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+CO2 CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+ NADH+H+ CoASH
例,
+CO2 H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶 CH
2-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 =Δ H-TΔ S
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,
Δ G<0,反应能自发进行
Δ G>0,反应不能自发进行
Δ G=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,Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
Δ G° ′ = - 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,Δ G° ′= - nFΔ E° ′
(Δ E° ′=E +° ′ -E-° ′)
例,计算 NADH氧化反应的 Δ G° ′
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,
Δ G° ′ = - RTlnKeq
=-2.303?8.314 ? 311 ? log19
=-7.6KJ.mol-1
Δ G′ =Δ G° ′ + RTlnQc (Qc-浓度商 )
=-7.6+ 2.303?8.314 ? 311 ? log0.1
=-13.6KJ.MOL-1
未达平衡时 =Qc=0.1
反应 G-1-P?G-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 Δ G° ′
NADH+H++1/2O
2====NAD++H2O
正极反应,1/2O2+2H++2e ? H2O
E+° ′ ? 0.82
负极反应,NAD++H++2e ? NADH
E-° ′ ? -0.3
Δ G° ′ ?-nFΔ E° ′
? ? -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 。







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 ( Δ G° ′ =-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
ATP3- + H2O = ADP2- + Pi3- + 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
1
2 O2
O2-
MH2
还原型代
谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c- c1 -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
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
H2O
延胡索酸
NADH呼吸链和 FADH2呼吸链
FADH2

FeS

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc 1→Cytc→Cytaa 3→O 2
NADH呼吸链
FADH2呼吸链













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
Δ G° ′ =-nFΔ E° ′
=-2× 96.5× [0.82-(-0.32)]
=-220.07千焦 ·mol-1
总反应, FADH2+1/2O2→FAD+H 2O
ΔG° ′=-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
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 1 2
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 1 2
2e-
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
FAD FADH2
NADH?FMN ?CoQ ?b ?c1 ?c ?aa3 ?O2
NADH NAD+
线




(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

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+




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




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





H2O
2e-
+ + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _
质子流
线粒体内膜
磷酸化
氧化
ATPase的旋转催化模型
??
?
III
?
?
IV
II I
定子 转子
旋转催化理论认为
质子流通过 Fo引起亚
基 III 寡聚体和 ?及 ?亚
基一起转动,这种旋转
配置 ? /?亚基之间的不
对称的相互作用,引起
催化位点性质的转变,
?亚基的中心 ? -螺旋被
认为是转子,亚基 I和 II
与 ?亚基组合在一起组
成定子,它压住 ? /?异
质六聚体,
ADP+Pi
Proten
Flux
H2O H+
ATP酶作用机理







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




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





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