第六章 电子传递链与氧化磷酸化
第一节：生物氧化概述
第二节：电子传递链（呼吸链）
第三节：氧化磷酸化第一节：生物氧化概述
一切生命活动都需要能量,维持生命活动的能量主要有 两个来源,
光能 （ 太阳能 ）,光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能 。
化学能,异养生物或非光合组织通过 生物氧化 作用将有机物质 （ 主要是各种光合作用产物 ） 氧化分解,
使存储的稳定的化学能转变成 ATP中活跃的化学能,
ATP直接用于需要能量的各种生命活动 。
一、生物氧化的概念
1、概念
有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成 CO2和 H2O并释放出能量的过程称为 生物氧化 。生物氧化通常需要消耗氧，
所以又称为呼吸作用。
2,生物氧化主要包括三方面的内容
（ 1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的 C变成
CO2— CO2如何形成？
脱羧反应
（ 2）在酶的作用下细胞怎样利用 分子氧 将有机化合物中的 H氧化成 H2O— H2O如何形成？
电子传递链
（ 3）当有机物被氧化成 CO2和 H2O时，释放的能量怎样转化成 ATP— 能量如何产生？
底物水平磷酸化?
氧化磷酸化二、生物氧化的特点
生物氧化 和有机物在 体外氧化（燃烧） 的实质相同，
都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成
CO2和 H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：
细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件
（常温、常压、中性 pH、水溶液）
一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放释放的能量转化成 ATP被利用 转换为光和热，散失生物氧化 体外燃烧第二节：电子传递链
一、概念
二、电子传递链的组成
三、电子传递链的电子传递顺序
四、呼吸链的电子传递抑制剂一、概念
需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括 NADH和 FADH2通过电子传递途径被重新氧化。
在生物氧化过程中，还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，
这个电子传递体系称为 电子传递链 。 由于消耗氧，
故也叫 呼吸链。
电子传递链在原核生物存在于 质膜 上，在真核细胞存在于 线粒体内膜 上。
二、呼吸链的组成
呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。
包括：
NADH-Q还原酶、琥珀酸 -Q还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶 。
NADH NADH-Q还原酶 Q 细胞色素还原酶 细胞色素 C 细胞色素氧化酶 O2
琥珀酸 -Q还原酶
FADH2
呼吸链由一系列的 氢传递体 和 电子传递体 组成。包括：
NADH-Q还原酶（复合体 Ⅰ ）
琥珀酸 -Q还原酶（复合体 II）
细胞色素还原酶 （复合体 III）
细胞色素氧化酶（复合体 IV）
1,NADH-Q还原酶 (NADH脱氢酶、复合体 Ⅰ,
亦是第一个质子泵 )
NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体,FMN
和铁 -硫聚簇 （ Fe-S）是该酶的辅基,辅酶 Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。
以 FMN或 FAD为辅基的蛋白质统称 黄素蛋白。
FMN通过氧化还原变化可接收 NADH+H+的氢以及电子。
FMN FMNH2
铁硫聚簇主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或
(4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为 铁硫蛋白 。
铁硫聚簇（ Fe-S中心 ）
Cys S S S Cys
Fe3+ Fe3+
Cys S S S Cys
氧化型
Cys S S S Cys
Fe3+ Fe2+
Cys S S S Cys
还原型
+e-
-e-
铁硫聚簇通过 Fe3+? Fe2+ 变化，将氢从 FMNH2上脱下传给 CoQ，同时 起传递电子的作用，每次传递一个电子,
NADH-Q还原酶 先与 NADH结合并将 NADH上的两个氢转移到 FMN辅基上，
NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+
铁硫络合物
CoQ
e-
e-
M
MH2 NAD+
NADH2 FMN
FMNH2 2Fe3+
2Fe2+
2(Fe-S)
CoQH2
CoQ
2H+
2H+
NADH-Q还原酶各辅基（ 辅酶 ）的氧化还原循环
NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧
是脂溶性醌类化合物，
而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区 自由 扩散。
功能基团是苯醌,通过醌 /酚的互变传递氢,Q
(醌型结构 ) 很容易接受 2
个电子和 2个质子，还原成 QH2（还原型）； QH2也容易给出 2个电子和 2个质子，重新氧化成 Q。因此，
它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。
2、辅酶 Q（泛醌、亦简称 Q。是许多酶的 辅酶 )
,如,NADH-Q还原酶,琥珀酸 -Q还原酶、脂酰 -CoA脱氢酶等
3、琥珀酸 -Q还原酶（复合体 Ⅱ ）
琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括 FAD和 Fe-S聚簇。
琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基 FAD还原为 FADH2，然后 FADH2又将电子传递给 Fe-S聚簇。
最后电子由 Fe-S聚簇传递给琥珀酸 -Q还原酶的辅酶 CoQ。
