20.1 真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中20.2 化学渗透假说解释了电子传递是如何与 ADP

的 磷酸化耦联的20.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学 能的成分20.4 电子传递和氧化磷酸化取决于蛋白质复合物20.5 穿梭机制使得胞液中的 NADH 可被有氧氧化

第 20 章、生物能学——

电子传递和氧化磷酸化

这一章将讨论还原型辅酶 NADH 和 FADH2 被氧化和

形成 ATP 的过程，整个过程称之氧化磷酸化。与此过程类似，植物叶绿体中的光合作用也涉及电子转移和能量的贮存，有光参与的氧化磷酸化过程称之光合磷酸化。

在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，涉及的酶嵌入在线粒体内膜；但在细菌中，酶是嵌入在质膜中。在植物的叶绿体中，类囊体膜含有参与光合作用的成分。

线粒体外膜

线粒体内膜

线粒体基质

从上图可看出 线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密耦联的过程构成的，该过程主要有以下特征：

1 ． NADH 和 FADH2 通过呼吸电子传递链被氧化，该传递

链是由一系列作为电子载体的嵌膜酶复合物组成的。电子从还原型辅酶传递到有氧代谢的最终的电子受体－分子氧（ O

2 ）。

2. 当电子通过复合物传递时，由 NADH 和 FADH2 产生的能

量用来将质子由线粒体基质跨过内膜转移到膜间隙，产生一个质子浓度梯度，使得基质比膜间隙更具有碱性和带有更多负电荷。

3 ．质子浓度梯度可作为自由能库。当膜间隙的质子通过另一个嵌膜酶复合物－ ATP 合成酶经内膜上的通道返回到基质时，自由能库中能量释放出来。即当质子顺着浓度梯度流动时， ATP 合成酶催化 ADP 的磷酸化：

ATP 合成酶

ADP ＋ Pi ATP ＋ H2O

20.1 真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中 鳄鱼的颌肌的快速收缩和迅速松懈就是白肌的典型例子，鳄鱼可以用令人惊讶的速度和力量扣他的颌部，但却重复不了几下。候鸟的飞行肌属于红肌，候鸟需要保持稳定的能量输出。

一个典型的哺乳动物线粒体的直径是 0.2m 到 0.8m ，长度为 0.5m 到 1.5m ，大小类似于大肠杆菌细胞。

线粒体外膜线粒体外膜

线粒体基质 嵴

膜间隙

20.2 化学渗透学说解释了电子传递是如何 与 ADP 磷酸化耦联的

一个质子浓度梯度作为能量库用于驱动 A

TP 的形成的概念被称之化学渗透理论，是由 Peter Mitchell 于 1961 年提出来的，获得了 1978 年诺贝尔化学奖。

解耦联剂存在和不存在条件下线粒体的呼吸 （ a ）过量的 Pi 和底物存在下，当加入 ADP 后，氧快速消耗， （ b ）加入解耦联剂 2,4- 二硝基苯酚后，底物的氧化过程没有发生 ADP 磷酸化

在没有 ADP 的条件下，称为解耦联剂的化合物可以刺激底物的氧化，直至所有的可利用的氧被还原为止，但底物的氧化过程没有发生 ADP 磷酸化。简言之，这些化合物的氧化没有与磷酸化过程耦联。

人们发现了许多解耦联剂，大多数是脂溶性的弱酸，它们的质子化形式和共轭碱形式可以穿过线粒体内膜。例如，典型的解耦联剂 2,4- 二硝基苯酚。

在化学渗透理论中， Mitchell 提出了跨线粒体膜的质子浓度梯度是由线粒体中酶复合物的作用产生的，这一梯度提供的能量用于了 ADP 磷酸化。化学渗透学说主要包括以下几点内容：

1. 一个完整的线粒体内膜对于耦联是绝对需要的。膜对带电的溶剂应当是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，特殊的转运体使得离子代谢物跨过膜。

