18.电子传递和氧化磷酸化

两条电子传递链 两条电子传递链
三、电子传递与ATP合成
• 细胞内ATP 的合成是在ADP水平上进行的 ADP + Pi → ATP • 异养生物体内高能磷酸键的形成方式有两种： – 底物水平磷酸化 – 氧化（电子传递水平）磷酸化
（一）生物体内ATP的生成方式
1. 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) ： • 物质分解代谢过程中，底物分子因脱氢、脱水等作 用，能量在分子内部重排形成高能磷酸酯键，并转移 给ADP形成ATP。
3-磷酸甘油酸激酶 3-磷酸甘油酸+ATP 1,3-二磷酸甘油酸+ADP 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 琥珀酰CoA+GDP 丙酮酸激酶 丙酮酸+ATP
琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸+CoA+GTP GTP+ADP→ATP+GDP
2. 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) ：
3+
Fe-S 2Fe
2+
CoQ-Cytc还原酶
CoQ:CytC还原酶
二聚体功能单位 单体
细胞色素蛋白 细胞色素蛋白
• 结构：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白。 • 功能：在生物氧化反应中，通过Fe3+ Fe2+转变而传 递电子。（血红蛋白与肌红蛋白的血红素不发生价态 变化） • 细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不 同分类： a, a3, b, c, c1….. • 只有Cyt c是可溶的，其余都是膜结合蛋白
Ⓢ 表示无机硫
借铁的价态变进行电子传递 Fe3+ Fe2+
泛醌（ CoQ ） 泛醌（ CoQ ）
泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）是存在于线粒体内膜膜双脂层 中的脂溶性有机化合物，因广泛存在得名，由多个异戊二 烯连接形成较长的疏水侧链，能在膜脂中自由泳动。
O CH3O CH3O O CH3 (CH2CH C CH2)nH CH 3
生物化学
第9章 生物氧化
——电子传递和氧化磷酸化
一、生物氧化的概念（biological oxidation） 生物氧化：糖类、脂类和蛋白质等物质在生物体内氧化分 解生产CO2和H2O，并释放出能量的过程。也称细胞氧化、 细胞呼吸。 生物体内的生物氧化的特点：
在 37℃，近中性的水环境中，由一系列酶催化进行，其
途径迂回曲折，但有条不紊；
反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的 形式（如ATP）储存起来，再供给机体所需。
特点：反应温和，多步反应，逐步放能
生物氧化的一般过程
糖原 甘油三酯 蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TCA
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
ATP H2O
生物氧化发生的场所
线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
2. 自由能变化与ATP的生成部位：
• 合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0’=-30.5 kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0’=0.2 V。
-0.06
复合体I
电位变化 ( Eº′) 自由能变化
复合体III
能否生成ATP
复合体IV
区段
Gº′=-nF Eº′ ( Gº′是否大于30.5KJ)
功能：
复合体Ⅰ
（1）将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone)
NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2
NADH脱氢酶
（2）4个质子由基质转到内膜外，因此，复合物 Ⅰ是由电子转移能所驱动的质子泵。
2．复合体Ⅱ（琥珀酸-CoQ还原酶）：
琥珀酸脱氢酶 + 3 (Fe-S)
• 代谢物脱下的氢原子经电子传递链传递给氧过程中释 放的能量促使ADP磷酸化生成ATP。
释放能量
形成ATP
占体内ATP合成总量的95％
（二）氧化磷酸化的偶联部位
根据P/O比值和自由能变化推测氧化磷酸化的偶联部位！ 1. P/O比值： • 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1mol O2所生成的ATP的mol数称为P/O比值。
线粒体基质：含有丙酮酸脱
氢酶复合物和柠檬酸循环途 径、脂肪酸 - 氧化途径、氨 基酸氧化途径等物质、能量 氧化途径。
二、生产ATP的氧化体系——呼吸链
代谢脱下的氢和电子通过多种酶和辅酶所催化的氧化还原 反应逐步传递，最终与分子氧为电子传递链或呼吸 链。 递氢体：呼吸链中参与传递H的酶和辅酶 递电子体：呼吸链中参与传递电子的酶和辅酶 在真核生物细胞内，呼吸链的酶和辅酶位于线粒体内膜 上；原核生物中，位于细胞膜上。
n=6-10
n=10：哺乳动物 n=6-8：非哺乳动物
氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变，是 电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。
（氧化型，Q）
（还原型， QH2 ）
CoQ 在 电 子 传 递 链中处于中心 地位