4、细胞色素还原酶
（细胞色素 bc1复合体、复合体 Ⅲ ）
含有两种细胞色素（细胞色素 b、细胞色素 c1）
和一铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。
细胞色素 bc1复合体 的作用是将电子从 QH2转移到细胞色素 c：
QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c
是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（ 有颜色 ），
高等动物线粒体呼吸链中主要含有 5种细胞色素 a,a3、
b,c,c1等，细胞色素
b,c1,c的辅基都是铁 -原朴啉 Ⅳ,细胞色素 a,a3的辅基为血红素 A。
细胞色素主要是通过辅基中 Fe3+? Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。
细胞色素（ cytochrome,cyt）
5、细胞色素 c
在复合体 III和 Ⅳ 之间传递电子。 （细胞色素 c 交互地与细胞色素还原酶的 C1和细胞色素氧化酶接触）
是唯一能溶于水的细胞色素。
6、细胞色素氧化酶
（复合体 Ⅳ,细胞色素 c氧化酶 ）
由 cyt.a和 a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有 2
个铜原子（ CuA,CuB）。 Cyta与 CuA相配合,cyta3与 CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的 Fe3+ Fe2+间循环，同时
Cu2+ Cu+间循环，将电子从 cytc直接传递给 O2。也叫末端氧化酶。
细胞色素氧化酶（ 10个亚基的多聚蛋白）
M
MH2 NAD+
NADH2 FMN
FMNH2 2Fe3+
2Fe2+
2(Fe-S)
CoQH2
CoQ
2Fe3+
2Fe2+
2cytb
2Fe3+
2Fe2+
2cytb
2Fe3+
2Fe2+ 2Fe3+
2Fe2+
2Cytc1
2Fe2+
2Fe3+
2Fe3+
2Fe2+
2cytaa32(Fe-S) 2cytc
H2O
1/2O2
2H+ 2H+ 2H+
2H+
NADH呼吸链每个传递体的氧化还原循环
每个分子氧被还原共需 4个电子细胞色素 bc1复合体（ Ⅲ ） 复合体 Ⅳ
NADH-Q还原酶三、呼吸链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有 两条呼吸链,
FMN Fe-S Cytb Fe-S cytc1 cytaa3
Fe-S
FADH2
NADH+H+ CoQ cytc O2
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
琥珀酸
ADP+Pi ADP+Pi ADP+PiATP ATPATP
四、呼吸链的电子传递抑制剂
1、概念,能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。
电子传递抑制剂的使用是研究 呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化 -还原状态可以测出）
2,常用的几种 电子传递抑制剂及其作用部位
（ 1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在 NADH- Q还原酶 内的传递，所以阻断了电子由 NADH向 CoQ的传递。
（ 2）抗霉素 A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素 b上的传递，所以阻断电子由 QH2向 cytC1的传递。
（ 3）氰化物（ CN-）、硫化氢（ H2S）、叠氮化物
（ N3-）、一氧化碳（ CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由
cytaa3向分子氧的传递。
呼吸链的电子传递抑制剂图示
NADH
NADH-Q还原酶被鱼藤酮、安密妥、杀蝶素 A抑制
CoQ
cytb
被抗霉素 A抑制
cytc1
cytc
cytaa3
被氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物抑制
O2
第三节：氧化磷酸化
一、概念
二,氧化磷酸化偶联部位及 P/O比
三、氧化磷酸化机理
四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
五、线粒体穿梭系统
六、氧化磷酸化的调控一、概念
生物体内高能磷酸化合物 ATP的生成主要由三种方式：
氧化磷酸化
底物水平磷酸化
光合磷酸化
1、氧化磷酸化
是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。 即伴随电子从底物到 O2的传递,ADP被磷酸化生成 ATP
的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为 氧化磷酸化。
这是 需氧 生物合成 ATP的主要途径。
真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。
2、底物水平磷酸化
底物水平磷酸化指 ATP的形成直接与一个代谢中间物
（ PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。
特点,ATP的形成直接与 中间代谢物进行的反应相偶联 ；
在有 O2或无 O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。
二、氧化磷酸化偶联部位及
P/O比
1,P/O比：
1940年,SOchoa测定了在呼吸链中 O2的消耗与 ATP生成的关系，为此提出 P/O比的概念。 （同位素实验）
当一对电子经呼吸链传给 O2的过程中所产生的 ATP分子数。实质是伴随 ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为 P/O比 。
线粒体 NADH+H+经呼吸链氧化 P/O比为 2.5（ 3），
FADH2经呼吸链氧化 P/O比为 1.5（ 2）。
2、形成 ATP的部位
（氧化与磷酸化偶联部位）
