电子传递链与氧化磷酸化课件

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。NADHNADH-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。

FMNFMNH2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）

CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

氧化型

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

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++FMNFMNH2+NAD+铁硫络合物CoQe-e-

MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+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：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.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）

MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Cytc12Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2cytaa32(Fe-S)2cytcH2O1/2O22H+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ⅣNADH-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：FMNFe-SCytbFe-Scytc1cytaa3Fe-SFADH2NADH+H+CoQcytcO2ⅠⅡⅢⅣ琥珀酸ADP+PiADP+PiADP+PiATPATPATP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

cytc1cytc

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）ΔG0’=-nFΔE0’（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++1/2O2NAD++H2O求此反应的ΔG0’

：因为：1/2O2+2H++2e-H2O,E0’=0.82vNAD++2H++2e-NADH+H+,E0’=-0.32v所以：ΔE0’=0.82-(-0.32)=1.14V

ΔG0’=-2X23.063X1.14=-52.6(Kcal/mol)=-220(KJ/mol)3ADP+Pi3ATP+3H2OΔG0’=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）

chemicalcouplinghypothesis

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-OHAI+BH2+OH-AI+X-H+OH-

X

I+A+H2O

XI+P-OHXP+I-OH

XP+ADPATP+X-HAH2+B+ADP+P-OHA+BH2+ATP+H2O

（2）构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

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PeterMitchell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1978年的诺贝尔化学奖

支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。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。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。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。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）FADFADH23-P甘油脱氢酶（内膜）CoQFe-SFP1cytb胞液外膜膜