第 24章 生物氧化 ——电子传递链和氧化磷酸化作用

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。

（ 3）当有机物被氧化成 C2O 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

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

释放的能量转化成 ATP 被利用 转换为光和热，散失

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 C2O 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：

生物氧化 体外燃烧

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

三、氧化还原电位与自由能1 、氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用 E 表示。 氧化还原反应—指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。 通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。 标准氢电极——是指在 25C、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活度为 1质量摩尔浓度的溶液中（其pH=0）形成的。规定其电极电位为 o。 所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为该物质的标准氧化还原电位。

标准状态下测得的为标准氧化还原电位 E0 ；而生化反应是在 pH=7.0条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为生化氧化还原电位 E0

生化标准氧化还原电位（ E0 ）：生化标准条件下（ 25C、一个大气压、 pH=7.0 、电子供体和电子受体的浓度都是 1mol/L），发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。

一般 E0 值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。E0’值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。在氧化还原反应中，电子总是从 E0’值较小的物质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。

举例： 生物体内一些氧化还原体系的生化氧化还原电位 E0

自由能变化（ ΔG） : A B ΔG= GB - GA

ΔG 是衡量反应自发性的标准。 ΔG< 0，放能，自发进行，可以产生有用的功 ΔG >0，吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。 ΔG =0 ，平衡状态

三、氧化还原电位与自由能

2 、自由能（ G） : 指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。

生化标准自由能变化 (ΔG0)

指在标准条件下，即温度为 25℃，参加反应的物质浓度为 1mol/L,若有气体，则为 1个大气压， pH为 7时，测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol 。过去曾用 cal/mol;kcal/mol

1kcal/mol=4.18 KJ/mol

3 、自由能变化与平衡常数的关系

• 生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用 k 表示。

ΔG0’=-RTlnkeq =-2.303RT lgkeq 标况下， T=298K, R=1.987 cal/mol.k =8.314 J/mol.k ΔG0’(cal/mol)=- 1364 lgk ΔG0’ (J/mol) =-5706 lgk

'eq

'eq

'eq

ΔG= ΔG0’+RTlnkeq= ΔG0’+ 2.303RT lgkeq

一个反应能否自发进行，判断依据是 ΔG ， ΔG 主要依赖于反应物的性质及其浓度。

4 、自由能变化与氧化还原电位的关系

生化标准氧化还原电位差（ ΔE0 ’ ）：= ΔE0 ’ =正极 - 负极

ΔE0’= E0 ’氧化剂 -E0 ’还原剂 = E0 ’电子受体 -E0 ’电子供体 ΔG0 ’ =-nF ΔE0 ’ 其中 n 为转移的电子数， F 为法拉第常数， F=96.496kJ/v.mol =23.063kcal/v.mol ΔE0 ’的单位为伏特（ V）

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

第二节 电子传递链 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。即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（ 4种都是非亲水性蛋白质）。

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

呼吸链的组成

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（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还原酶是电子传递链中第一个质子泵，它是一个大的蛋白质复合体，分子量为 88000，至少含34 条多肽链， 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

NAD+ 与 NADP+ ：

NAD+ / NADP+

NADH+H+ / NADPH+H+ ：＋ 2H

－ 2H

FMN( 黄素蛋白的辅基 ) ：

FMN FMNH2

＋ 2H

－ 2H

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 Cys S S S Cys FeFe3+3+ FeFe3+3+ Cys S S S CysCys S S S Cys

Cys S S S Cys Cys S S S Cys FeFe3+3+ FeFe2+2+ Cys S S S CysCys S S S Cys

+e-

-e-

铁硫聚簇通过铁硫聚簇通过 FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变化，将氢从变化，将氢从 FMNH2上脱下传给 CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个起传递电子的作用，每次传递一个电子电子 ..

铁硫蛋白：Fe3+ Fe2+

＋ e

－ e

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

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

CoQ CoQH2

＋ 2H

－ 2H

辅酶 Q 在线粒体内膜中有结合到膜上的．也有游离的，以两种形式存在。辅酶 Q 不只接受 NADH脱氢酶的氢，还接受线粒体其他脱氢酶脱下的氢，如琥珀酸脱氢酶，脂酰 -CoA脱氢酶以及其他黄素酶类脱下的氢。所以辅酶 Q 在电子传递链中处于中心地位。由于它在呼吸链中是一个和蛋白质结合不紧的辅酶，使它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特殊灵活的载体而起作用。

辅酶 Q 有一个以异戊二烯单位构成的长碳氢链，不同生物中长度不同，哺乳动物中为 10个异戊二烯单位，简写为 Q10，非哺乳动物中为 6-8个异戊二烯单位。它的作用是使辅酶 Q 成为非极性化合物，使其在线粒体内膜的脂双层中可以迅速扩散。

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，位于线粒体内膜上，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。电子在从 FADH2转移到 CoQ上的标准氧化还原电势变化不能产生足够的自由能来合成ATP，因此此步骤没有 ATP生成。

FAD （黄素蛋白的辅基） :

4 、细胞色素还原酶（细胞色素 bc1复合体、复合体Ⅲ、辅酶 Q-细胞色素 C 还原酶 ）

位于线粒体内膜上，其辅基包括细胞色素b562、细胞色素 b566、细胞色素 c1和铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。两种细胞色素 b 在细胞色素还原酶中以游离形式存在，而细胞色素 c1则以共价键与蛋白质连接。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

细胞色素是以铁卟啉（血红素）为辅基的电子传递蛋白质（有颜色，红色或褐色）的总称。几乎存在于所有的生物体内。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 的辅基是铁 -原卟啉Ⅳ（也叫 b型血红素），细胞色素 c 、 c1 的辅基是 c 型血红素，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 ）

细胞色素的辅基——铁卟啉：Fe3+ Fe2+

＋ e

－ e

5 、细胞色素 c

起着在复合体 III 和Ⅳ之间传递电子的作用。（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。由一条多肽链组成，含 104 个氨基酸残基，分子量 13000 。

细胞质 线粒体基质

线粒体外膜

线粒体内膜

无血红素细胞色素 c

成熟的细胞色素 c

血红素

合成酶

是嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白。其辅基包括两个血红素 cyt.a和 a3 组成及 2 个铜原子（ CuA ， CuB ）。构成 4个氧化 -还原活性中心。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 。 O2 是最终的电子受体。细胞色素氧化酶也叫末端氧化酶。

6、细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ、细胞色素 c 氧化酶 ）

细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（ 1010 个亚基的多聚蛋白）个亚基的多聚蛋白）

血红素 a 位于亚基Ⅱ上，与CuA 接近，形成血红素 a- CuA聚簇，血红素 a3 位于亚基Ⅰ上，与CuB 接近，形成血红素a3-CuB 聚簇。

细胞色素氧化酶催化氧接受 4个电子的过程。

[Fe3+ Cu2+]

[Fe3+ Cu+]

[Fe2+ Cu+]

e-

e-

Fe2+-O Cu+=OFe3+-O- Cu2+=OFe4+=O Cu2+

O-H-H

O2

e-+2H+

e-+2H+

H2O

容易与氧气结合

过氧中间体

高铁中间体

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：

NADH+H+ FMN Fe-S CoQ cytb Fe-S cytc1 cytc cytaa3 O2

Fe-S

FAD

FMN Fe S Cytb Fe-S cytc1cytaa3

Fe-S

FADH2

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ Ⅳ

NADH 氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链

三、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 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素

CoQ

cytb 抗霉素 A cytc1

cytc

cytaa3 氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物

O2