电子传递链将 NADH和 FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给 ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有 3处，即复合物 Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ,这 3
个部位就是 ATP合成的部位，称为偶联部位。
关于论证 ATP形成部位的实验证据：
（ 1） Δ G0 ’ =-nF Δ E0 ’
（ 2） 琥珀酸氧化 P/O=2，苹果酸氧化 P/O=3
表明在 NADH—— CoQ 有一次磷酸化作用
（ 3） A.Lehninger用抗坏血酸使电子从细胞色素 C进入呼吸链，测得 P/O=1，说明由 cytaa3— O2有一次磷酸化
（ 4） 使用专一性电子传递链抑制剂亦可测出 ATP
的形成部位 （举例）
能量计算,NADH+H+被分子氧氧化生成水，总反应为：
NADH+H++1/2O2 NAD++H2O
求此反应的 Δ G0 ’,
因为,1/2O2+2H++2e- H2O,E0 ’ =0.82v
NAD++2H++2e- NADH+H+,E0 ’ =-0.32v
所以,Δ E0’=0.82-(-0.32)=1.14V
Δ G0 ’=-2X23.063X1.14=-52.6(Kcal/mol)
=-220(KJ/mol)
3ADP+Pi 3ATP+3H2O
Δ G0 ’=3X7.3=21.9 (Kcal/mol)=91.6 (KJ/mol)
3个 ATP的形成共截获的能量为 41%
三、氧化磷酸化作用的机理
1、有关氧化磷酸化机理的几种假说
化学偶联假说
构象偶联假说
化学渗透假说
（ 1）化学偶联假说（ 1953年） （掌握要点）
chemical coupling hypothesis
认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成 高能共价中间物,最后将其能量转移到 ADP中形成 ATP。
AH2+B+I-OH A I+BH2+OH-
A I+X-H+OH- X I+A+H2O
X I+P-OH X P+I-OH
X P+ADP ATP+X-H
AH2+B+ADP+P-OH A+BH2+ATP+H2O
（ 2）构象偶联假说（ 1964）
conformational coupling hypothesis
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的 蛋白质组分 发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过 ATP的合成而恢复其原来的构象。
迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。
（ 3）化学渗透假说（ 1961）
chemiosmotic hypothesis
1961年由英国生物化学家 Peter Mitchell最先提出。
认为电子传递释放的自由能和 ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。 即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膜间隙，
从而形成跨线粒体内膜的 H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动 ATP的合成。
NADH呼吸链中的三个复合物 Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ 起着质子泵的作用，将 H+
从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。
H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为 质子动力 。
当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的 F0F1-ATP合酶 返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，
推动 ATP的合成。
化学渗透假说示意图获得
19
78
年的诺贝尔化学奖
支持化学渗透假说的实验证据：
(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。
(2) 线粒体内膜对 H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。
(3) 破坏 H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。
(4) 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将 H+ 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。
(5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，
并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。
(6) 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与 ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。
H+如何通过电子传递链,泵,出的？
线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为 FOF1-ATP合酶，也叫 ATP合酶复合体或 ATP合酶，是 ATP合成的场所。
它由 FO,F1两部分组成,其中 FO由 4种 6条不同的肽链组成,是复合体的柄 （ 含质子通道 ）,
镶嵌到内膜中,F1由 5种 9条肽链组成,呈球状,
是复合体的头,与 FO结合后这个头伸向膜内基质 。
FO是膜外质子返回膜内的通道,F1是催化 ATP合成的部位,当膜外的质子经 FO质子通道到达 F1
时便推动 ATP的合成 。
ATP的合成机制 — FOF1-ATP合酶亚线粒体结构证明 FOF1-ATP合酶中 FOF1的功能
1960年,E.Racker的氧化磷酸化的重组实验：
