第 24章 生物氧化 —— 电子传
递和氧化磷酸化作用
(Biological oxidation ——
electron transport and oxidative
phosphorylation)
一、氧化－还原电势
二、电子传递和氧化呼吸链
三、氧化磷酸化作用
一、氧化－还原电势
能斯特方程
b
a
n
nF
RT
EE
][
][
ln0
电子供体
电子受体
??
两个电极组成电池的电动势
负极正极 EE ???
F,法拉弟常数 96.5 kj/V·mol
反应物和产物浓度与电动势的关系式
对于一个氧化还原反应 aAr + bBo cAo + dBr
a
c
d
b
AB Ar
Ao
nF
RT
Br
Bo
nF
RTEE
][
][ln
][
][ln
00 ?????
cd
ab
AoBr
ArBo
nF
RTE
][][
][][ln
0 ????
ab
cd
ArBo
AoBr
nF
RTE
][][
][][ln
0 ???? K e qnF
RTE ln
0 ??
氧化还原反应的 ε 判据
对于氧化还原反应来说, 反应可以自
发进行, 是反应进行的限度 。
如果已知两个氧还电对的标准电极电势, 可
以根据 ΔG0’=－ nFΔE0’计算 出该反应的标准自由
能变化值 。
0??
0??
二、电子传递和氧化磷酸化
柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅
酶, 包括 NADH和 FADH2,将其携带的电子经过电
子传递, 最终交给分子 O2,形成 H2O。 在电子传递
过程中释放出大量的自由能, 这些自由能被用来推
动 ATP的合成 。 在 呼吸电子传递链中, 总反应式为
NADH + H+ + 1/2 O2 → NAD+ +H2O
ΔG0’= － 220.07 kj/mol
FADH2 + 1/2 O2 → FAD +H2O
ΔG0’= － 181.58 kj/mol
线粒体结构图
柠檬酸循环在线粒体基质中进行, 电子传递
和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行 。
还原型辅酶中的能量
在糖酵解和柠檬酸循环中, 1分子葡萄糖完
全氧化可以生成 10个 NADH和 2个 FADH2,它们
氧化后可以释放出的自由能为
kj/mol
1 分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为
2870.23 kj/mol
还原型辅酶中贮存的能量比例为
（ 2563.86/2870.23） × 100% = 89.3%
86.2 5 6 358.1 8 1207.2 2 010 ????
电子传递的方向
在电子传递链中, 有一系列电子传递体, 这
些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位
决定的 。 电子由 电极电位低的氧还电对 中的还原
态电子传递体传向 电极电位高的氧还电对 中的氧
化态电子传递体 。
电子传递形成跨膜的 质子梯度
在电子传递过程中, 还 伴随有 H+从线粒体
内膜的基质侧, 向内膜的外侧运输, 结果造成
跨线粒体内膜的质子梯度, 这样在膜内外既造
成质子的浓度梯度, 又造成电势梯度, 这种电
化学势梯度贮存有能量, 当质子由膜的外侧向
内侧运动时, 推动 ATP合成 。
电子传递链
呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组成,
在线粒体内膜上有 4种参与电子传递的蛋白质复
合体, 分别为
NADH－ Q还原酶 （ NADH-Q reductase）
琥珀酸－ Q还原酶 （ succinate-Q reductase）
细胞色素还原酶 （ cytochrome reductase）
细胞色素氧化酶 （ cytochrome oxidase）
电
子
传
递
链
标
准
氧
还
电
势
、
自
由
能
变
化
和AT
P
形
成
部
位
示
意
图
上半图
下半图
Protein Complexes of the Mitochondrial
Electron-Transport Chain
Complex Mass (kD) Sub-units Prosthetic Group Binding Site for,
NADH-UQ
reductase 850 >30
FMN
Fe-S
NADH(matrix side)
UQ(lipid core)
Succinate-UQ
reductase 140 4
FAD
Fe-S
Succinate(matrix side)
UQ(lipid core)
UQ-Cyt c
reductase 248 11
Heme bL
Heme bH
Heme c1
Fe-S
Cyt c (intermembrane
space side)
Cytochrome c
oxidase 162 >10
Heme a
Heme a3
CuA
CuB
Cyt c (intermembrane
space side)
电子传递链各个成员
1.NADH－ Q还原酶
NADH－ Q还原酶又称为 NADH脱氢酶, 简
称为复合体 Ⅰ 。 该酶含有 FMN辅基和 Fe-S聚簇,
催化反应时, 先将 NADH的电子传递到 FMN上,
再传给 Fe-S聚簇, 最后传给辅酶 Q。 Fe-S聚簇有
