第八章 电子传递体系与氧化磷酸化
主要内容, 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 生物氧化的特点和方式
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 其它氧化体系 （自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
一, 生物氧化的 特点
二, 生物氧化过程中 CO2的生成
三, 生物氧化过程中 H2O的生成
四, 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）
共同中间产物
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
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
线粒体结构
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
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FAD Fe-S 琥珀酸 等
复合物 II
复合物 IV
复合体 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
细胞色素
还原酶
细胞色素
氧化酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
FADH2
呼吸链
NADH呼吸链电子传递和水的生成
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呼吸链电子传递和水的生成
2e
H2O FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
延胡索酸 2e
呼吸链中电子传递时自由能的下降
FADH2
2e-
NADH
电
子
传
递
链
标
准
氧
化
还
原
自
由
能
变
化
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
复合体 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
细胞色素
C还原酶
细胞色素 C
氧化酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
-0.2
-0.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
E0/V
细胞色素还原酶
部分结构模式
细胞色素氧化酶
结构示意图
线粒体基质
?
17K
Cyt c
?
36K
III
21K
?
23K ?,12K
?
8K
?,,4K
?,4K
线粒体基质
(bH)
(b566)
(bL)
(b562)
2Fe-2S
c1
铁 -硫 蛋白
Cyt b
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
细胞色素血红素的结构
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
? ?
?
波长 /nm
还原型 Cytc的吸收光谱
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
抗霉素 A的
抑制部位
NAD FP Q b c aa3 NAD FP Q b c aa3
呼吸链的比拟图解
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, 氧化磷酸化的解偶联和抑制
四,线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
五,葡萄糖彻底氧化生成 ATP的总结算
六,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
二、氧化磷酸化的偶联机理
1、线粒体 ATP合酶 （ mitochondrial ATPase）
2、能量偶联假说
?1953年 Edward Slater 化学偶联假说
?1964年 Paul Boyer 构象偶联假说
?1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
3,质子梯度 的形成
4,ATP合成的机制
1978年获诺贝尔化学奖
线粒体
ATP合酶
氧化磷酸化重建示意图
内膜
F0F1 ATP酶
e-
ADP+Pi
底物
H+
ATP
H+
H+
H+
基质 膜间隙
电子传递链
电子传递的自由能
驱动 H+从线粒体基质
跨过内膜进入到膜间
隙，从而形成 H+跨线
粒体内膜的电化学梯
度，这个梯度的电化
学势 ( Δ ?H+ )驱动
ATP的合成。
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
化学渗透假说原理示意图
4H+
2H+
2H+
4H+
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
线粒体电子传递和 H+排出的数目和途径
H2O
2H+
Cytc
Cytc
Cytc
Q FMN FeS FeS
Cytc
1
CytbK
Cytbr
Cyta FeS
Cyta3
2e- 2e-
NADH+H+
NAD+ O2 +2H+ H2O
4H+ 2H
+
复合物 III
1
2
Boyer和 Walker的工作
英国科学家 Walker通过 x光衍射获得高分辩率的牛心
线粒体 ATP酶晶体的三维结构,证明在 ATP酶合成 ATP的催
化循环中三个 β亚基的确有不同构象,从而有力地支持了
Boyer的假说。
Boyer和 Walker共同获得 1997年诺贝尔化学奖。
美国科学家 Boyer为解释 ATP酶作用机理,提出 旋转催化
假说，认为 ATP合成酶 β亚基有三种不同的构象，一种构象
(L)有利于 ADP和 Pi结合，一种构象 (T)可使结合的 ADP和 Pi
合成 ATP,第三种构象 (O)使合成的 ATP容易被释放出来。
在 ATP合成过程中，三个 β亚基依次进行上述三种构象的交
替变化，所需能量由跨膜 H+提供。
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,
ATP合酶结构示意图
定子
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,
?
?
?
OSCP
?
F1
H+通道
?
?
? ?
FO
柄
DCCD结合蛋白
基质表面
外表面
?