超声波胰蛋白酶或尿素重组亚 线粒体囊泡有电子传递能力但不能使 ADP磷酸化具备氧化磷酸化能力四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同，
据此将它们分成三大类：
1,解偶联剂（ uncouplers）
某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度，
使 ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂。
解偶联剂不抑制电子传递。 不抑制底物水平的磷酸化。
解偶联剂主要有三种类型：
化学解偶联剂,2,4-二硝基苯酚
离子载体：
解偶联蛋白：
化学解偶联剂,2,4-二硝基苯酚
（ 2,4-dinitrophenol,DNP）
DNP在 pH=7的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。
在酸性环境中接受 H+,成为不解离形式，是脂溶性的，
很容易过膜，同时将 H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称 质子载体。
起同样作用的有三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（ FCCP）。
中性环境 酸性环境离子载体 （ 离子载体抑制剂 ）
是一类脂溶性物质,能与 H+以外的其他一价阳离子结合,并作为他们的载体使他们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。
缬氨霉素（ K+）
短杆菌肽（ K+ Na+）
解偶联蛋白 （产热素）
是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然解偶联剂。
它们能形成质子通道，让膜外的 H+通过通道返回膜内，消除跨膜质子浓度梯度。
如：动物的褐色脂肪组织,其产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。
人、新生无毛的哺乳动物以及冬眠的哺乳动物。
2、抑制剂
直接作用于 ATP合酶复合体而抑制 ATP合成的一类化合物。
由于影响（降低） O2的利用率，从而间接抑制电子传递。（区别于电子传递链抑制剂）
寡霉素、双环己基碳二亚胺 （抑制 FOF1某些蛋白的活性）
寡霉素等对利用氧的抑制作用可被 DNP解除。
五、线粒体穿梭系统
真核细胞细胞液中产生的 NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成 ATP.
磷酸甘油穿梭
苹果酸 -天冬氨酸穿梭
外 NADH脱氢酶
1、磷酸甘油穿梭（ P/O=2或 1.5）
NAD+
NADH+H+
P-甘油
P-二羟丙酮
P-甘油
P-二羟丙酮
3-P甘油脱氢酶
（胞液）
FAD
FADH2
3-P甘油脱氢酶
（内膜）
CoQ
Fe-S
FP1
cytb
胞液 外膜 膜间空间 内膜昆虫飞行肌细胞溶胶 NADH利用此穿梭
2、苹果酸 -天冬氨酸穿梭（ P/O=3或 2.5）
苹果酸草酰乙酸
NAD+
NADH+H+
苹果酸草酰乙酸
NAD+
NADH+H+
天冬氨酸谷氨酸
α-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸
α-酮戊二酸
Ⅰ
Ⅱ
1 2
43
胞液膜间空间外膜 内膜 基质
1、胞液的苹果酸脱氢酶 2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶
3、胞液的天冬氨酸转氨酶 4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶
Ⅰ,苹果酸 -α 酮戊二酸反向交换载体 Ⅱ 天冬氨酸 -谷氨酸反向交换载体
1
动物心脏及肝脏胞质溶胶内 NADH
利用此穿梭
3、外 NADH脱氢酶（真菌和高等植物）
NADH脱氢酶 （复合物 Ⅰ ）
内膜内侧，朝向基质
催化线粒体内部的 NADH脱氢交给其辅基 FMN
将氢传递给 CoQ
外 NADH脱氢酶
内膜外侧，朝向膜间空间
是一种以 FAD为辅基的黄素蛋白，催化细胞液的 NADH
脱氢交给其辅基 FAD
将氢传递给 CoQ，不经过复合物 Ⅰ,P/O比为 2或 1.5
外膜内膜膜间空间胞液 基质
NADH+H+ NADH+H+
NAD+NAD+
FPext
FPint
Fe-S
CoQ
cytb
NADH+H+
NAD+
真菌和高等植物的胞液 NADH进入呼吸链氧化的途径
（ P/O=2或 1.5）
FAD FMN
六、氧化磷酸化的调控
ADP是关键物质。
ADP作为关键物质对于氧化磷酸化作用的调节称为 呼吸控制 （ respiratory control）
当细胞利用 ATP做功时,ADP含量上升，
又促进氧化磷酸化作用合成 ATP。
呼吸控制 的定量表示法是测定 ADP存在时 O2的利用率（ III）与没有 ADP时 O2的利用率（ IV）之比值。
完整 MT（ mitochondrion）的呼吸控制值可达 10，而受损伤或衰老的 MT其呼吸控制值可降为 1。
第一节：生物氧化概述
第二节：电子传递链（呼吸链）
第三节：氧化磷酸化第一节：生物氧化概述
一切生命活动都需要能量,维持生命活动的能量主要有 两个来源,
光能 （ 太阳能 ）,光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能 。
化学能,异养生物或非光合组织通过 生物氧化 作用将有机物质 （ 主要是各种光合作用产物 ） 氧化分解,
使存储的稳定的化学能转变成 ATP中活跃的化学能,
ATP直接用于需要能量的各种生命活动 。
一、生物氧化的概念
1、概念
有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成 CO2和 H2O并释放出能量的过程称为 生物氧化 。生物氧化通常需要消耗氧，
所以又称为呼吸作用。
2,生物氧化主要包括三方面的内容
（ 1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的 C变成
CO2— CO2如何形成？
脱羧反应
（ 2）在酶的作用下细胞怎样利用 分子氧 将有机化合物中的 H氧化成 H2O— H2O如何形成？
电子传递链
（ 3）当有机物被氧化成 CO2和 H2O时，释放的能量怎样转化成 ATP— 能量如何产生？
底物水平磷酸化?
