第六章 电子传递体系与氧化磷酸化

主要内容和要求：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

目录第一节 生物氧化概述

第二节 线粒体电子传递体系

第三节 氧化磷酸化作用

第四节 非线粒体氧化体系（自学）

第一节 生物氧化概述

一、生物氧化的概念和特点

二、生物能学简介

三、 高能化合物

生物氧化的特点和方式

1 、生物氧化的特点

2 、生物氧化过程中 CO2的生成和 H2O的生成

3 、有机物在体内氧化释能的三个阶段

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。

生物氧化的特点

在活的细胞中（ pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如 ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。

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

CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脱氢酶系

NAD+ NADH+H+CoASH

例：+CO2H2N-CH-COOH

R氨基酸脱羧酶

CH2-NH2

R

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 。

CH3CH2OH CH3CHO

NAD+ NADH+H+

乙醇脱氢酶

例：

1\2 O2

NAD+

电子传递链

H2O

2e

O=

2H+

脂肪

葡萄糖、其它单糖

三羧酸循环电子传递

（氧化）

蛋白质

脂肪酸、甘油

多糖

氨基酸

乙酰 CoA

e-磷酸化

+Pi

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。

大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段

三、生物能学简介

1 、生物能的转换及生物系统中的能流

2 、自由能的概念及化学反应自由能的计算

自由能（ free energy ）的概念

定义式： Δ Ｇ =ΔH-TΔS

物理意义：－ Δ Ｇ＝Ｗ * ( 体系中能对环境作功的能量 )

自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：

ΔG<0 ，反应能自发进行

ΔG>0 ，反应不能自发进行

ΔG=0 ，反应处于平衡状态。

化学反应自由能的计算

a. 利用化学反应平衡常数计算 基本公式： ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 )

ΔG°′= - RTlnKeq

例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 b. 利用标准氧化还原电位（ E° ）计算（限于氧化还 原反应）

基本公式： ΔG°′= － nFΔE°′

(ΔE°′=E+°′-E-°′)

例：计算 NADH 氧化反应的 ΔG°′

计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

达平衡时 =Keq=19解：

ΔG°′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1

ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1

未达平衡时 =Qc=0.1

反应 G-1-PG-6-P 在 380C 达到平衡时， G-1-P 占5% ， G-6-P 占 95% ，求 G0 。如果反应未达到平衡，设 [G-1- P]=0.01mol.L ， [G-6-P]=0.001mol.L ，求反应的 G 是多少？

例题：

例题：计算下反应式 ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应： 1/2O2+2H++2e H2O E+°′ 0.82

负极反应： NAD++H++2e NADH E-°′ -0.32

ΔG°′-nFΔE°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220 KJ·mol-1

生物系统中的能流

四、高能化合物

1 、高能化合物的类型

2 、 ATP 的特点及其特殊作用

生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释

放出大量自由能（ >21 千焦 / 摩尔）的化合物称为高能化合物。

高能化合物类型

ATP 的特点 在 pH=7 环境中， ATP 分子中的三个磷酸基团 完 全 解 离 成 带 4 个 负 电 荷 的 离 子 形 式（ ATP4- ），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ ΔG°′=-30.5 千焦 / 摩尔）。

腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — O-

O O O

O- O- O-

+ ++

Mg2+

ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G ＝ -30.5kJ•MOL-1

ATP4- + H2O AMP2- + PPi3- + H+ G ＝ -33.1kJ•MOL-1

ATP 的特殊作用

★ ATP 是细胞内的“能量通货”

★ ATP 是细胞内磷酸基团转移的中间载体

～ P～ P

～ P

～ P

ATP～ P

0

2

10

8

6

4

12

14

磷酸基团转移能

磷酸烯醇式丙酮酸

3- 磷酸甘油酸磷酸

磷酸肌酸 （磷酸基团储备

物）

6- 磷酸葡萄糖

3- 磷酸甘油

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。

呼吸链的组成

1. 黄素蛋白酶类

（ 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 ）

NADH

辅 酶 Q （ CoQ）

Fe-S

Cyt c1

O2

Cyt b

Cyt c

Cyt aa3

琥珀酸等

黄素蛋白（ F AD ）

黄素蛋白（ FMN）

细胞色素类

铁硫蛋白（ Fe-S ）

铁硫蛋白（ Fe-S ）

NADH 呼吸链

H2O

12O2

O2-

MH2还原型代 谢底物

FMN

FMNH2

CoQH2

CoQNAD+

NADH+H+

2Fe2+

2Fe3+

细胞色素

b- c1- c -aa3 Fe S

2H+

M氧化型代 谢底物

FADH2 呼吸链FAD

FADH2

琥珀酸

Fe S

2Fe2+

2Fe3+

细胞色素

b- c1 - c-aa3

CoQH2

CoQ12O2

O2-

2H+

H2O

延胡索酸

NADH 呼吸链和 FADH2 呼吸链

FADH2 ↓ FeS ↓ NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2 NADH 呼吸链

FADH2 呼吸链

电子传递链中各中间体的顺序

NADH

FMN

CoQ

Fe-S

Cyt c1

O2

Cyt b

Cyt c

Cyt aa3

Fe-S

FMN Fe-S琥珀酸等

复合物 II

复合物 IV

复合物 I

复合物 III

NADH脱氢酶

辅酶 Q- 细胞色素还原酶

细胞色素 C还原酶

琥珀酸 -辅酶 Q还原酶

呼吸链中电子传递时自由能的下降

FADH2

2e-

NADH

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 ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]

=-220.07 千焦 ·mol-1

总反应： FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′

= -2×96.5×[0.82-(-0.18)]