几种类型, 含有 Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋
白, 又称为非血红素铁蛋白 。 Fe-S聚簇通过其
中的 Fe2+和 Fe3+的变化来传递电子 。
三种类型的 Fe-S cluster
Fe Fe2-S2 Fe4-S4
半胱氨酸的巯基硫
NADH-Q还原酶
催化的电子传递
每传递 2个电子, 可
驱动 4个 H+从膜内侧
运到膜外侧 。
电子传递链各个成员
2.辅酶 Q
辅酶 Q （ Coenzyme Q ） 又称泛醌
（ ubiquinone）, 有时简称为 Q或 UQ,是一种脂溶
性物质, 它可以接受 1个电子还原成半醌中间体, 再
接受 1个电子还原成对苯二酚形式 。 由于其脂溶性强,
可以在线粒体内膜中扩散 。 它有一个长长的碳氢侧
链, 哺乳动物中最常见的是具有 10个异戊二烯单位
的侧链, 简写为 Q10,在非哺乳动物中这个侧链可能
只有 6~8个异戊二烯单位 。
辅酶 Q的结构和氧化还
原态
辅酶 Q的 space-filling模型
电子传递链各个成员
3.琥珀酸－ Q还原酶
琥珀酸－ Q还原酶又称为复合体 Ⅱ, 完整
的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶, 琥
珀酸氧化为延胡索酸时脱下的氢还原了 FAD，
FADH2将电子传递给琥珀酸－ Q还原酶的 Fe-S
聚簇, 再传递给辅酶 Q。
琥珀酸 － Q还原酶催化的电子传递
电子传递链各个成员
4.细胞色素还原酶
细胞色素还原酶又称复合体 Ⅲ, 辅酶 Q－
细胞色素 c还原酶 。 它的作用是将还原型辅酶
Q的电子传递给细胞色素 c。 细胞色素还原酶
中含有细胞色素 b,也含有 2Fe-2S聚簇 。
细胞色素 （ cytochrome)
细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋
白质的总称 。 还原型细胞色素具有明显的可见光吸
收, 可以看到 α,β和 γ三个吸收峰, 其中 α峰的波长
随细胞色素种类的不同而各有特异的变化, 可用来
区分不同的细胞色素 。 氧化型细胞色素在可见光区
看不到吸收峰 。 细胞色素中的血红素有三种, 分别
称为细胞色素 a,b和 c,同一种细胞色素血红素因结
合的蛋白质不同, 其 α吸收峰的波长会发生小的变化,
如细胞色素还原酶中含有的细胞色素 b就分为 bH
（ b562） 和 bL（ b566） 两种 。
B型和 C型血红素的结构
b型血红素 c型血红素
还原型细胞色素 c的光吸收峰
几种细胞色素的最大吸收峰
波长 /nm
细胞色素 α β γ
a 600 439
bL 566
bH 562 532 429
c 550 521 415
c1 554 524 418
细胞色素还原酶催化的电子传递
前半个 Q循环，运出去 2个质子。
细胞色素还原酶催化的电子传递
后半个 Q循环，运出去 2个质子。
电子传递链各个成员
细胞色素 c是一个分子量 13000的单链球形
蛋白质, 直径 3.4nm,由 104个氨基酸残基组成,
含有一个血红素辅基 。 它是唯一能溶于水的细
胞色素, 并且是了解最为透彻的蛋白质之一 。
5.细胞色素 c
细胞色素 c 的三维结构
电子传递链各个成员
细胞色素氧化酶又称为复合体 Ⅳ, 细
胞色素 c氧化酶 。 它的作用是将还原型细胞
色素 c的电子传递给分子 O2,生成 H2O。
6.细胞色素氧化酶
细
胞
色
素
氧
化
酶
的
传
递
电
子
作
用
每传递 2个电子可
以运出 2个质子 。
氧与 a3及 CuB结合的
关系示意图
电子传递给氧生成水
电子传递的抑制效应
电子传递链中的抑制剂
三、氧化磷酸化作用
伴随着电子传递, ADP与 Pi合成 ATP
的过程称为氧化磷酸化作用 （ oxidative
phosphorylation） 。 相应地, 我们将在代
谢途径中由含磷酸的底物直接把磷酸基团
转到 ADP上形成 ATP,称为底物水平磷酸
化 。
P/O比
用组织匀浆以及组织切片做的实验表明, 组织
利用 O2的同时, ATP含量随之增加, 每消耗 1个 O
原子约合成 3个 ATP分子 。 这个比例称为 P/O比 。
P/O比又可以看作是一对电子通过呼吸电子传递链
传至 O2所产生的 ATP分子数 。 根据 P/O比为 3,人
们认为在电子传递链中, ATP是在 3个不连续的部
位生成的, 根据电子传递链中各环节释放的能量,
也确实有 3个部位释放的能量大于合成 ATP所需的
能量 。 FADH2进入电子传递链后的 P/O比为 2,说
明它绕过了 1个生成 ATP的部位 。
ATP的合成部位
线粒体内膜上有许多球形突起, 称为内膜球
体 （ inner membrane sphere） 。 这些球体通过一
个柄连接到内膜中的基座上, 我们把球体和柄合
称为 F1,基座称为 Fo,F1和 Fo合称复合体 Ⅴ 。 在
离体条件下, 这种复合体有水解 ATP的活性, 所
以开始称它为 ATP酶, 后来发现在完整的线粒体
中它的功能是合成 ATP,现在称它为 ATP合酶 。
亚线粒体的电镜照片
ATP合酶简图
ATP合酶重组实验
能量偶联假说 Ⅰ
（ 1） 化学偶联假说
化学偶联假说是 1953年 Edward Slater最先
提出来的 。 他认为电子传递过程中产生一种活
泼的高能共价中间物, 它随后的裂解驱动合成
ATP,就像底物水平磷酸化那样 。 但是在氧化
