4.3.2 需传递链的生物氧化体系• 由多个酶进行催化• 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的

传递体传递给氧•含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶•三种以上的酶系，包括 NAD+ 型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶

第五节 电子传递链• 5.1 Concept and history

生物氧化体系解决的是呼吸状态下有机物脱氢及氢的去路问题，即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子，最终把氢和电子交给氧生成水，并产生 ATP 的问题。

• 电子传递（ electron transfer): 底物脱下的氢和电子经过系列载体的序列氧化还原反应，最终把电子和氢质子传递给受体的过程，称之为电子传递。

• 电子传递链（ electron transfer chain): 由一系列递氢体和递电子体组成的氧化还原反应链，称之为电子传递链。参与底物氧化的电子传递链也叫做呼吸链（ respiration chain) 。

• 递氢体：电子传递链中同时参与传递 H ＋与电子的辅酶或辅基

• 递电子体：电子传递链中参与传递电子的辅酶或辅基

呼吸链的研究过程

Thunmburg & Vieland

生物氧化主要是氢

激活

Warburg

生物氧化需要含铁的呼吸酶，氧激活是生物氧化

的基本机制

Keilin

1900 － 1920 1925

细胞色素起电子传递的作用

1935

Szent-Györgyi

生物氧化中氢与氧的激活都是必需的，黄素酶参与电子传递

21 世纪

Who ?

机制

Us!

5.2 呼吸链的组成及其作用机制• 5.2.1 吡啶核苷酸与吡啶核苷酸型脱氢酶 吡啶核苷酸型脱氢酶，属脱氢酶类，包括脱氢酶

复合物，但它们的辅酶大多相同，主要有两种：

NAD+ （ CoI ）： Nicotinamide AdenineDinucleotide

NADP+(CoII): Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate

分子中起递氢作用的是烟酰胺，能反复氧化和还原，起到接受氢和提供氢的作用而传递氢。

根据 NAD(P)+ 的光谱变化进行测定

NAD （ P ） H 连接的脱氢酶催化的一些重要反应

5.2.2 黄素脱氢酶类• 是一类不需氧的含黄素的脱氢酶；• 种类多，酶蛋白不同，辅基有两种：

黄素单核苷酸（ Flavin Mononucleotide ， FMN) ；黄素腺嘌呤二核苷酸（ Flavin Adenine Dinucleotide, FAD)

• 此类酶催化由 NADH 分子上脱氢（ NADH 脱氢酶，酶蛋白称为 FP1 ），生成 FMNH2 ，或催化由琥珀酸分子上脱氢（琥珀酸脱氢酶，酶蛋白称为 FP2 ）生成FADH2 。

5.2.3 铁 - 硫中心（ Iron-sulfur Centers, 铁硫蛋白 )

• 铁硫中心（ Fe-S ）：铁硫蛋白中铁与无机硫原子和 / 或蛋白质中 Cys 残基的硫原子相连所形成的活性基团。

• 铁硫中心的结构：最简单的是单铁原子与 4 个Cys 的 -SH 相连；更复杂的是有 2 个或 4 个铁原子。 Rieske 铁硫蛋白则为 1 个铁原子与两个His 残基相连。

铁 - 硫中心（ Iron-sulfur Centers)

• 功能：所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒体中至少有 8 个铁硫蛋白参与电子传递。

铁 - 硫中心（ Iron-sulfur Centers)

5.2.4 辅酶 Q （ Coenzyme Q ， CoQ ）

•脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名，又称泛醌 (Ubiquinone) 。位于线粒体内膜。•辅酶 Q 为电子和质子载体。 CoQ 在呼吸链中接受黄素脱氢酶传递过来的 H ，本身被还原为氢醌，再把 H 传递给 Cyt 体系而被氧化，接受 1 e 变为半醌自由基，接受 2e 变为氢醌 (QH2) 。

• CoQ 不仅接受 NADH 脱氢酶的 H ，还接受线粒体内其它脱氢酶的 H ，如琥珀酸脱氢酶，脂酰 CoA 脱氢酶及其它黄素脱氢酶脱下的 H ，在电子传递链中处于中心地位。

5.2.4 辅酶 Q （ Coenzyme Q ， CoQ ）

辅酶Q

的氧化还原

氧化型泛醌

半醌自由基

氢醌

5.2.5 细胞色素（ cytochromes ）

•结构：细胞色素是一类色蛋白，以血红素为辅基

•功能：在电子传递链中起传递电子的作用：通过血红 素中 Fe 原子的价态变化传递电子（血红蛋白与

肌红蛋白的血红素不发生价态变化）

Fe3+ + e- Fe2+

•血红素结构是划分细胞色素的依据 a, a3, b, c, c1…..

•都是膜结合蛋白，只有 Cyt c 是可溶的

•不同的血红素有不同的特征吸收谱带；•血红素的氧化态与还原态的光吸收是不同的

Cytochrome c

• 分子量为 ~13,000 ；• 唯一水溶性的细胞色素；• 位于线粒体内膜的外测；• 每次接受和传递一个电子

Cytochrome c oxidase:

•血红素结构不同，非共价键；•含有 Cu 离子，通过价态变化传递电子；

从 NADH→O2 的电子传递顺序：NADH→FP1→4FeS →CoQ

↓Cyt b

→(2FeS)

→Cyt c1→Cyt c ↓Cyt a1a3→O2

5.3 电子传递链各组分的排列顺序The order of the electron-transferring chain

5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据

• (1) 氧化还原电位的测定： 电子传递链的每一个组分都有氧化型和还原型，

构成一个半电池 电子流 电位

低

高

势能

高

低

• (2) 电子传递链的体外重组实验 证明电子传递有顺序，不能越位进行

5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据

• (3) 电子传递链复合体的分离 复合物在电子传递功能上顺序地联在一起

5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据

5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据• (4) 光谱学测定 在完全还原的电子传递链中，加入氧后测