2. 通过电子传递链的电子传递产生一个质子浓度梯度，线粒体内膜外侧（膜间隙）的 H ＋浓度很高。

3. 一个结合于膜上的酶 -ATP 合成酶在跨膜的质子转移驱动反应中催化 ADP 磷酸化。

20.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学能 的成分 通过呼吸复合物转移到膜间隙的质子经过 ATP 合成酶返回基质时，形成一个质子环流。质子浓度梯度的能量称为质子动力势，类似于电化学中的电动势。

在一分子氧被一个还原剂 XH2 还原的电化学反应池中：

XH2 ＋ 1/2O2 X ＋ H2O

电子从阴极流出，阴极处的 XH2 被氧化：

XH2 X ＋ 2H ＋＋ 2e-

电子由阴极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：

1/2O2 ＋ 2H ＋＋ 2e- H2O

由于两个反应池存在电势差，电子能够通过外部的导线流动。电子流的方向和氧化剂还原的程度是由 XH2 和 O2 之间的自由能的差确定的，而这一差别又取决于它们各自的还原电位。

（ a ）在化学电池中，电子通过连接两个原电池的导线从 XH2 流向氧化剂O2 。（ b ）在线粒体中，质子被跨膜转运到膜间隙，造成跨膜的质子浓度梯度，质子沿着膜间隙水相环路（相当于导线）流回基质。

线粒体中线粒体中化学电池

质子移动既产生化学能也产生电能，化学能对自由能的贡献源于膜两侧的质子浓度差。质子转移的整个自由能变化为：

G＝ nF ＋ 2.303 nRTpH

上式除以 nF 可得到线粒体膜两侧势能的表示式， G/ nF 为质子动力势 p 。

G 2.303RTpH p＝－－＝＋－－－－－－ nF

在 25℃时， 2.303RT/F＝ 0.059V ，所以 p 可以表示为：

p＝＋（ 0.059V ） pH

例如在肝线粒体中，＝ 0.17V ，而 pH＝ 0.5 ，实际上由电荷梯度产生的可利用的自由能比 pH 梯度产生的自由能大（ 85％对 15％）。 p＝ 0.17V ＋ 0.059V×0.5＝ 0.2V

20.4 电子传递和氧化磷酸化依赖于蛋白复合物 牛心肌中线粒体呼吸电子传递链复合物的一些特征

电子传递反应的次序

要注意的是，表中的电位值是从负到正，一般来说每个底物或中间物都是被氧还电位比它们还要高的辅助因子或底物氧化的。

底物和电子传递链中辅助因子的标准还原电位

表 17.3每一个复合物催化的反应中产生的可利用的标准自由能

标准还原电位与标准自由能的变化有直接的关系：标准还原电位与标准自由能的变化有直接的关系：

G＝－ nFE

[2Fe-2S] 和 [4Fe-4S] 两种类型铁 -硫簇的结构

1 辅助因子在电子传递中具有特殊的作用 在复合物 I 、 II 和 III 中都存在着 [2Fe-2S] 和 [4Fe-4S] 两种类型的铁 -硫簇。当三价铁离子（ Fe3+ ）和二价铁离子（ Fe2+ ）之间进行氧化和还原时，每个铁 -硫簇可以接受或给出一个电子。

2 复合物 I 将来自 NADH 的电子传递给泛醌 复合物 I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之 NADH脱氢酶）催化 NADH 的两个电子转移给泛醌。 鱼藤酮（一种植物毒素）和安密妥加入到线粒体悬浮液将阻断复合物 I 中的电子传递。

复合物 I 中电子转移和质子流

通过复合物 II 的电子流

3 复合物 II 将电子由琥珀酸转移到泛醌 来自琥珀酸的两个电子转移给 Q 涉及到 FAD 被一个氢化物离子还原和还原型黄素的两个单电子传递给 3 个铁 -硫簇的过程。