磷酸化中一直没有找到任何一种活泼的高能中
间产物 。
能量偶联假说 Ⅱ
（ 2） 构象偶联假说
这一假说是 1964年 Paul Boyer最先提出来的 。
他认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋
白质发生了构象变化, 形成一种高能态 。 通过
合成 ATP使蛋白质恢复到原来的构象 。 这一假
说至今也未能找到有力的实验证据 。 但是在
ATP的合成过程中仍可能包含有不同形式的构
象偶联现象 。
能量偶联假说 Ⅲ
（ 3） 化学渗透假说
这一假说是 1961年由英国生物化学家 Peter
Mithell最先提出的 。 他认为电子传递释放出的
自由能及 ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质
子梯度相偶联的 。 也就是说, 电子传递释放的
自由能驱动 H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜
间隙, 从而形成跨线粒体内膜的 H+电化学梯度 。
这个梯度的电化学势驱动 ATP合成 。
化
学
渗
透
假
说
的
原
理
图
化学渗透假说的实验证据
① 氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在 。
② 线粒体内膜对 H+,OH－, K+,Cl－ 等离子都
是不通透的 。
③ 破坏 H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸
化作用的进行 。
④ 线粒体内膜上的电子传递能够将 H+从基质运
输到膜间隙 。
⑤ 人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和 F1Fo
ATP合酶后, 在照光时有 ATP的合成 。
质
子
梯
度
驱
动
合
成
AT
P
的
实
验
证
明
细菌紫膜质
脂质小泡 线粒体 F1Fo
ATP合酶
Peter Mitchell
Peter Mitchell
因提出了化学渗透
假说而获得了 1978
年的诺贝尔化学奖 。
质子泵出是需能过程
一个质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的
自由能变化可以用下式表示
ΔG = 2.3RT [pH(膜内 )－ pH(膜外 )]＋ ZFΔΨ
式中, ΔΨ是膜电势, 即膜内外的电势差 。
ΔΨ= Ψ(膜外 )－ Ψ(膜内 )
质子转移的两种假设机制
（ 1） 氧化－还原回路机制
该机制由 Mitchell提出 。 他认为电子传递
链中有一些电子传递体既可以传递电子, 也可
以结合 H+,当它们被还原时, 在膜内侧结合
H+,而被氧化时, 在膜外侧释放 H+,这样就
把 H+从膜内运到了膜外 。
氧还－回路机制示意图
质子转移的两种假设机制
（ 2） 质子泵机制
这个机制的内容是, 电子传递导致复合
体构象的变化, 氨基酸残基在膜内侧结合 H+，
构象变化后在膜外侧释放 H+,从而把 H+从膜
内侧运到膜外 。
合成 ATP与跨膜质子
的数量关系
在生理条件下合成 1个 ATP所需的自由能
大约为 40～ 50kj/mol。 至少需要两个质子跨膜
回流释放的能量才够合成 1个 ATP。 因为转移
出膜外的质子有一部分漏回膜内, 测定的结果
表明, 每合成 1个 ATP需要泵出 2～ 3个质子 。
电子传递与质子泵出相偶联
线
粒
体
跨
内
膜
的
质
子
梯
度
F1和 Fo的亚基组成
F1由 5种肽链组成, α3β3γδε。 Fo由 3种疏水亚
基组成, a1b2c9-12。 Fo形成跨膜的管道, 质子通
过此管道流回到膜内侧时驱动 ATP合成 。 F1的 α、
β,γ,δ和 ε亚基分别由 510,482,272,146和 50
个氨基酸残基组成, F1的总分子量为 371kD。 α、
β亚基是同源的, 每一个亚基结合有 1个 ATP,催
化位点在 β亚基上, α亚基上 ATP结合位点的功能
还不清楚, 因为缺失这个位点并不影响 F1的活性 。
ATP合成与蛋白质构象变化
John Walker及其同事测定了 F1的结构, F1－
ATP合酶是一个不对称的结构, 3个 β亚基有 3种不
同的构象 。 Walker研究发现, 一个 β亚基 ATP结合
位点结合有 AMP-PNP（ 一种不能被水解的 ATP类
似物 ）, 另一个结合有 ADP,第三个位点是空的 。
这个发现与 Paul Boyer提出的关于 ATP合成的结合
变化机制 （ binding change mechanism） 相符, 结
合变化机制认为, 3个反应位点协调地依次通过
ATP合成的 3种中间状态进行循环 。
α 3β 3的不对称结构
侧面观 顶面观
分子马达
Fo的 c亚基排列成环, c亚基的构象是一对反
平行的跨膜螺旋, 在胞质溶胶侧由一个短的发卡
环连接 。 c亚基环形成一个转子 （ rotor）, 相对于
a亚基旋转, a亚基作为定子 （ stater）, a亚基由 5
个跨膜的 α 螺旋组成, 在膜的每一侧有质子流动
的通道 （ proton access channels） 。 γ 亚基将 F1和
Fo连接起来, 在 ATP 合成时 γ 亚基也相对于
(αβ)3复合体旋转 。 如果 γ 亚基固着在 c亚基转子
上, 它们就可以一起转动 。 b亚基有 1个跨膜片段