氧化磷酸化二、生物氧化的特点
生物氧化 和有机物在 体外氧化（燃烧） 的实质相同，
都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成
CO2和 H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：
细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件
（常温、常压、中性 pH、水溶液）
一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放释放的能量转化成 ATP被利用 转换为光和热，散失生物氧化 体外燃烧第二节：电子传递链
一、概念
二、电子传递链的组成
三、电子传递链的电子传递顺序
四、呼吸链的电子传递抑制剂一、概念
需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括 NADH和 FADH2通过电子传递途径被重新氧化。
在生物氧化过程中，还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，
这个电子传递体系称为 电子传递链 。 由于消耗氧，
故也叫 呼吸链。
电子传递链在原核生物存在于 质膜 上，在真核细胞存在于 线粒体内膜 上。
二、呼吸链的组成
呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。
包括：
NADH-Q还原酶、琥珀酸 -Q还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶 。
NADH NADH-Q还原酶 Q 细胞色素还原酶 细胞色素 C 细胞色素氧化酶 O2
琥珀酸 -Q还原酶
FADH2
呼吸链由一系列的 氢传递体 和 电子传递体 组成。包括：
NADH-Q还原酶（复合体 Ⅰ ）
琥珀酸 -Q还原酶（复合体 II）
细胞色素还原酶 （复合体 III）
细胞色素氧化酶（复合体 IV）
1,NADH-Q还原酶 (NADH脱氢酶、复合体 Ⅰ,
亦是第一个质子泵 )
NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体,FMN
和铁 -硫聚簇 （ Fe-S）是该酶的辅基,辅酶 Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。
以 FMN或 FAD为辅基的蛋白质统称 黄素蛋白。
FMN通过氧化还原变化可接收 NADH+H+的氢以及电子。
FMN FMNH2
铁硫聚簇主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或
(4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为 铁硫蛋白 。
铁硫聚簇（ Fe-S中心 ）
Cys S S S Cys
Fe3+ Fe3+
Cys S S S Cys
氧化型
Cys S S S Cys
Fe3+ Fe2+
Cys S S S Cys
还原型
+e-
-e-
铁硫聚簇通过 Fe3+? Fe2+ 变化，将氢从 FMNH2上脱下传给 CoQ，同时 起传递电子的作用，每次传递一个电子,
NADH-Q还原酶 先与 NADH结合并将 NADH上的两个氢转移到 FMN辅基上，
NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+
铁硫络合物
CoQ
e-
e-
M
MH2 NAD+
NADH2 FMN
FMNH2 2Fe3+
2Fe2+
2(Fe-S)
CoQH2
CoQ
2H+
2H+
NADH-Q还原酶各辅基（ 辅酶 ）的氧化还原循环
NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧
是脂溶性醌类化合物，
而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区 自由 扩散。
功能基团是苯醌,通过醌 /酚的互变传递氢,Q
(醌型结构 ) 很容易接受 2
个电子和 2个质子，还原成 QH2（还原型）； QH2也容易给出 2个电子和 2个质子，重新氧化成 Q。因此，
它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。
2、辅酶 Q（泛醌、亦简称 Q。是许多酶的 辅酶 )
,如,NADH-Q还原酶,琥珀酸 -Q还原酶、脂酰 -CoA脱氢酶等
3、琥珀酸 -Q还原酶（复合体 Ⅱ ）
琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括 FAD和 Fe-S聚簇。
琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基 FAD还原为 FADH2，然后 FADH2又将电子传递给 Fe-S聚簇。
最后电子由 Fe-S聚簇传递给琥珀酸 -Q还原酶的辅酶 CoQ。
4、细胞色素还原酶
（细胞色素 bc1复合体、复合体 Ⅲ ）
含有两种细胞色素（细胞色素 b、细胞色素 c1）
和一铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。
细胞色素 bc1复合体 的作用是将电子从 QH2转移到细胞色素 c：
QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c
是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（ 有颜色 ），
高等动物线粒体呼吸链中主要含有 5种细胞色素 a,a3、
