这种形式的形式的“势能势能”，可以被存在于线粒体内膜上的，
15、可以被存在于线粒体内膜上的ATP合成酶利用，生成高能磷酸基团，并与合成酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成结合而合成ATP。化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧膜内侧的的H+迁移到膜外侧（膜对迁移到膜外侧（膜对H+是不通是不通透的）。透的）。膜的内侧与外侧就产生了跨膜质膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度子梯度(pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；c.在
16、膜内外势能差（在膜内外势能差（pH 和和）的驱）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（道（ATP合酶的组成部分），跨膜回合酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动量，直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。ATP合酶：含有合酶：含有F0和和F1单位，质子流单位，质子流回基质通过回基质通过F0通道，而通道，而ATP的合成的合成部位在部位在F1。当质子从膜间腔返回基质中时，这种当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势势能能”可被位于线粒体内膜上的可被位于线粒体内膜上的ATP合酶合酶利利用以合成用以合成ATP。
17、A、ATP/ADP比值：比值：ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。度的重要因素。ATP/ADP比值下降，比值下降，可 致 氧 化 磷 酸 化 速 度 加 快；可 致 氧 化 磷 酸 化 速 度 加 快；ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。化速度减慢。B、甲状腺激素：甲状腺激素：甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以速度。其原因是甲状腺激素可以激活激活细胞膜上的细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使酶，使ATP水水解增加，解增加，因而因而使使ATP/ADP比值下降，比值下降，
18、氧化磷酸化速度加快。氧化磷酸化速度加快。（1）解偶联剂：解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂解偶联剂。主要的解偶联剂有主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚二硝基酚。（2）氧化磷酸化的抑制剂：）氧化磷酸化的抑制剂：对电子传递和对电子传递和ADP磷酸化均有抑磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为制作用的药物和毒物称为氧化磷酸氧化磷酸化的抑制剂化的抑制剂，如，如寡霉素寡霉素。（3）离子载体抑制剂：能与某些除质）离子载体抑制剂：能与某些除质子以外的子以外的1价
19、阳离子结合并作为它们的价阳离子结合并作为它们的载体来增加线粒体内膜对载体来增加线粒体内膜对1价阳离子的价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。如颉通透性而破坏氧化磷酸化过程。如颉氨霉素。氨霉素。（4）电子传递的抑制剂：）电子传递的抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为物或毒物称为电子传递的抑制剂。电子传递的抑制剂。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816 FAD -0.18鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抑制剂：抑制剂：抗霉素抗霉素A氰化物氰化物 CO叠氮化合物叠氮化合
20、物 质子泵与产能在NADH-Q还原酶还原酶、细胞色素还原酶细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶的催化反应中，可使质子由线粒体内膜泵入线粒体内外膜间隙，所以这三个酶都是质子泵质子泵，并推动ATP的形成。而琥珀酸琥珀酸-Q还原酶不是质子泵还原酶不是质子泵，不能形成ATP。一对电子流经NADH-Q还原酶产生1个ATP，流经细胞色素还原酶产生0.5个 ATP，流经细胞色素氧化酶产生1个ATP，故一个NADH分子通过氧化磷酸化形成2.5个ATP，1个FADH2只形成1.5个ATP。氧化磷酸化的解偶联和抑制 见下图 ATP是生物界普遍使用的供能物质，是生物界普遍使用的供能物质，有有“通用货币通用货
21、币”之称。之称。ATP水解为水解为ADP并供出能量之后，并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成而形成ATP循环。循环。（四）高能磷酸键的储存与释放四）高能磷酸键的储存与释放 在生物体内，除了可直接使用在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合用于磷脂的合成，成，GTP用于蛋白质的合成等。用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶 NMP+ATP NDP+ADP 核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶 NDP+ATP NTP
22、+ADP 胞液中的胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸磷酸甘油醛或乳酸脱氢，脱氢，均可产生均可产生NADH。这些。这些NADH可经穿可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生生H2O和和ATP。A，磷酸甘油穿梭系统：，磷酸甘油穿梭系统：NADH通过此通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生只产生2分子分子ATP。B，苹果酸穿梭系统：，苹果酸穿梭系统：NADH+H+的一对的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子可生成可生成3分子分子ATP。1.-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制
