第八章 電子傳遞與氧化磷酸化

§8-1生物氧化概述§8-2線粒體的結(jié)構(gòu)與功能§8-3電子傳遞鏈§8-4氧化磷酸化§8-5線粒體外NADH2的氧化第八章電子傳遞與氧化磷酸化[主要內(nèi)容]本章重點、難點重點:（1）呼吸鏈的概念及其組成，常見的電子傳遞抑制劑的作用部位。（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑，磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比。難點:氧化磷酸化的偶聯(lián)機制：化學滲透學說，ATP合酶的旋轉(zhuǎn)催化理論。

一、生物氧化的概念和特點二、生物氧化過程中CO2的生成三、生物氧化過程中H2O的生成四、有機物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段第一節(jié)生物氧化概述(P171)（一）生物氧化的概念概念：糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程，稱為生物氧化。（biologicaloxidation）。實質(zhì)：需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程，又稱為細胞呼吸。一、生物氧化的概念和特點返回1.反應(yīng)由酶催化，反應(yīng)條件溫和；2.反應(yīng)分步進行，順序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化學能的方式儲存于ATP中，能量利用率高。注：真核細胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進行，在不含線粒體的原核細胞中，生物氧化在細胞膜上進行。（二）生物氧化的特點二、生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。類型：分為單純脫羧和氧化脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R三、H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2

O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO2-2H+脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位。

四、生物氧化的三

個階段第二節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)與功能(P179)

線粒體的結(jié)構(gòu)特點

線粒體有兩層膜。中間有膜間隙。1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白質(zhì)含有線粒體孔道蛋白,外膜的主要功能：保持線粒體的形態(tài)2.內(nèi)膜:含有許多生物活性蛋白質(zhì)，包括電子傳遞鏈和氧化磷酸化的有關(guān)組分及許多轉(zhuǎn)運蛋白，是線粒體功能的主要承擔者.內(nèi)膜形成了許多向內(nèi)褶疊的嵴，嵴的存在大大增加了內(nèi)膜的面積，擴大了它產(chǎn)生ATP的能力。3.基質(zhì)(matrix)：在嵴和嵴之間構(gòu)成分隔的區(qū)室，內(nèi)部充滿膠狀的基質(zhì),基質(zhì)內(nèi)含有大量的酶及線粒體DNA和核糖體線粒體是生物氧化的發(fā)生場所

線粒體的功能

線粒體普遍存在于動植物細胞內(nèi)，是需氧細胞產(chǎn)生ATP的主要部位。真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化都是在細胞的線粒體內(nèi)膜發(fā)生的。第三節(jié)電子傳遞鏈（P180）定義:線粒體基質(zhì)是底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由遞氫體和遞電子體按一定順序排列構(gòu)成的電子傳遞系統(tǒng)稱為電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。一、呼吸鏈的種類返回二.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(2)NADH-Q還原酶(復合物Ⅰ）(3)鐵硫蛋白(4)輔酶Q(5)細胞色素還原酶(復合物Ⅲ）(6)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）(7)琥珀酸-Q還原酶復合物(復合物Ⅱ

）呼吸鏈由一系列的遞氫體和遞電子體組成。返回(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+OR(1)NAD+或NADP+(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶將底物上的兩個氫原子激活脫下，其中一個氫原子以氫陰離子(hydrideion)(H-)的形式轉(zhuǎn)移到NAD+或NADP+上，另外一個則以氫離子(H+)形式游離到溶液中。每一個氫陰離子(H-)攜帶著兩個電子，即

NAD++2e-+2H+

NADH+H+

NADP++2e-+2H+

NADPH+H+大多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶，所以NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）

NADH-Q還原酶是一個大的蛋白質(zhì)復合體，以FMN和鐵-硫聚簇（Fe-S）為輔基，以輔酶Q為輔酶，由輔基或輔酶負責傳遞電子和氫。

以FMN或FAD為輔基的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱黃素蛋白。

FMN通過氧化還原變化可接收NADH+H+的氫以及電子。

FMN(FAD)+2H

FAD(FMN)H2

NADH-Q還原酶先與(NADH+H+)結(jié)合并將(NADH+H+)上的兩個氫轉(zhuǎn)移到FMN輔基上，電子經(jīng)鐵硫蛋白的鐵硫中心傳遞給輔酶Q。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+鐵硫蛋白復合物CoQee(3)鐵硫蛋白含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子,Fe和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成鐵硫中心（鐵硫聚簇），F(xiàn)e通過蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。稱為鐵硫蛋白（非血紅素鐵蛋白）。一次可傳遞一個電子至CoQ。鐵硫聚簇借Fe2+和

