第六章 生 物 氧 化 ______ 电子传递和氧化磷酸化

物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化。

生物氧化的特点

1. 在体温、近于中性的含水环境中由酶催化。

2. 能量逐步释放，部分存于 ATP。

真核生物的电子传递和氧化磷酸化发生在线粒体内膜。

氧化磷酸化是细胞中最主要的 ATP来源。

氧化 -还原电势

在化学反应中电子不能产生或破坏，如果一分子被氧化，另一分子必被还原（氧化 -还原反应）。氧化 - 还原电势（ E）是物质对电子亲和力的量度（与氢参比）。负的 E倾向于给出电子，为还原剂；正的 E倾向于接受电子，为氧化剂。对于生物系统，物质的标准氧化 -还原电势

（ E0’ ）是在标准状况下（ pH=7）是测得的。

氧化 -还原电势与自由能的变化

在线粒体呼吸链中，推动电子从 NADH传递到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大的电势差。

(a) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0’ = +0.82 V

(b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0’ = -0.322 V

将 (a) 减去 (b) ，即得 (c) 式：(c)½ O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ E0’ =

+1.14 VG’ =-nF E0’ =-2 23.06 1.14 = -52.6 kcal /

molE0’ ＞ 0 ； G’ ＜ 0

生成 ATP的氧化体系

一、线粒体氧化呼吸链

在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。

这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜 上。

真核细胞的电子传递和氧化磷酸化发生在线粒体内膜，这一过程将由柠檬酸循环（位于线粒体基质）、糖酵解（位于细胞溶胶）、和脂肪酸氧化（位于线粒体基质）产生的 NADH 和 FADH2再氧化并以 ATP捕获释放出的能量。氧化磷酸化是细胞中最主要的 ATP来源。

原核生物，此过程在质膜进行。

线粒体的结构

线粒体的结构特点线粒体是细胞内的发电厂线粒体的主要功能是氧化供能线粒体有两层膜结构，外膜光滑，内膜褶皱形成许多嵴，内外膜之间为膜间隙，内膜中有基质。线粒体外膜对大多数小分子物质及离子均能透过，内膜对离子及非电荷物质的通过有很

大的选择性。线粒体内膜，外膜， 膜间隙及基质中都有很多酶，大部分与物质氧化有关，与能量传递有关的酶主要存在于内膜。

电子由电子由 NADHNADH的传递的传递

比较 NADH 氧化的能量学：NADH+H++1/2O2 NAD++H2O

G0 ' =-52.6kcal/molATP的合成：ADP+Pi+H+ ATP +H2O

G0 ' =+7.3kcal/mol 很清楚， NADH的氧化释放出足够的能量用于驱动合成几个 ATP分子。

然而， NADH的氧化和 ATP的合成并不是在一步反应中进行。电子并不直接从 NADH传递到氧，而是沿着一条电子载体的链使电子从 NADH传递到氧。这些电子载体总称为电子传递链。

NADH NADH

脱氢酶

CoQ 细胞色素

bc1复合体细胞色素

c

细胞色素 氧化酶

O2

FADH2

( 琥珀酸 -Q还原

酶）

H+ H+ H+H+泵出部位

电子传递链（呼吸链）主要由嵌在线粒体内膜的三个大的蛋白质复合体和两个小的载体组成。三个大的蛋白质复合体：NADH脱氢酶（复合体 I）、细胞色素 bc1复合体（ Ⅲ复合体 ）、细胞色素氧化酶（复合体 IV）两个小的载体：泛醌（辅酶Q）、细胞色素 C。作用是将大的蛋白质复合体连接起来。