b,c,c1等，细胞色素
b,c1,c的辅基都是铁 -原朴啉 Ⅳ,细胞色素 a,a3的辅基为血红素 A。
细胞色素主要是通过辅基中 Fe3+? Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。
细胞色素（ cytochrome,cyt）
5、细胞色素 c
在复合体 III和 Ⅳ 之间传递电子。 （细胞色素 c 交互地与细胞色素还原酶的 C1和细胞色素氧化酶接触）
是唯一能溶于水的细胞色素。
6、细胞色素氧化酶
（复合体 Ⅳ,细胞色素 c氧化酶 ）
由 cyt.a和 a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有 2
个铜原子（ CuA,CuB）。 Cyta与 CuA相配合,cyta3与 CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的 Fe3+ Fe2+间循环，同时
Cu2+ Cu+间循环，将电子从 cytc直接传递给 O2。也叫末端氧化酶。
细胞色素氧化酶（ 10个亚基的多聚蛋白）
M
MH2 NAD+
NADH2 FMN
FMNH2 2Fe3+
2Fe2+
2(Fe-S)
CoQH2
CoQ
2Fe3+
2Fe2+
2cytb
2Fe3+
2Fe2+
2cytb
2Fe3+
2Fe2+ 2Fe3+
2Fe2+
2Cytc1
2Fe2+
2Fe3+
2Fe3+
2Fe2+
2cytaa32(Fe-S) 2cytc
H2O
1/2O2
2H+ 2H+ 2H+
2H+
NADH呼吸链每个传递体的氧化还原循环
每个分子氧被还原共需 4个电子细胞色素 bc1复合体（ Ⅲ ） 复合体 Ⅳ
NADH-Q还原酶三、呼吸链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有 两条呼吸链,
FMN Fe-S Cytb Fe-S cytc1 cytaa3
Fe-S
FADH2
NADH+H+ CoQ cytc O2
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
琥珀酸
ADP+Pi ADP+Pi ADP+PiATP ATPATP
四、呼吸链的电子传递抑制剂
1、概念,能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。
电子传递抑制剂的使用是研究 呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化 -还原状态可以测出）
2,常用的几种 电子传递抑制剂及其作用部位
（ 1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在 NADH- Q还原酶 内的传递，所以阻断了电子由 NADH向 CoQ的传递。
（ 2）抗霉素 A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素 b上的传递，所以阻断电子由 QH2向 cytC1的传递。
（ 3）氰化物（ CN-）、硫化氢（ H2S）、叠氮化物
（ N3-）、一氧化碳（ CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由
cytaa3向分子氧的传递。
呼吸链的电子传递抑制剂图示
NADH
NADH-Q还原酶被鱼藤酮、安密妥、杀蝶素 A抑制
CoQ
cytb
被抗霉素 A抑制
cytc1
cytc
cytaa3
被氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物抑制
O2
第三节：氧化磷酸化
一、概念
二,氧化磷酸化偶联部位及 P/O比
三、氧化磷酸化机理
四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
五、线粒体穿梭系统
六、氧化磷酸化的调控一、概念
生物体内高能磷酸化合物 ATP的生成主要由三种方式：
氧化磷酸化
底物水平磷酸化
光合磷酸化
1、氧化磷酸化
是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。 即伴随电子从底物到 O2的传递,ADP被磷酸化生成 ATP
的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为 氧化磷酸化。
这是 需氧 生物合成 ATP的主要途径。
真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。
2、底物水平磷酸化
底物水平磷酸化指 ATP的形成直接与一个代谢中间物
（ PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。
特点,ATP的形成直接与 中间代谢物进行的反应相偶联 ；
在有 O2或无 O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。
二、氧化磷酸化偶联部位及
P/O比
1,P/O比：
1940年,SOchoa测定了在呼吸链中 O2的消耗与 ATP生成的关系，为此提出 P/O比的概念。 （同位素实验）
当一对电子经呼吸链传给 O2的过程中所产生的 ATP分子数。实质是伴随 ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为 P/O比 。
线粒体 NADH+H+经呼吸链氧化 P/O比为 2.5（ 3），
FADH2经呼吸链氧化 P/O比为 1.5（ 2）。
2、形成 ATP的部位
（氧化与磷酸化偶联部位）