CoQ 不仅接受 NADH 脱氢酶和琥
珀酸脱氢酶的H，还接受脂酰CoA 脱氢酶等其他脱氢酶脱下的H，在 电子传递链中处于中心地位。
化学渗透假说的基本要点 化学渗透假说的基本要点
• 该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当进行电 子传递时，H+通过质子泵的作用被排到线粒体内膜外侧 （膜间腔），从而在内膜两侧形成跨膜的pH梯度和跨膜 电位梯度（二者共同构成电化学梯度，即质子动力势， Proton-motive force ）。 • 当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”（ H+梯度 渗透能）可以被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用，用 于合成ATP。
实验证据
完整的线粒体内膜是氧化磷酸化必须的 线粒体内膜对H+等离子具不通透性 电子传递时H+由内向外泵出 在ATP形成时, H+由外向内流动 解偶联剂解除H+不通透性，则ATP合成解除
化学渗透假说详细示意图
胞液侧 +
H+ H+ Cyt c H+
+ + + + + Q
1．复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）
NADH脱氢酶 + 4 (Fe-S) NADH→ FMN; Fe-SN-1; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 →CoQ
NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 H H
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，发挥功能的部位是异咯嗪 环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN• 。
现在普遍认为呼吸链递氢和递电子所产生的能量并不完全
用于ATP的生成: 1 FADH2只生成1.5 ATP 1 NADH•H+只产生2.5 ATP。
（三）氧化磷酸化的偶联机制
化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis） ： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是 1961年由Peter Mitchell提出的化学渗 透学说。
4 4
CuB+ CuB2+
细胞色素氧化酶（复合物 IV）
Heme a3 and CuB form a binuclear Fe-Cu center
The binuclear center of CuA. Cu+1Cu+1——Cu+1.5Cu+1.5
（二）呼吸链组分的排列顺序
• 通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序： ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 特异抑制剂阻断 ④ 还原状态呼吸链缓慢给氧 （根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检 测）
铁硫蛋白 铁硫蛋白 • 铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同 工蛋白；分子中含有由半 胱氨酸残基硫原子及无机 硫原子与铁离子形成铁硫 中心（铁硫簇），一次可 传递一个电子至CoQ。
铁硫中心的结构 铁硫中心的结构
S
无机硫
S
半胱氨酸硫
铁硫蛋白中辅基铁硫簇 (Fe-S)含有等量铁原子 和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传 递电子。
4．复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：
Cyt a + Cyt a3 + Cu 呼吸链的最后一 步 ， 把 cyt c 的 电 子转移给O2还原生 成H2O
还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuB → O2
复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA， CuB）。Cyt a与CuA相配合，cyt a3与CuB相配合，当 电子传递时，细胞色素的 Fe3+ 和 Fe2+ 间循环，同时 Cu2+ 和 Cu+间循环，将电子从cyt c直接传递给O2。
1948年，Eugene Kennedy和Albert Lehninger发现， 线粒体（内膜）是真核生物氧化磷酸化的场所，开始 了生物能传导的新世代。
Albert Lehninger
线粒体结构特点
外膜：小分子和离子可自由
透过
内膜：大多数小分子及离子 不能自由透过（包括H+）
内膜上含有呼吸链和 ATP 合 酶。
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
氧化还原对
Eº' (V) -0.32 -0.30 -0.06 0.04（或0.10） 0.07 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82
e EO’（大）
NAD+/NADH+H+ FMN/ FMNH2 FAD/ FADH2 Cyt b Fe3+/Fe2+ Q10/Q10H2 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ Cyt c Fe3+/Fe2+ Cyt a Fe3+ / Fe2+ Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 1/2 O2/ H2O