NADH辅酶Q

细胞色素 C O2

细胞色素bc1复合体

NADH

脱氢酶 细胞色素氧化酶

H+H+ H+

Ⅰ复合体 Ⅲ复合体 复合体 IV

FMN

FeS

FeS Q

4H+

4H+

复合体 I

NADH+H+

DNA+

膜间腔

线粒体内膜

基质

Ⅲ复合体

Cytc1

Cytb

CytbFeS

CytcCytc

Cytc

Cyta

Cyta3

2e

复合体 IV

1/2O2+2H+

H2O-

2H+

电子传递链

Ⅰ 复合体 （NADH脱氢酶或 NADH-Q还原酶 )：亚基数 34，辅基有 FMN 和 Fe-SNADH+FMN+H+ FMNH2+NAD+

Fe3++e Fe2+

铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心（铁 -硫聚簇），一次可传递一个电子。

NADH脱氢酶到辅酶Q电子从 NADH脱氢酶的铁硫蛋白中的铁硫中心传递到泛醌，泛醌可作为电子载体接受 2个电子和 2个H+ ，泛醌变成泛醇（ CoQH2 ）

CoQ+2 H+ +2 e CoQH2

泛醌的分子结构异戊二烯

呼吸链中唯一不是蛋白质

Ⅲ复合体 （细胞色素还原酶或泛醌 -细胞色素 c还原酶或细胞色素 bc1复合体）：泛醇到细胞色素 bc1复合体细胞色素 bc1复合体到细胞色素 c

细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为 +2 价亚铁离子，也可为 +3 价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。

细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。

存 在 于 线 粒 体 内 膜 的 细 胞 色 素 有Cytaa3， Cytb（ b560， b562， b566）， Cytc ， Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有 CytP450和 Cytb5 。

Ⅳ复合体 （细胞色素 c氧化酶或细胞色素氧化酶或细胞色素 a a3复合体）：

细胞色素 c到细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶有 2个血红素（ a和 a3 ）和 2个铜离子（ CuA 和 CuB）细胞色素氧化酶到氧

根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种： NADH呼吸链和FADH2呼吸链。

FADH2 辅酶Q 细胞色素 C

O2

细胞色素还原酶

琥珀酸 -Q还原酶

细胞色素氧化酶

H+ H+Ⅱ复合体

Ⅲ复合体 Ⅳ复合体

复合体Ⅱ （琥珀酸 -Q还原酶 )：

电子由铁硫中心（铁 -硫聚簇）传递到泛醌。

FAD.H2 (Fe-S)

电子传递链各组份的排列顺序

II

I III

IV

（二）呼吸链成分的排列顺序：

二、氧化磷酸化 在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使 ADP磷酸化生成 ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。电子传递过程中偶联着 ADP磷酸化的作用称为氧化磷酸化。

直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化 。

氧化磷酸化作用是 ATP的生成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。

底物水平磷酸化是指 ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷酸基团转移相偶联的作用。

底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：

⑴ 3-磷酸甘油酸激酶 1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP

  ⑵ 丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP

⑶ 琥珀酰硫激酶 琥珀酰 CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸

+CoA+GTP

（一）氧化磷酸化的偶联部位：通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与 ATP

生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为 P/O比值 。

P/OP/O比比

P/O比指当一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的 ATP的分子数。

采用离体的完整线粒体与不同底物、 ADP、 H3PO4及Mg 2+等一起保温，发现消耗氧的同时， ADP利用反应过程释放的能量磷酸化为 ATP。通过测定氧和 Pi的消耗量可计算 P/O比值。

氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位

ATP在三个不连续部位生成电子经呼吸链传递时能量逐步释放，其中有三个部位释放的能量被 ADP捕获并磷酸化为 ATP。

NADH 复合体Ⅰ CoQ Cytbc1 Cytc Cytaa3 O2

(FeS) FADH2

(FeS)

琥珀酸

ADP+Pi ATP+H2O ADP+Pi ATP+H2O ADP+Pi1 2 3

ATP+H2O

计算氧还电位差计算氧还电位差

电子沿呼吸链传递时，从 E0'负值向E0'正值方向流动，同时伴有自由能下降。

按照△ G0'=-nF △ E0'公式计算，表明呼吸链中有三处较大的自由能下降，每处

提供的能量 从理论上都足以使 ADP生成 ATP。

合成 1molATP 时，需要提供的能量至少为ΔG0'=-30.5kJ/mol ，相当于氧化还原电位差 ΔE0'=0.2V 。故在 NADH 氧化呼吸链中有三处可生成 ATP ，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成 ATP。