ATP酶作用机理
ADP+Pi
Proten
Flux
H+
ATP
+H2O
ATP ADP+Pi Proten Flux
有于 ADP与 Pi
结合的构象
有于 ADP与 Pi
生成的构象 有利于 ATP
释放的构象
四,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
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
五、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
葡萄糖彻底氧化生成 ATP的总结算
葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的 ATP或 GTP的分子数，根据
化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的 ATP分子数并不十分
准确，因为质子泵,ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数
值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定,H+经 NADH-Q还原酶、细胞
色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，
一对电子泵出的质子数依次为 4,2和 4。合成一个 ATP分子是由 3个 H+通过
ATP合酶所驱动，多余的一个 H+, 可能用于将 ATP从基质运往膜外细胞溶胶
。因此一对电子从 NADH传至 02，所产生的 ATP分子数是 2.5个。在细胞色素
还原酶的水平进人电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的 NADH,它
们的电子对只产生 1.5个 ATP分子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为 CO2和
水所得到的 ATP分子数和过去传统的统计数 (36个 ATP)少了 6个 ATP分子，成
为 30个 。
葡萄糖完全氧化产生的 ATP
酵解阶段,2 ATP
2 ? 1 NADH 兑换率 1:2.5 (或 1.5)
2 ATP
2 ? (1.5或 2.5 ATP )
三羧酸循环,2 ? 1 GTP
2 ? 3 NADH
2 ? 1 FADH2
2 ?1 ATP
2 ? 7.5 ATP
2 ? 1.5 ATP
兑换率 1:2.5
兑换率 1:1.5
丙酮酸氧化,2 ? 1NADH 兑换率 1,2.5 2 ? 2.5 ATP
总计,30 ATP 或 32 ATP
第四节 其它氧化系统
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
在一些其它氧化系统，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。
生物体内主要的其它氧化系统如下,
?多酚氧化酶系统
?抗坏血酸氧化酶系统
?黄素蛋白氧化酶系统
?超氧化物歧化酶氧化系统
?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
主要内容, 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 生物氧化的特点和方式
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 其它氧化体系 （自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
一, 生物氧化的 特点
二, 生物氧化过程中 CO2的生成
三, 生物氧化过程中 H2O的生成
四, 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）
共同中间产物
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
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
线粒体结构
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
NADH
FMN
CoQ
Fe-S
Cyt c1
O2
Cyt b
Cyt c
Cyt aa3
Fe-S
FAD Fe-S 琥珀酸 等
复合物 II
复合物 IV
复合体 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
细胞色素
还原酶
细胞色素
氧化酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
FADH2
呼吸链
NADH呼吸链电子传递和水的生成
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呼吸链电子传递和水的生成
2e
H2O FAD
FADH2
琥珀酸
Fe S
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
CoQH2
CoQ 1 2 O2
O2-
2H+
延胡索酸 2e
呼吸链中电子传递时自由能的下降
FADH2
2e-
NADH
电
子
传
递
链
标
准
氧
化
还
原
自
由
能
变
化
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
复合体 I
复合物 III
NADH
脱氢酶
细胞色素
C还原酶
细胞色素 C
氧化酶
琥珀酸 -辅酶 Q
还原酶
-0.2
-0.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
E0/V
细胞色素还原酶
部分结构模式
细胞色素氧化酶
结构示意图
线粒体基质
?
17K
Cyt c
?
36K
III
21K
?
23K ?,12K
?
8K
?,,4K
?,4K
线粒体基质
(bH)
(b566)
(bL)
(b562)
2Fe-2S
c1
铁 -硫 蛋白
Cyt b
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
细胞色素血红素的结构
传递电子机理, Fe3+ Fe2+ -e +e
? ?
?