和 1个长的亲水头部, 完整的定子由 b亚基固着在 a
亚基的一端, 并通过 δ 亚基与 (αβ)3结合在一起 。
ATP合酶的结构和工作原理
Rotation of the g
subunit and the
ring of c subunits
in the FoF1 complex
was observed by
in vitro studies
using fluorescence
Microscopy (K,
Kinosita,1997)
Fluorescencetly
labeled
The world’s smallest
molecular motor,
rotational catalysis,
Rotation of the g subunit and the ring of c subunits in in the
FoF1 complex as directly observed by in vitro studies using
fluorescence microscopy,they rotate in 120-degree
increments,with each step consume one ATP; operation
efficiency near 100%,
质子从膜外侧返回内侧的通道
c转子每一个亚基上有一个重要的残基 Asp61，
将这个 Asp突变成 Asn将失去 ATP合酶活性 。 c转子
相对于定子的旋转可能依赖于 Asp61上负电荷的中
和 。 质子从 a亚基的胞质溶胶侧的通道进入, 质子化
Asp61,推动转子旋转, 直到到达 a亚基的基质侧质
子通道, Asp61上的质子再解离通过此通道进入膜
内侧 。 这样的旋转能够引起 γ亚基相对于 (αβ)3复合
体旋转, 导致 3个 β亚基依次发生构象变化 。
Model of the E,coli ATP synthase,
the proton gradient drives the
rotation of the c ring
using two half-channels
on the a subunit,
(3ATP made per 10-14
protons transported,
~3H+/ATP.)
ATP合酶的 β 亚基构象
循环变化与 ATP合成
ADP+Pi
ADP+Pi
Energy
Paul Boyer和 John Walker因
上述发现共享了 1997年的诺贝尔
化学奖 。
F1Fo ATP合酶的抑制剂
在 ATP合酶的柄部有一种寡霉素敏感性授予
蛋白 （ oligomycin-sensitivity-conferring protein，
OSCP）, 这种蛋白使复合体对寡霉素敏感, 使得
寡霉素抑制 ATP的合成 。 Fo的名称即来自于此 。
二环己基碳二亚胺 （ dicyclohexylcarbodi-
imide,DCCD） 能够修饰 Fo蛋白中某亚基的 Glu
残基, 导致抑制质子通过 Fo,这种能被 DCCD修
饰的蛋白又称为 DCCD－结合蛋白 。
氧化磷酸化的解偶联和抑制
1,解偶联剂 （ uncouplers）
解偶联剂的作用是将膜外侧的质子运到
膜内侧, 破坏质子梯度, 导致不能合成 ATP，
但不影响电子传递 。
氧化磷酸化的解偶联和抑制
2,氧化磷酸化抑制剂 （ inhibitors）
这类试剂的作用是既抑制 ATP的合成,
又抑制氧的利用, 但不直接抑制电子传递链
上的电子传递体 。 寡霉素就是属于这类抑制
剂,它 阻止 H+通过 Fo。
寡
霉
素
对
线
粒
体
氧
消
耗
的
抑
制
作
用
氧化磷酸化的解偶联和抑制
3,离子载体 （ ionophores）
这是一类脂溶性物质, 如缬氨霉素, 它
们能与除 H+外的其它一价阳离子结合, 从膜
外侧运到膜内侧, 破坏由质子梯度造成的电
势梯度, 从而抑制 ATP的合成 。
细胞溶胶内 NADH的再氧化
甘油 -3-磷酸
穿梭途径
细胞溶胶内 NADH的再氧化
苹果酸 -
天冬氨酸
穿梭途径
氧化磷酸化的调控
电子传递受可用底物量和 ADP量的调控 。 既
无可氧化的底物又无 ADP时为状态 Ⅰ, 加入 ADP
后为状态 Ⅱ （ 无可用的底物 ）, 加入底物后为状
态 Ⅲ, ADP用完后为状态 Ⅳ, 再加入 ADP后为状
态 Ⅲ, 氧耗尽后为状态 Ⅴ 。 状态 Ⅲ 的耗氧速率与
状态 Ⅳ 的耗氧速率之比为呼吸控制的定量表示法 。
线粒体呼吸的几种状态
呼吸控制值的意义
完整的线粒体其呼吸控制值可高达 10以上,
而受损伤或衰老的线粒体此比值可低至 1,这表
明电子传递已与 ATP的合成失去了偶联, 虽然电
子传递仍保持最大速度, 但失去了磷酸化作用 。
1分子葡萄糖彻底氧化
产生的 ATP数
当细胞溶胶中的 NADH通过甘油 -3-磷酸
穿梭途径进入电子传递链时, 为 30个 ATP；
当细胞溶胶中的 NADH通过苹果酸－天冬
氨酸穿梭途径进入电子传递链时, 为 32个 ATP。
详见 P142表 24-5
递和氧化磷酸化作用
(Biological oxidation ——
electron transport and oxidative
phosphorylation)
一、氧化－还原电势
二、电子传递和氧化呼吸链
三、氧化磷酸化作用
一、氧化－还原电势
能斯特方程
b
a
n
nF
RT
EE
][
][
ln0
电子供体
电子受体
??