=-193.0 千焦 ·mol-1

FADH2 呼吸链电子传递过程中自由能变化

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，酶蛋白为细胞膜组成蛋白

类别：黄素脱氢酶类（如 NADH 脱氢酶、琥珀酸脱氢酶

）

需氧脱氢酶类（如 L— 氨基酸氧化酶）

加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）

递氢机理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2

铁硫蛋白

+e

传递电子机理： Fe3+ Fe2+

-e

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与蛋白质分子中的 4 个 Cys残基的巯基与蛋白质相连结。

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 CoQH2

－ 2H

细胞色素

传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+

－ e － e

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 在呼吸链中的中为电子传递体， 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。

CoQ 的结构和递氢原理

CoQ+2H CoQH2

铁硫蛋白的结构及递电子机理

S Fe

1Fe

0S2-

4Cys

2Fe

2S2-

4Cys

4Fe

4S2-

4Cys

传递电子机理： Fe3+ Fe2+

-e+e

三种类型铁 -硫聚簇的铁原子与硫原子关系示意图

细胞色素的结构和递电子机理

传递电子机理： Fe3+ Fe2+

-e+e

线粒体结构

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、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

四、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。

类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化

ADP + Pi ATP + H2O

生物氧化过程中释放出的自由能

磷氧比（ P/O ）　　呼吸过程中无机磷酸（ Pi ）消耗量和分子氧（ O2 ）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分子氧所产生的 ATP 分子数。

NADH

FADH2

O2

12

H2O

H2O

例 实测得NADH 呼吸链： P/O~ 3

ADP+Pi

ATP实测得 FADH2 呼吸链： P/O~ 2

O2

122e-

2e-

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

氧化磷酸化的偶联机理

1 、化学渗透假说

2 、氧化磷酸化的抑制

解偶联剂和离子载体抑制剂

氧化磷酸化抑制剂

三、 线粒体外 NADH 的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统

酵解（细胞质）

氧化磷酸化 （线粒体）

- 磷酸甘油穿梭

（线粒体基质）

磷酸二羟丙酮 3- 磷酸甘油

磷酸二羟丙酮 3- 磷酸甘油

FADFADH2

NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2

NADH NAD+

线粒体内膜

（细胞液）

苹果酸 -草酰乙酸穿梭作用细胞液 线粒体内膜体

天冬氨酸- 酮戊二酸

苹果酸

草酰乙酸 谷氨酸

- 酮戊二酸

天冬氨酸

苹果酸

谷氨酸NADH+H+

NAD+

草酰乙酸

NAD+

线粒体基质

苹果酸脱氢酶

NADH+H+

Ⅳ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

苹果酸脱氢酶

谷草转氨酶 谷草转氨酶

（Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ为膜上的转运载体）

呼吸链

2,4- 二硝基苯酚的解偶联作用

NO2

NO2

O-

NO2

NO2

OH

NO2

NO2

O-

NO2

NO2

OH

H+

H+

线粒体内膜

内外

线粒体 ATP酶

化学渗透假说示意图

2H+

2H+

2H+

2H+

NADH+H+

2H+

2H+

2H+

ADP+Pi ATP

高质子浓度

H2O

2e-

+ + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _

质子流

线粒体内膜

磷酸化

氧化

ATPase 的旋转催化模型

IIIIII

IVIV

IIII II

定子定子 转子转子

旋转催化理论认为旋转催化理论认为质子流通过质子流通过 FoFo 引起亚引起亚基基 III III 寡聚体和寡聚体和及及

亚基一起转动亚基一起转动 ,, 这种旋这种旋转配置转配置 // 亚基之间亚基之间的不对称的相互作用的不对称的相互作用 ,,

引起催化位点性质的引起催化位点性质的转变转变 , , 亚基的中心亚基的中心 -- 螺旋被认为是转子螺旋被认为是转子 ,,

亚基亚基 II 和和 IIII与与亚基组亚基组合在一起组成定子合在一起组成定子 ,, 它它压住压住 // 异质六聚体异质六聚体 ..

ADP+PiADP+PiProten Proten FluxFlux

HH22OO HH++

ATPATP 酶作用机理酶作用机理

电子传递 抑制剂

NADH

FMN

CoQ

Fe-S

Cyt c1

O2

Cyt b

Cyt c

Cyt aa3

Fe-S

FMN Fe-S琥珀酸

复合物 II

复合物 IV

复合物 I

复合物 III

鱼藤酮安密妥

抗霉素 A

氰化物CO

能 荷

定义式：能荷 = —————————

[ATP]+0.5[ADP]

[ATP]+[ADP]+[AMP] 意义： 能荷由ATP 、 ADP 和 AMP 的相对数量决定，数值在 0~

1 之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过 ATP 、 ADP 和AMP 作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。

能荷

相对速率

ATP 的利用途径 ATP 的生成途径

能荷对 ATP 的生成途径和ATP 的利用途径相对速率的 影

响

化学渗透假说示意图

2H+

2H+

2H+

2H+

NADH+H+

2H+

2H+

2H+

ADP+Pi ATP

高质子浓度

H2O

2e-

2e-

2e-

+ + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _

质子流

线粒体内膜

F0-F1

寡霉素

非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与 ATP 的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到 H2O 的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与 ATP 的生成无关，但各自具有重要的生理功能。

生物体内主要的非线粒体氧化系统如下：1 、多酚氧化酶系统

2 、抗坏血酸氧化酶系统

3 、黄素蛋白氧化酶系统

4 、超氧化物歧化酶氧化系统

5 、植物抗氰氧化酶系统

问答题

1 、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体

外氧化异同。

2 、何谓高能化合物？体内 ATP 有那些生理功能？

3 、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？

名词解释

生物氧化　　氧化磷酸化　　底物水平磷酸化　　呼吸链

磷氧比（ P\0 ） 能荷