4 复合物 III 将电子由 QH2 传给细胞色素 c

复合物 III泛醌 - 细胞色素 c 氧化还原酶，含有 9 个或 10 个不同的亚基，一个 [2Fe-2S] 蛋白质，细胞色素 b 和细胞色素 c1 。伴随着一分子 QH2

的氧化有 4 个质子被转移到线粒体膜间隙中，其中的两个质子来自 QH2 ，另两个来自基质。电子被单电子载体细胞色素 c接受，细胞色素 c沿着内

膜的胞液侧移动并将一个电子转移给复合物 IV 。抗霉素 A 可以阻断电子传递。

复合物 III 中电子传递和质子流

5 复合物 IV 将电子从细胞色素 c 传给 O2

复合物 IV 细胞色素 c 氧化酶是呼吸电子传递链的最后一个成分，这

个复合物催化分子氧（ O2 ）还原形成水（ 2H2O ）和将质子转移到膜间隙。

复合物 IV 含有细胞色素 a 和 a3 ，它们的血红素辅基相同，但还原电

位不同。复合物 IV 中其它的氧化 - 还原辅助因子是两个铜离子（ CuA 和

CuB ），当它们参与电子传递时，变换于 Cu2+ 和 Cu+状态之间。

细胞色素 c 氧化酶对质子浓度梯度的贡献是通过两种方式表现出来的。

第一种方式是每传递一对电子（即为了还原 O2 中的每一个氧原子）就转

移两个 H ＋，第二种方式是当氧被还原为水时消耗基质 H ＋。后一种方式虽然不参与实际的跨膜 H ＋转移，但仍然对 p 的形成有贡献，这一效果与每传递一对电子可以净转移 4 个 H ＋的效果是一样的。

复合物 IV 中电子传递和质子流动

一分子 O2 的还原需要 4 个电子（相当于两分子 NADH ＋ H

＋ ）和 4 个质子。

O2 ＋ 4e －＋ 4H ＋－－－→ 2H2O

O2 的还原发生在一个催化中心，该中心包括细胞色素 a3

的血红素铁原子和相邻的铜原子 CuB 。正是这个所谓的双核

中心可以结合有毒的配体，例如氰化物和一氧化碳。所以氰化物和一氧化碳是复合物 IV 中电子传递的阻断剂。

6 复合物 V 将质子进入基质与 ATP 的形成耦联起来

复合物 V 是一个 F- 型 ATP 酶（ ATPase ），称为 FoF1AT

P 合成酶，该酶的结构为球 -柄结构，象一个“球形”捏手（门把手）。 F 代表一个耦联因子 ATP 酶，它将底物氧化与线粒体内 ADP 的磷酸化耦联起来。

F1 组分含有催化亚基，当以可溶性形式将它从膜中分离出

来时，它可以催化 ATP 的水解，习惯上都将 F1 称之 F1ATP 酶。

Fo 是一个跨膜的质子通道，质子经过通道进入基质的过程

与 ATP 的形成耦联。每合成一分子 ATP 大约有 3H ＋经通道进入基质。之所以命名为 Fo 是因为该成分对寡霉素敏感，寡霉素

可结合在通道中，防止质子的进入，抑制 ATP 的合成。

大肠杆菌 ATP 合成酶的球 -柄形结构

结合 -变换机制认为 ATP 合成酶 33寡聚体含有 3 个催化部位，在任一给定时间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧缩。所有 3 个催化部位都依次经历上述 3种构象变化。