电子传递链将 NADH和 FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给 ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有 3处，即复合物 Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ,这 3
个部位就是 ATP合成的部位，称为偶联部位。
关于论证 ATP形成部位的实验证据：
（ 1） Δ G0 ’ =-nF Δ E0 ’
（ 2） 琥珀酸氧化 P/O=2，苹果酸氧化 P/O=3
表明在 NADH—— CoQ 有一次磷酸化作用
（ 3） A.Lehninger用抗坏血酸使电子从细胞色素 C进入呼吸链，测得 P/O=1，说明由 cytaa3— O2有一次磷酸化
（ 4） 使用专一性电子传递链抑制剂亦可测出 ATP
的形成部位 （举例）
能量计算,NADH+H+被分子氧氧化生成水，总反应为：
NADH+H++1/2O2 NAD++H2O
求此反应的 Δ G0 ’,
因为,1/2O2+2H++2e- H2O,E0 ’ =0.82v
NAD++2H++2e- NADH+H+,E0 ’ =-0.32v
所以,Δ E0’=0.82-(-0.32)=1.14V
Δ G0 ’=-2X23.063X1.14=-52.6(Kcal/mol)
=-220(KJ/mol)
3ADP+Pi 3ATP+3H2O
Δ G0 ’=3X7.3=21.9 (Kcal/mol)=91.6 (KJ/mol)
3个 ATP的形成共截获的能量为 41%
三、氧化磷酸化作用的机理
1、有关氧化磷酸化机理的几种假说
化学偶联假说
构象偶联假说
化学渗透假说
（ 1）化学偶联假说（ 1953年） （掌握要点）
chemical coupling hypothesis
认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成 高能共价中间物,最后将其能量转移到 ADP中形成 ATP。
AH2+B+I-OH A I+BH2+OH-
A I+X-H+OH- X I+A+H2O
X I+P-OH X P+I-OH
X P+ADP ATP+X-H
AH2+B+ADP+P-OH A+BH2+ATP+H2O
（ 2）构象偶联假说（ 1964）
conformational coupling hypothesis
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的 蛋白质组分 发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过 ATP的合成而恢复其原来的构象。
迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。
（ 3）化学渗透假说（ 1961）
chemiosmotic hypothesis
1961年由英国生物化学家 Peter Mitchell最先提出。
认为电子传递释放的自由能和 ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。 即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膜间隙，
从而形成跨线粒体内膜的 H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动 ATP的合成。
NADH呼吸链中的三个复合物 Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ 起着质子泵的作用，将 H+
从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。
H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为 质子动力 。
当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的 F0F1-ATP合酶 返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，
推动 ATP的合成。
化学渗透假说示意图获得
19
78
年的诺贝尔化学奖
支持化学渗透假说的实验证据：
(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。
(2) 线粒体内膜对 H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。
(3) 破坏 H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。
(4) 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将 H+ 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。
(5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，
并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。
(6) 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与 ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。
H+如何通过电子传递链,泵,出的？
线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为 FOF1-ATP合酶，也叫 ATP合酶复合体或 ATP合酶，是 ATP合成的场所。