Fe3+的互變傳遞電子，每次傳遞一個電子.(Fe3+

Fe2+)

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-+e-(4)輔酶Q(泛醌,CoQ，是許多酶的輔酶)輔酶Q（泛醌,CoQ,Q）是電子傳遞鏈中的唯一的一種非蛋白質(zhì)組分，功能基團是苯醌，在電子傳遞過程中可在醌型（氧化型）與氫醌型（還原型）之間相互轉(zhuǎn)變。NADH和FADH2上的H和電子都必須經(jīng)過輔酶Q最終傳遞到氧分子，因此，它是電子傳遞鏈的中心和電子集中點。細胞色素類(cytochrome,cyt）

是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)，鐵原子處于卟啉的結(jié)構(gòu)中心，構(gòu)成血紅素。細胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2的專一酶類。

高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素,b、c、c1、a、a3等。細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子(細胞色素為單電子傳遞體)。(5)細胞色素C還原酶（細胞色素bc1復合體，即復合物Ⅲ）

含有兩種細胞色素（細胞色素b、細胞色素c1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細胞色素bc1復合體的作用是將電子從QH2轉(zhuǎn)移到細胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc1（6）細胞色素C細胞色素C是唯一能溶于水的、可被分離出來的獨立蛋白質(zhì)成分，在復合體III和Ⅳ之間傳遞電子（細胞色素C交互地與細胞色素還原酶的C1以及細胞色素氧化酶接觸）.

(7)細胞色素C氧化酶(復合物Ⅳ）

由cyt.a和a3

組成。復合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個銅原子（CuA，CuB）。cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當電子傳遞時，在細胞色素的Fe3+Fe2+間循環(huán)，同時在Cu2+Cu+間循環(huán)，將電子直接傳遞給O2,也叫末端氧化酶。(8)琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）

琥珀酸脫氫酶也是此復合體的一部分，其輔基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。*泛醌和Cytc不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體呼吸鏈的種類和組成⑴NADH呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸(FADH2)呼吸鏈琥珀酸→復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合體I復合物IIINADH脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈

氧化還原電位由低高★E0’越低，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越高，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。

★當電子從E0’值低的物質(zhì)傳到E0’值高的物質(zhì)時，伴隨著自由能的降低，即釋放能量:

△G0’=－nF△E0’

=－nF

（E0’受體－E0’供體）

其中：n是轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。呼吸鏈各組分的排列順序呼吸鏈中電子流動方向與ATP的生成FADH22e-NADH三.電子傳遞抑制劑(P184)

返回

凡能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質(zhì)，稱為呼吸鏈電子傳遞抑制劑.琥珀酸FANAD+FMNCoQbc1caa3O2魚藤酮安密妥殺粉蝶菌素抗霉素AH2SCOCNN3D魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：阻斷電子從NADH到輔酶Q傳遞；

抗霉素A：阻斷細胞色素b到c1之間的電子傳遞;

氰化物、疊氮化物、硫化氫、一氧化碳：阻斷電子從細胞色素aa3到氧的傳遞。各種抑制劑的作用位點第四節(jié)、氧化磷酸化作用

一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式

二、氧化磷酸化的作用機制

三、磷氧比值五、氧化磷酸化的調(diào)控四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制返回1、概念：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的過程，由于代謝物的氧化反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)進行，故稱為氧化磷酸化。呼吸鏈AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯(lián)H2O一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式AH2A2HRCOOHCO2+RHE代謝物氧化產(chǎn)物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸鏈線粒體胞液2、ATP的生成方式2)氧化（電子傳遞水平）磷酸化1)底物水平磷酸化返回(1)底物水平磷酸化

定義：由底物分子因脫氫或脫水而使分子內(nèi)部能量分配產(chǎn)生的高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），在激酶作用下將高能鍵上的鍵能直接轉(zhuǎn)移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應(yīng)，稱為底物水平磷酸化。每次底物磷酸化產(chǎn)生一個ATP

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP（2）丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP（3）琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP3-磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)（1）實驗證明，電子由NADH到氧的傳遞過程中，ATP是在三個不連續(xù)的部位生成的:部位I是在NADH和輔酶Q之間；部位II是在輔酶Q和細胞色素c之間；部位III是在細胞色素aa3和氧之間。（2）自由能變化與ATP的生成部位合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。FAD↓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在NADH氧化過程中：有三個反應(yīng)的G’<-30.5kJ/molFMNH2