ATP 形成和释放可能涉及的几个步骤

20.5 穿梭机制使得胞液中的 NADH 可被有氧氧化1 甘油磷酸穿梭机制在昆虫飞行肌中占优势

2 苹果酸 -天冬氨酸穿梭是哺乳动物中更为活跃的穿梭机制

NADH, H＋

NADH, H＋

1. 通常将生物化学标准还原电位（ E°ˊ）定义为于 pH7.0、起始反应物和产物浓度都为 1.0M下的反应电位。而生物化学实际的还原电位（ Eˊ）定义为于 pH7.0、起始反应物和产物浓度不是 1.0 M下的反应电位。 E°ˊ与反应的平衡常数有关，借助于能斯特（ Nernst）方程可以计算 Eˊ。还原电位的改变等价于自由能的改变。

2. 氧化还原由两个半反应组成。具有小的还原电位表现出很强还原剂的半反应提供电子给另一个半反应，而其本身被氧化。从两个半反应成分的 E°ˊ 或 Eˊ值可以推测整个氧化还原反应的方向。在细胞条件下只有 Eˊ可以确定整个反应的方向。

要点归纳

3. 氧化磷酸化发生在线粒体，由两个紧密偶联的过程构成：

① 来自 NADH 和 FADH2 的电子通过位于线粒体内膜的

电子传递链（也称之为呼吸链）传递给 O2 ，电子传递导

致质子由线粒体基质泵到线粒体内外膜之间（膜间隙），产生膜电位。

② 当质子沿 ATP 合成酶中的通道流回线粒体基质时驱动ATP 的生成。

4. 呼吸链是由四个复合物构成的，基本上是按照相对还原电位的高低排列的。

来自 NADH 的电子转移到 NADH-Q 氧化还原酶（复合物I ）后传递给泛醌（ Q ），形成 QH2 。

在琥珀酸脱氢酶是琥珀酸 -Q 还原酶（复合物 II ）催化下将来自 FADH2 的电子传递给泛醌（ Q ），形成 QH2 。

QH2 将电子传递给 Q- 细胞色素 c 氧化还原酶（复合物 II

I ），复合物 III 将细胞色素 c 还原。

细胞色素 c 将电子转移给细胞色素 c 氧化酶（复合物 I

V ），该复合物还原细胞色素 a 、 a3 和三个铜离子。血红素

中的铁离子和铜离子将电子转移给电子的最终受体 O2 ，形成

H2O 。

5. 电子通过复合物Ⅰ、复合物Ⅲ和复合物Ⅳ转移时都会导致质子由线粒体基质转移到线粒体的膜间隙。结果产生包括pH 梯度（基质一侧为碱性）和膜电位（基质一侧带负电荷）的质子移动力。膜间腔中的质子流经过 F0F1ATP 合成酶中的 F

0 成分重新进入线粒体基质。质子流驱动 F1ATP 合成酶催化由

ADP 和 Pi 合成 ATP 。

6. 来自 NADH 的一对电子通过复合物Ⅰ、复合物Ⅲ和复合物Ⅳ转移到 O2所产生的质子流足以合成 3 分子 ATP ，但来

自 FADH2 的一对电子只能产生 2 分子 ATP 。就是说线粒体 N

ADH 的氧化可以产生 3 个 ATP ； FADH2 氧化可以产生 2 个

ATP 。换言之，每消耗一个氧原子可以合成 3 个或 2 个 ATP 。常用 P/O 比表示， NADH 氧化的 P/O＝ 3 ； FADH2 氧化的 P

/O＝ 2 。

7. 胞液中的 NADH进入线粒体内有两种途径：甘油磷酸穿梭途径和苹果酸 -天冬氨酸穿梭途径。

胞液中的 NADH 经甘油磷酸穿梭途径转换为线粒体的 Q

H2 ，线粒体 QH2 生成二分子 ATP 。

胞液中的 NADH 经苹果酸 -天冬氨酸穿梭途径转换为线粒体的 NADH ，可以生成三分子 ATP 。

所以一分子葡萄糖经酵解、柠檬酸循环和电子传递氧化

磷酸化降解为 CO2 和 H2O 的同时是生成 36 ，还是 38 分子

ATP 主要取决于使用了哪种穿梭途径。