波长 /nm
还原型 Cytc的吸收光谱
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
抗霉素 A的
抑制部位
NAD FP Q b c aa3 NAD FP Q b c aa3
呼吸链的比拟图解
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, 氧化磷酸化的解偶联和抑制
四,线粒体外 NADH的氧化磷酸化作用
五,葡萄糖彻底氧化生成 ATP的总结算
六,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
二、氧化磷酸化的偶联机理
1、线粒体 ATP合酶 （ mitochondrial ATPase）
2、能量偶联假说
?1953年 Edward Slater 化学偶联假说
?1964年 Paul Boyer 构象偶联假说
?1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
3,质子梯度 的形成
4,ATP合成的机制
1978年获诺贝尔化学奖
线粒体
ATP合酶
氧化磷酸化重建示意图
内膜
F0F1 ATP酶
e-
ADP+Pi
底物
H+
ATP
H+
H+
H+
基质 膜间隙
电子传递链
电子传递的自由能
驱动 H+从线粒体基质
跨过内膜进入到膜间
隙，从而形成 H+跨线
粒体内膜的电化学梯
度，这个梯度的电化
学势 ( Δ ?H+ )驱动
ATP的合成。
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
化学渗透假说原理示意图
4H+
2H+
2H+
4H+
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
线粒体电子传递和 H+排出的数目和途径
H2O
2H+
Cytc
Cytc
Cytc
Q FMN FeS FeS
Cytc
1
CytbK
Cytbr
Cyta FeS
Cyta3
2e- 2e-
NADH+H+
NAD+ O2 +2H+ H2O
4H+ 2H
+
复合物 III
1
2
Boyer和 Walker的工作
英国科学家 Walker通过 x光衍射获得高分辩率的牛心
线粒体 ATP酶晶体的三维结构,证明在 ATP酶合成 ATP的催
化循环中三个 β亚基的确有不同构象,从而有力地支持了
Boyer的假说。
Boyer和 Walker共同获得 1997年诺贝尔化学奖。
美国科学家 Boyer为解释 ATP酶作用机理,提出 旋转催化
假说，认为 ATP合成酶 β亚基有三种不同的构象，一种构象
(L)有利于 ADP和 Pi结合，一种构象 (T)可使结合的 ADP和 Pi
合成 ATP,第三种构象 (O)使合成的 ATP容易被释放出来。
在 ATP合成过程中，三个 β亚基依次进行上述三种构象的交
替变化，所需能量由跨膜 H+提供。
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,
ATP合酶结构示意图
定子
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,
?
?
?
OSCP
?
F1
H+通道
?
?
? ?
FO
柄
DCCD结合蛋白
基质表面
外表面
?
ATP酶作用机理
ADP+Pi
Proten
Flux
H+
ATP
+H2O
ATP ADP+Pi Proten Flux
有于 ADP与 Pi
结合的构象
有于 ADP与 Pi
生成的构象 有利于 ATP
释放的构象
四,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
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
五、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
葡萄糖彻底氧化生成 ATP的总结算
葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的 ATP或 GTP的分子数，根据
化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的 ATP分子数并不十分
准确，因为质子泵,ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数
值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定,H+经 NADH-Q还原酶、细胞
色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，
一对电子泵出的质子数依次为 4,2和 4。合成一个 ATP分子是由 3个 H+通过
ATP合酶所驱动，多余的一个 H+, 可能用于将 ATP从基质运往膜外细胞溶胶
。因此一对电子从 NADH传至 02，所产生的 ATP分子数是 2.5个。在细胞色素
还原酶的水平进人电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的 NADH,它
们的电子对只产生 1.5个 ATP分子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为 CO2和
水所得到的 ATP分子数和过去传统的统计数 (36个 ATP)少了 6个 ATP分子，成
为 30个 。
葡萄糖完全氧化产生的 ATP
酵解阶段,2 ATP
2 ? 1 NADH 兑换率 1:2.5 (或 1.5)
2 ATP
2 ? (1.5或 2.5 ATP )
三羧酸循环,2 ? 1 GTP
2 ? 3 NADH
2 ? 1 FADH2
2 ?1 ATP
2 ? 7.5 ATP
2 ? 1.5 ATP
兑换率 1:2.5
兑换率 1:1.5
丙酮酸氧化,2 ? 1NADH 兑换率 1,2.5 2 ? 2.5 ATP
总计,30 ATP 或 32 ATP
第四节 其它氧化系统
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
在一些其它氧化系统，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。
生物体内主要的其它氧化系统如下,
?多酚氧化酶系统
?抗坏血酸氧化酶系统
?黄素蛋白氧化酶系统
?超氧化物歧化酶氧化系统
?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