两个电极组成电池的电动势
负极正极 EE ???
F,法拉弟常数 96.5 kj/V·mol
反应物和产物浓度与电动势的关系式
对于一个氧化还原反应 aAr + bBo cAo + dBr
a
c
d
b
AB Ar
Ao
nF
RT
Br
Bo
nF
RTEE
][
][ln
][
][ln
00 ?????
cd
ab
AoBr
ArBo
nF
RTE
][][
][][ln
0 ????
ab
cd
ArBo
AoBr
nF
RTE
][][
][][ln
0 ???? K e qnF
RTE ln
0 ??
氧化还原反应的 ε 判据
对于氧化还原反应来说, 反应可以自
发进行, 是反应进行的限度 。
如果已知两个氧还电对的标准电极电势, 可
以根据 ΔG0’=－ nFΔE0’计算 出该反应的标准自由
能变化值 。
0??
0??
二、电子传递和氧化磷酸化
柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅
酶, 包括 NADH和 FADH2,将其携带的电子经过电
子传递, 最终交给分子 O2,形成 H2O。 在电子传递
过程中释放出大量的自由能, 这些自由能被用来推
动 ATP的合成 。 在 呼吸电子传递链中, 总反应式为
NADH + H+ + 1/2 O2 → NAD+ +H2O
ΔG0’= － 220.07 kj/mol
FADH2 + 1/2 O2 → FAD +H2O
ΔG0’= － 181.58 kj/mol
线粒体结构图
柠檬酸循环在线粒体基质中进行, 电子传递
和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行 。
还原型辅酶中的能量
在糖酵解和柠檬酸循环中, 1分子葡萄糖完
全氧化可以生成 10个 NADH和 2个 FADH2,它们
氧化后可以释放出的自由能为
kj/mol
1 分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为
2870.23 kj/mol
还原型辅酶中贮存的能量比例为
（ 2563.86/2870.23） × 100% = 89.3%
86.2 5 6 358.1 8 1207.2 2 010 ????
电子传递的方向
在电子传递链中, 有一系列电子传递体, 这
些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位
决定的 。 电子由 电极电位低的氧还电对 中的还原
态电子传递体传向 电极电位高的氧还电对 中的氧
化态电子传递体 。
电子传递形成跨膜的 质子梯度
在电子传递过程中, 还 伴随有 H+从线粒体
内膜的基质侧, 向内膜的外侧运输, 结果造成
跨线粒体内膜的质子梯度, 这样在膜内外既造
成质子的浓度梯度, 又造成电势梯度, 这种电
化学势梯度贮存有能量, 当质子由膜的外侧向
内侧运动时, 推动 ATP合成 。
电子传递链
呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组成,
在线粒体内膜上有 4种参与电子传递的蛋白质复
合体, 分别为
NADH－ Q还原酶 （ NADH-Q reductase）
琥珀酸－ Q还原酶 （ succinate-Q reductase）
细胞色素还原酶 （ cytochrome reductase）
细胞色素氧化酶 （ cytochrome oxidase）
电
子
传
递
链
标
准
氧
还
电
势
、
自
由
能
变
化
和AT
P
形
成
部
位
示
意
图
上半图
下半图
Protein Complexes of the Mitochondrial
Electron-Transport Chain
Complex Mass (kD) Sub-units Prosthetic Group Binding Site for,
NADH-UQ
reductase 850 >30
FMN
Fe-S
NADH(matrix side)
UQ(lipid core)
Succinate-UQ
reductase 140 4
FAD
Fe-S
Succinate(matrix side)
UQ(lipid core)
UQ-Cyt c
reductase 248 11
Heme bL
Heme bH
Heme c1
Fe-S
Cyt c (intermembrane
space side)
Cytochrome c
oxidase 162 >10
Heme a
Heme a3
CuA
CuB
Cyt c (intermembrane
space side)
电子传递链各个成员
1.NADH－ Q还原酶
NADH－ Q还原酶又称为 NADH脱氢酶, 简
称为复合体 Ⅰ 。 该酶含有 FMN辅基和 Fe-S聚簇,
催化反应时, 先将 NADH的电子传递到 FMN上,
再传给 Fe-S聚簇, 最后传给辅酶 Q。 Fe-S聚簇有
几种类型, 含有 Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋
白, 又称为非血红素铁蛋白 。 Fe-S聚簇通过其
中的 Fe2+和 Fe3+的变化来传递电子 。