QG’-55.6kJ/molcyt.bcyt.c-34.7kJ/molcyt.aa3

O2-102.1kJ/mol這三個反應(yīng)分別與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)。這些部位稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。二、氧化磷酸化的作用機制1953年EdwardSlater化學偶聯(lián)假說1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說1961年P(guān)eterMitchell化學滲透假說（1978年獲諾貝爾化學獎）內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈

電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學梯度，這個梯度的電化學勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成。(一)化學滲透假說

(chemiosmotichypothasis)化學滲透假說的基本要點：該學說認為線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈是一個質(zhì)子泵，在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，驅(qū)動線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)（基質(zhì)側(cè)）的H+遷移到內(nèi)膜外側(cè)（膜間空間），這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度(pH)和跨膜電位梯度（）；當質(zhì)子順濃度梯度回流到基質(zhì)側(cè)時，這種跨膜的梯度差形成的質(zhì)子驅(qū)動力被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，使ADP磷酸化成ATP?；瘜W滲透學說的關(guān)鍵：電子傳遞與ATP的合成是通過跨膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。

化學滲透學說質(zhì)子梯度的形成ATP酶如何利用質(zhì)子推動力催化ADP+Pi合成ATP?Boyer創(chuàng)立“結(jié)合變化學說”，后得到Walker的研究證實，二人獲得1997年諾貝爾化學獎。嵌于線粒體內(nèi)膜上，由親水部分F1(33亞基)和疏水部F0(a1b2c9~12亞基)組成。其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。膜間腔基質(zhì)ATP合酶(F0F1ATP合酶)的結(jié)構(gòu)(p187):H+通道

英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學獎。

美國科學家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出結(jié)合變化學說，認為ATP合酶β亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。結(jié)合變化學說的要點當質(zhì)子推動力驅(qū)使H+經(jīng)F0質(zhì)子通道流回基質(zhì)時，F(xiàn)1組分因質(zhì)子化而發(fā)生構(gòu)象的改變，從而推動ATP合酶旋轉(zhuǎn)至一種特殊構(gòu)象，使得與ATP合酶緊密結(jié)合的ATP被釋放。（二）ATP合酶的結(jié)合變化學說(p189)(bindingchangehypothesis)ATP合酶作用機理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有利于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象有利于ADP與Pi生成的構(gòu)象有利于ATP釋放的構(gòu)象三、磷氧比值（P/O）

P/O值：是指某物質(zhì)氧化時每消耗1mol氧所消耗無機磷的mol數(shù)，即產(chǎn)生的ATP的mol數(shù)。實質(zhì)：每消耗1mol氧原子所產(chǎn)生的ATP的mol數(shù)。兩類呼吸鏈的磷氧比（真核細胞）：NADH呼吸鏈：3（產(chǎn)生3分子ATP）FADH2呼吸鏈：2（產(chǎn)生2分子ATP）返回

四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制

用特殊的試劑可將氧化磷酸化過程分解成若干個反應(yīng)，是研究氧化磷酸化中間步驟的有效方法。根據(jù)試劑的影響方式可分成三大類：解偶聯(lián)劑氧化磷酸化抑制劑離子載體抑制劑（1）解偶聯(lián)劑（Uncouplers)這類試劑的作用是使電子傳遞和ATP形成兩個過程分離，失掉它們的緊密聯(lián)系，它只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮堋５湫偷慕馀悸?lián)試劑是2,4—二硝基苯酚(2,4—dinitrophenol，DNP)。

2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外解偶聯(lián)試劑的作用機理在pH7的環(huán)境下，DNP以脂不溶性的解離態(tài)存在，不能透過線粒體膜；而在酸性環(huán)境中，DNP接受質(zhì)子后成為不解離的形式而變?yōu)橹苄?，從而容易地透過膜，同時將一個質(zhì)子帶入膜內(nèi)。解偶聯(lián)試劑使內(nèi)膜對H+的通透性增加，將其帶到H+濃度低的一邊。這樣就破壞了跨膜H+梯度的形成。這種由破壞H+梯度而引起解偶聯(lián)現(xiàn)象的試劑又稱為質(zhì)子載體。新生兒或新生動物，冬眠的動物褐色脂肪組織生熱蛋白（解偶聯(lián)蛋白，UCP）提供質(zhì)子返回基質(zhì)的通道質(zhì)子不通過F1F0-ATP酶，氧化散熱，維