FAD +0.03

↓ 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 ATP

电子传递过程中能量的释放在 3步出现大的自由能的减少，每一步有足够的能量被释放以合成 ATP。

（二）氧化磷酸化的偶联机制：

目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961 年由 Mitchell 提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上， 当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜 pH梯度和跨膜电位差 “。这种形式的 势

”能 ，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与 ADP结合而合成 ATP。

1．质子梯度的形成 在电子传递链中的所有电子载体依照氧 -还电势互相作用。在电子传递中，接受电子的载体对电子的亲和力总是高于给出电子的载体。因此从 NADH到氧发生着净电子流。这保证了电子的单向流动。

呼吸链电势下降，主要分三个大阶段，并与三个蛋白质复合体相关： NADH脱氢酶复合体、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶复合体。在此三阶段的每一阶段，大的自由能变化足够将 H+从线粒体基质泵出，跨过线粒体内膜进入线粒体膜间隙。因此，这三个复合体的每一个都是由电子传递驱动的 H+泵。电子从NADH沿呼吸链的传递释放出的能量即用以形成 H+梯

度。

质子梯度的形成

2． ATP的合成机制：

“当质子从膜间腔返回基质中时，这种 势”能 可被位于线粒体内膜上的 ATP合酶利

用以合成 ATP 。

ATP合酶的分子结构

ATP合成模式图

O2

化学渗透假说化学渗透假说氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒体内膜存在。线粒体内膜对离子是不通透的。在氧化过程中呼吸链将质子泵出膜外，电子是不能横越膜屏障的。

质子梯度是高能状态，是使 ADP磷酸化为 ATP的直接推动力。

线粒体的 ATP生成系统

氧化磷酸化过程可概括如下：氧化磷酸化过程可概括如下：

NADH的氧化，其电子沿呼吸链传递，造成 H+被 3个H+泵，即 NADH脱氢酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过线粒体内膜进入膜间隙。[因 FADH2的再氧化通过泛醌，它的氧化产生的 H+只能通过细胞色素换眼酶和细胞色素氧化酶被泵出，因此由 FADH2形成的 ATP数比从 NADH形成的少 ] 。H+泵出，在膜间隙产生一高的 H+浓度，由此形成电化学质子梯度。质子又通过 ATP合酶流回到线粒体基质，由此驱动 ATP 合成。 ATP合酶由质子动力驱动。质子动力是 pH梯度和膜电势的总和。

经多年测定，每氧化 1个 NADH合成 2.5个 ATP分子，每氧化 1个 FADH2合成 1.5个 ATP分子。

（三）偶联和呼吸控制（三）偶联和呼吸控制电子传递与 ATP合成紧密地相偶联。氧化磷酸化需要 NADH或 FADH2、 ADP、氧和无机磷酸。

ATP/ADP比值在细胞内对电子传递速度起重要调节作用。

ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。

这一机制保证，只有当需要 ATP时，电子才沿呼吸链往下流动。如果 ATP的水平高，而 ADP的水平低，则不发生电子传递， NADH和 FADH2堆积，同样，柠檬酸也过量，于是柠檬酸循环和糖酵解作用都被抑制。

1．电子传递抑制剂的抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为电子传递的抑制剂。

能够抑制第一位点的有安密妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮等；

能够抑制第二位点的有抗霉素 A和二巯基丙醇；

能够抑制第三位点的有 CO 、 H2S 和CN-、叠氮化物（N3

- ） 。

鱼藤酮和安密妥在 NADH脱氢酶处抑制电子传递。

抗霉素 A抑制电子在细胞色素还原酶处的传递。

氰化物（ CN-）叠氮化物（ N3-）和一

氧化碳（ CO）都抑制细胞色素氧化酶。

NADH NADH-Q QH2 细胞色素还原酶

细胞色素氧化酶 O2

2．解偶联剂：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 ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。

主要的解偶联剂有 2,4-二硝基酚。

3．氧化磷酸化的抑制剂：抑制氧的利用又抑制 ATP的形成的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。

氧化磷酸化的抑制剂的作用是直接干扰 ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。