三种类型的 Fe-S cluster
Fe Fe2-S2 Fe4-S4
半胱氨酸的巯基硫
NADH-Q还原酶
催化的电子传递
每传递 2个电子, 可
驱动 4个 H+从膜内侧
运到膜外侧 。
电子传递链各个成员
2.辅酶 Q
辅酶 Q （ Coenzyme Q ） 又称泛醌
（ ubiquinone）, 有时简称为 Q或 UQ,是一种脂溶
性物质, 它可以接受 1个电子还原成半醌中间体, 再
接受 1个电子还原成对苯二酚形式 。 由于其脂溶性强,
可以在线粒体内膜中扩散 。 它有一个长长的碳氢侧
链, 哺乳动物中最常见的是具有 10个异戊二烯单位
的侧链, 简写为 Q10,在非哺乳动物中这个侧链可能
只有 6~8个异戊二烯单位 。
辅酶 Q的结构和氧化还
原态
辅酶 Q的 space-filling模型
电子传递链各个成员
3.琥珀酸－ Q还原酶
琥珀酸－ Q还原酶又称为复合体 Ⅱ, 完整
的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶, 琥
珀酸氧化为延胡索酸时脱下的氢还原了 FAD，
FADH2将电子传递给琥珀酸－ Q还原酶的 Fe-S
聚簇, 再传递给辅酶 Q。
琥珀酸 － Q还原酶催化的电子传递
电子传递链各个成员
4.细胞色素还原酶
细胞色素还原酶又称复合体 Ⅲ, 辅酶 Q－
细胞色素 c还原酶 。 它的作用是将还原型辅酶
Q的电子传递给细胞色素 c。 细胞色素还原酶
中含有细胞色素 b,也含有 2Fe-2S聚簇 。
细胞色素 （ cytochrome)
细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋
白质的总称 。 还原型细胞色素具有明显的可见光吸
收, 可以看到 α,β和 γ三个吸收峰, 其中 α峰的波长
随细胞色素种类的不同而各有特异的变化, 可用来
区分不同的细胞色素 。 氧化型细胞色素在可见光区
看不到吸收峰 。 细胞色素中的血红素有三种, 分别
称为细胞色素 a,b和 c,同一种细胞色素血红素因结
合的蛋白质不同, 其 α吸收峰的波长会发生小的变化,
如细胞色素还原酶中含有的细胞色素 b就分为 bH
（ b562） 和 bL（ b566） 两种 。
B型和 C型血红素的结构
b型血红素 c型血红素
还原型细胞色素 c的光吸收峰
几种细胞色素的最大吸收峰
波长 /nm
细胞色素 α β γ
a 600 439
bL 566
bH 562 532 429
c 550 521 415
c1 554 524 418
细胞色素还原酶催化的电子传递
前半个 Q循环，运出去 2个质子。
细胞色素还原酶催化的电子传递
后半个 Q循环，运出去 2个质子。
电子传递链各个成员
细胞色素 c是一个分子量 13000的单链球形
蛋白质, 直径 3.4nm,由 104个氨基酸残基组成,
含有一个血红素辅基 。 它是唯一能溶于水的细
胞色素, 并且是了解最为透彻的蛋白质之一 。
5.细胞色素 c
细胞色素 c 的三维结构
电子传递链各个成员
细胞色素氧化酶又称为复合体 Ⅳ, 细
胞色素 c氧化酶 。 它的作用是将还原型细胞
色素 c的电子传递给分子 O2,生成 H2O。
6.细胞色素氧化酶
细
胞
色
素
氧
化
酶
的
传
递
电
子
作
用
每传递 2个电子可
以运出 2个质子 。
氧与 a3及 CuB结合的
关系示意图
电子传递给氧生成水
电子传递的抑制效应
电子传递链中的抑制剂
三、氧化磷酸化作用
伴随着电子传递, ADP与 Pi合成 ATP
的过程称为氧化磷酸化作用 （ oxidative
phosphorylation） 。 相应地, 我们将在代
谢途径中由含磷酸的底物直接把磷酸基团
转到 ADP上形成 ATP,称为底物水平磷酸
化 。
P/O比
用组织匀浆以及组织切片做的实验表明, 组织
利用 O2的同时, ATP含量随之增加, 每消耗 1个 O
原子约合成 3个 ATP分子 。 这个比例称为 P/O比 。
P/O比又可以看作是一对电子通过呼吸电子传递链
传至 O2所产生的 ATP分子数 。 根据 P/O比为 3,人
们认为在电子传递链中, ATP是在 3个不连续的部
位生成的, 根据电子传递链中各环节释放的能量,
也确实有 3个部位释放的能量大于合成 ATP所需的
能量 。 FADH2进入电子传递链后的 P/O比为 2,说
明它绕过了 1个生成 ATP的部位 。
ATP的合成部位
线粒体内膜上有许多球形突起, 称为内膜球
体 （ inner membrane sphere） 。 这些球体通过一
个柄连接到内膜中的基座上, 我们把球体和柄合
称为 F1,基座称为 Fo,F1和 Fo合称复合体 Ⅴ 。 在
离体条件下, 这种复合体有水解 ATP的活性, 所
以开始称它为 ATP酶, 后来发现在完整的线粒体
中它的功能是合成 ATP,现在称它为 ATP合酶 。
亚线粒体的电镜照片
ATP合酶简图
ATP合酶重组实验
能量偶联假说 Ⅰ
（ 1） 化学偶联假说
化学偶联假说是 1953年 Edward Slater最先
提出来的 。 他认为电子传递过程中产生一种活
泼的高能共价中间物, 它随后的裂解驱动合成
ATP,就像底物水平磷酸化那样 。 但是在氧化