它由 FO,F1两部分组成,其中 FO由 4种 6条不同的肽链组成,是复合体的柄 （ 含质子通道 ）,
镶嵌到内膜中,F1由 5种 9条肽链组成,呈球状,
是复合体的头,与 FO结合后这个头伸向膜内基质 。
FO是膜外质子返回膜内的通道,F1是催化 ATP合成的部位,当膜外的质子经 FO质子通道到达 F1
时便推动 ATP的合成 。
ATP的合成机制 — FOF1-ATP合酶亚线粒体结构证明 FOF1-ATP合酶中 FOF1的功能
1960年,E.Racker的氧化磷酸化的重组实验：
超声波胰蛋白酶或尿素重组亚 线粒体囊泡有电子传递能力但不能使 ADP磷酸化具备氧化磷酸化能力四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同，
据此将它们分成三大类：
1,解偶联剂（ uncouplers）
某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度，
使 ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂。
解偶联剂不抑制电子传递。 不抑制底物水平的磷酸化。
解偶联剂主要有三种类型：
化学解偶联剂,2,4-二硝基苯酚
离子载体：
解偶联蛋白：
化学解偶联剂,2,4-二硝基苯酚
（ 2,4-dinitrophenol,DNP）
DNP在 pH=7的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。
在酸性环境中接受 H+,成为不解离形式，是脂溶性的，
很容易过膜，同时将 H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称 质子载体。
起同样作用的有三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（ FCCP）。
中性环境 酸性环境离子载体 （ 离子载体抑制剂 ）
是一类脂溶性物质,能与 H+以外的其他一价阳离子结合,并作为他们的载体使他们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。
缬氨霉素（ K+）
短杆菌肽（ K+ Na+）
解偶联蛋白 （产热素）
是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然解偶联剂。
它们能形成质子通道，让膜外的 H+通过通道返回膜内，消除跨膜质子浓度梯度。
如：动物的褐色脂肪组织,其产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。
人、新生无毛的哺乳动物以及冬眠的哺乳动物。
2、抑制剂
直接作用于 ATP合酶复合体而抑制 ATP合成的一类化合物。
由于影响（降低） O2的利用率，从而间接抑制电子传递。（区别于电子传递链抑制剂）
寡霉素、双环己基碳二亚胺 （抑制 FOF1某些蛋白的活性）
寡霉素等对利用氧的抑制作用可被 DNP解除。
五、线粒体穿梭系统
真核细胞细胞液中产生的 NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成 ATP.
磷酸甘油穿梭
苹果酸 -天冬氨酸穿梭
外 NADH脱氢酶
1、磷酸甘油穿梭（ P/O=2或 1.5）
NAD+
NADH+H+
P-甘油
P-二羟丙酮
P-甘油
P-二羟丙酮
3-P甘油脱氢酶
（胞液）
FAD
FADH2
3-P甘油脱氢酶
（内膜）
CoQ
Fe-S
FP1
cytb
胞液 外膜 膜间空间 内膜昆虫飞行肌细胞溶胶 NADH利用此穿梭
2、苹果酸 -天冬氨酸穿梭（ P/O=3或 2.5）
苹果酸草酰乙酸
NAD+
NADH+H+
苹果酸草酰乙酸
NAD+
NADH+H+
天冬氨酸谷氨酸
α-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸
α-酮戊二酸
Ⅰ
Ⅱ
1 2
43
胞液膜间空间外膜 内膜 基质
1、胞液的苹果酸脱氢酶 2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶
3、胞液的天冬氨酸转氨酶 4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶
Ⅰ,苹果酸 -α 酮戊二酸反向交换载体 Ⅱ 天冬氨酸 -谷氨酸反向交换载体
1
动物心脏及肝脏胞质溶胶内 NADH
利用此穿梭
3、外 NADH脱氢酶（真菌和高等植物）
NADH脱氢酶 （复合物 Ⅰ ）
内膜内侧，朝向基质
催化线粒体内部的 NADH脱氢交给其辅基 FMN
将氢传递给 CoQ
外 NADH脱氢酶
内膜外侧，朝向膜间空间
是一种以 FAD为辅基的黄素蛋白，催化细胞液的 NADH
脱氢交给其辅基 FAD
将氢传递给 CoQ，不经过复合物 Ⅰ,P/O比为 2或 1.5
外膜内膜膜间空间胞液 基质
NADH+H+ NADH+H+
NAD+NAD+
FPext
FPint
Fe-S
CoQ
cytb
NADH+H+
NAD+
真菌和高等植物的胞液 NADH进入呼吸链氧化的途径
（ P/O=2或 1.5）
FAD FMN
六、氧化磷酸化的调控
ADP是关键物质。
ADP作为关键物质对于氧化磷酸化作用的调节称为 呼吸控制 （ respiratory control）
当细胞利用 ATP做功时,ADP含量上升，
又促进氧化磷酸化作用合成 ATP。
呼吸控制 的定量表示法是测定 ADP存在时 O2的利用率（ III）与没有 ADP时 O2的利用率（ IV）之比值。
完整 MT（ mitochondrion）的呼吸控制值可达 10，而受损伤或衰老的 MT其呼吸控制值可降为 1。