磷酸化中一直没有找到任何一种活泼的高能中
间产物 。
能量偶联假说 Ⅱ
（ 2） 构象偶联假说
这一假说是 1964年 Paul Boyer最先提出来的 。
他认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋
白质发生了构象变化, 形成一种高能态 。 通过
合成 ATP使蛋白质恢复到原来的构象 。 这一假
说至今也未能找到有力的实验证据 。 但是在
ATP的合成过程中仍可能包含有不同形式的构
象偶联现象 。
能量偶联假说 Ⅲ
（ 3） 化学渗透假说
这一假说是 1961年由英国生物化学家 Peter
Mithell最先提出的 。 他认为电子传递释放出的
自由能及 ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质
子梯度相偶联的 。 也就是说, 电子传递释放的
自由能驱动 H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜
间隙, 从而形成跨线粒体内膜的 H+电化学梯度 。
这个梯度的电化学势驱动 ATP合成 。
化
学
渗
透
假
说
的
原
理
图
化学渗透假说的实验证据
① 氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在 。
② 线粒体内膜对 H+,OH－, K+,Cl－ 等离子都
是不通透的 。
③ 破坏 H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸
化作用的进行 。
④ 线粒体内膜上的电子传递能够将 H+从基质运
输到膜间隙 。
⑤ 人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和 F1Fo
ATP合酶后, 在照光时有 ATP的合成 。
质
子
梯
度
驱
动
合
成
AT
P
的
实
验
证
明
细菌紫膜质
脂质小泡 线粒体 F1Fo
ATP合酶
Peter Mitchell
Peter Mitchell
因提出了化学渗透
假说而获得了 1978
年的诺贝尔化学奖 。
质子泵出是需能过程
一个质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的
自由能变化可以用下式表示
ΔG = 2.3RT [pH(膜内 )－ pH(膜外 )]＋ ZFΔΨ
式中, ΔΨ是膜电势, 即膜内外的电势差 。
ΔΨ= Ψ(膜外 )－ Ψ(膜内 )
质子转移的两种假设机制
（ 1） 氧化－还原回路机制
该机制由 Mitchell提出 。 他认为电子传递
链中有一些电子传递体既可以传递电子, 也可
以结合 H+,当它们被还原时, 在膜内侧结合
H+,而被氧化时, 在膜外侧释放 H+,这样就
把 H+从膜内运到了膜外 。
氧还－回路机制示意图
质子转移的两种假设机制
（ 2） 质子泵机制
这个机制的内容是, 电子传递导致复合
体构象的变化, 氨基酸残基在膜内侧结合 H+，
构象变化后在膜外侧释放 H+,从而把 H+从膜
内侧运到膜外 。
合成 ATP与跨膜质子
的数量关系
在生理条件下合成 1个 ATP所需的自由能
大约为 40～ 50kj/mol。 至少需要两个质子跨膜
回流释放的能量才够合成 1个 ATP。 因为转移
出膜外的质子有一部分漏回膜内, 测定的结果
表明, 每合成 1个 ATP需要泵出 2～ 3个质子 。
电子传递与质子泵出相偶联
线
粒
体
跨
内
膜
的
质
子
梯
度
F1和 Fo的亚基组成
F1由 5种肽链组成, α3β3γδε。 Fo由 3种疏水亚
基组成, a1b2c9-12。 Fo形成跨膜的管道, 质子通
过此管道流回到膜内侧时驱动 ATP合成 。 F1的 α、
β,γ,δ和 ε亚基分别由 510,482,272,146和 50
个氨基酸残基组成, F1的总分子量为 371kD。 α、
β亚基是同源的, 每一个亚基结合有 1个 ATP,催
化位点在 β亚基上, α亚基上 ATP结合位点的功能
还不清楚, 因为缺失这个位点并不影响 F1的活性 。
ATP合成与蛋白质构象变化
John Walker及其同事测定了 F1的结构, F1－
ATP合酶是一个不对称的结构, 3个 β亚基有 3种不
同的构象 。 Walker研究发现, 一个 β亚基 ATP结合
位点结合有 AMP-PNP（ 一种不能被水解的 ATP类
似物 ）, 另一个结合有 ADP,第三个位点是空的 。
这个发现与 Paul Boyer提出的关于 ATP合成的结合
变化机制 （ binding change mechanism） 相符, 结
合变化机制认为, 3个反应位点协调地依次通过
ATP合成的 3种中间状态进行循环 。
α 3β 3的不对称结构
侧面观 顶面观
分子马达
Fo的 c亚基排列成环, c亚基的构象是一对反
平行的跨膜螺旋, 在胞质溶胶侧由一个短的发卡
环连接 。 c亚基环形成一个转子 （ rotor）, 相对于
a亚基旋转, a亚基作为定子 （ stater）, a亚基由 5
个跨膜的 α 螺旋组成, 在膜的每一侧有质子流动
的通道 （ proton access channels） 。 γ 亚基将 F1和
Fo连接起来, 在 ATP 合成时 γ 亚基也相对于
(αβ)3复合体旋转 。 如果 γ 亚基固着在 c亚基转子
上, 它们就可以一起转动 。 b亚基有 1个跨膜片段
和 1个长的亲水头部, 完整的定子由 b亚基固着在 a
亚基的一端, 并通过 δ 亚基与 (αβ)3结合在一起 。
ATP合酶的结构和工作原理
Rotation of the g
subunit and the
ring of c subunits
in the FoF1 complex
was observed by
in vitro studies
using fluorescence
Microscopy (K,
Kinosita,1997)
Fluorescencetly
labeled
The world’s smallest
molecular motor,
rotational catalysis,
Rotation of the g subunit and the ring of c subunits in in the
FoF1 complex as directly observed by in vitro studies using
fluorescence microscopy,they rotate in 120-degree
increments,with each step consume one ATP; operation
efficiency near 100%,
质子从膜外侧返回内侧的通道
c转子每一个亚基上有一个重要的残基 Asp61，
将这个 Asp突变成 Asn将失去 ATP合酶活性 。 c转子
相对于定子的旋转可能依赖于 Asp61上负电荷的中
和 。 质子从 a亚基的胞质溶胶侧的通道进入, 质子化
Asp61,推动转子旋转, 直到到达 a亚基的基质侧质
子通道, Asp61上的质子再解离通过此通道进入膜
内侧 。 这样的旋转能够引起 γ亚基相对于 (αβ)3复合
体旋转, 导致 3个 β亚基依次发生构象变化 。
Model of the E,coli ATP synthase,
the proton gradient drives the
rotation of the c ring
using two half-channels
on the a subunit,
(3ATP made per 10-14
protons transported,
~3H+/ATP.)
ATP合酶的 β 亚基构象
循环变化与 ATP合成
ADP+Pi
ADP+Pi
Energy
Paul Boyer和 John Walker因
上述发现共享了 1997年的诺贝尔
化学奖 。
F1Fo ATP合酶的抑制剂
在 ATP合酶的柄部有一种寡霉素敏感性授予
蛋白 （ oligomycin-sensitivity-conferring protein，
OSCP）, 这种蛋白使复合体对寡霉素敏感, 使得
寡霉素抑制 ATP的合成 。 Fo的名称即来自于此 。
二环己基碳二亚胺 （ dicyclohexylcarbodi-
imide,DCCD） 能够修饰 Fo蛋白中某亚基的 Glu
残基, 导致抑制质子通过 Fo,这种能被 DCCD修
饰的蛋白又称为 DCCD－结合蛋白 。
氧化磷酸化的解偶联和抑制
1,解偶联剂 （ uncouplers）
解偶联剂的作用是将膜外侧的质子运到
膜内侧, 破坏质子梯度, 导致不能合成 ATP，
但不影响电子传递 。
氧化磷酸化的解偶联和抑制
2,氧化磷酸化抑制剂 （ inhibitors）
这类试剂的作用是既抑制 ATP的合成,
又抑制氧的利用, 但不直接抑制电子传递链
上的电子传递体 。 寡霉素就是属于这类抑制
剂,它 阻止 H+通过 Fo。
寡
霉
素
对
线
粒
体
氧
消
耗
的
抑
制
作
用
氧化磷酸化的解偶联和抑制
3,离子载体 （ ionophores）
这是一类脂溶性物质, 如缬氨霉素, 它
们能与除 H+外的其它一价阳离子结合, 从膜
外侧运到膜内侧, 破坏由质子梯度造成的电
势梯度, 从而抑制 ATP的合成 。
细胞溶胶内 NADH的再氧化
甘油 -3-磷酸
穿梭途径
细胞溶胶内 NADH的再氧化
苹果酸 -
天冬氨酸
穿梭途径
氧化磷酸化的调控
电子传递受可用底物量和 ADP量的调控 。 既
无可氧化的底物又无 ADP时为状态 Ⅰ, 加入 ADP
后为状态 Ⅱ （ 无可用的底物 ）, 加入底物后为状
态 Ⅲ, ADP用完后为状态 Ⅳ, 再加入 ADP后为状
态 Ⅲ, 氧耗尽后为状态 Ⅴ 。 状态 Ⅲ 的耗氧速率与
状态 Ⅳ 的耗氧速率之比为呼吸控制的定量表示法 。
线粒体呼吸的几种状态
呼吸控制值的意义
完整的线粒体其呼吸控制值可高达 10以上,
而受损伤或衰老的线粒体此比值可低至 1,这表
明电子传递已与 ATP的合成失去了偶联, 虽然电
子传递仍保持最大速度, 但失去了磷酸化作用 。
1分子葡萄糖彻底氧化
产生的 ATP数
当细胞溶胶中的 NADH通过甘油 -3-磷酸
穿梭途径进入电子传递链时, 为 30个 ATP；
当细胞溶胶中的 NADH通过苹果酸－天冬
氨酸穿梭途径进入电子传递链时, 为 32个 ATP。
详见 P142表 24-5