得各递体的氧化顺序发生。

• (5) 电子传递抑制剂试验5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据

以上实验或试验证实了从 NADH→O2 的电子传递顺序：

5.4 电子传递链中的复合体• 复合体Ⅰ： NADH 脱氢酶复合体

也称 NADH: 泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由 42条不同的多肽链组成，包括含 FMN 黄素蛋白和至少 6 个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物 I 为 L 形， L

的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。

复合体Ⅰ： NADH 脱氢酶复合体

复合物 I 催化两个同时发生的偶联过程：

（ 1 ） NADH + H+ + Q NAD+ + QH2

（ 2 ） 4 个质子由基质转到内膜外

因此，复合物 I 是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。

NADH:CoQ 氧化还原酶（复合物Ⅰ， NADH 到泛醌）

复合物Ⅱ ：琥珀酸到泛醌也称琥珀酸脱氢酶，是 TCA循环中唯一

的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合物Ⅰ小而简单，但含有两类辅基和至少 4 种不同的蛋白， 1 个蛋白与 FAD 及有 4 个铁原子的 Fe-S

中心共价结合； 1 个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向 FAD ，然后通过 Fe-S 中心到泛醌。

呼吸链上还有其他底物的电子流经 Q ，但不经过复合物 II ，如脂酰 CoA 脱氢酶、 3-

磷酸甘油脱氢酶等（见图）。

琥珀酸脱氢酶（琥珀

酸到泛醌：复合物I

I

）

复合物Ⅲ ：泛醌到细胞色素 c

又称细胞色素 bc1 复合物，或泛醌：细胞色素 c 氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到 Cyt

c 的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。

复合物Ⅲ和Ⅳ结构的确定（ 1995-1998 ，X-射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物Ⅲ是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有 11 个不同的亚基。

复合物Ⅲ ：泛醌到 Cyt c（细胞色素 bc1 复合物或 CoQ: Cyt c 氧化还原

酶）

含有约 10条以上多肽链

Cyt b562

Cyt b566

Cyt c1

铁硫蛋白其它 6 种蛋白

主要催化 Q循环

Cyt bc1 复合物或泛醌 :Cyt c 氧化还原酶

单体 二聚体功能单位

Q循环（ The Q Cycle)根据复合物Ⅲ的结构和氧化还原反应详细的生物化学研究，提出了电子经复合物Ⅲ的 Q循环：QH2 + 2cyt c1 （氧化型） + 2HN

+ Q + 2cyt c1( 还原型） + 4Hp+

转移的净效应： QH2 被氧化成 Q ， 2 cyt c 被还原，释放 4 H+ 到内膜外空间 。这种通过辅酶Q 氧化还原的循环变化进行的电子传递方式称为Q循环。

Q循环（ The Q Cycle)

•QH2 在线粒体内膜的 P 侧释放 1H+ ，提供 1 e 到 Cyt b ，氢醌氧化为半醌；•半醌释放 1H+ ，电子传递给 Cyt c1 （通过 Fe-S 中心） ，半醌氧化为醌并转至 N 侧；•Q 接受由 Cyt b 传递的 1 e 并从基质中利用 1H+ 还原为半醌；•半醌接受 ComplexⅠ或Ⅱ传递的电子，再从基质中利用 1H+ ，完全还原为氢醌。P: Positive; N: Nagative

复合物Ⅳ：细胞色素 C 到 O2

• 复合物Ⅳ又称细胞色素氧化酶，在呼吸链的最后一步，把 Cyt c 的电子转移给 O2 ，使其还原生成 H2O 。

• The complex has a large molecule (MW 204 k

D) and consists more than ten subunits (13);

复合物Ⅳ：细胞色素 C 到 O2

• Contains 4 redoxin centers ：– Two heme A and two copper ions (in different envir

onment) act as cofactors:

• subunit has 2 hemes (aⅠ 、 a3) and one copper ions (CuB)

• subunit has 2 copper ions (CuA)Ⅱ• Four electrons are transferred for complete red

uction of O2 ， and 4H+ transferred out of the in

ner membran of the mitochondria.

复合物

Ⅳ的电子流向

电子传递的顺序为： Cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2 ，每 4 e 通过复合物时，酶从基质中消耗 4 个“底物” H+ ，生成 2 H2O ，每通过 1 e ，利用氧化还原反应的能量泵出 1 H+ 到内膜外空间。

呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图

5.5 线粒体中的两类电子传递链• 5.5.1 NADH·H+ 电子传递链—多酶体系电子传递链

α-酮戊二酸

丙酮酸

苹果酸

异柠檬酸

谷氨酸

β-羟酯酰 -CoA

FP6 FP5

NAD+ →FP1 → → → → →O2

• 5.5.2 琥珀酸型电子传递链—二酶体系电子传递链

5.5 线粒体中的两类电子传递链

琥珀酸 FP2

磷酸甘油 FP3

酯酰 -CoA FP4

CoQ →(2FeS) → → → →O2

5.6 电子传递的能量计算• 从 NADH → O2 的电子传递过程中

Eº’NAD+/NADH = -0.32

Eº’O2/H2O = 0.82

∴ ΔEº’ = + 0.82 – (-0.32) = 1.14 (V)

∴ ΔGº’ = -nFΔEº’

= -2 × 23.062 ×1.14

= -52.7 (kcal/mol) = - 220 kJ/mol

• 同理，琥珀酸型电子传递链 FADH2 → O2 ΔGº’

= - 152 kJ/mol

• 能量利用率： (30.54 × 3/220) × 100% ≈ 42%

第六节 电子传递与 ATP 合成

• 细胞内 ATP 的产生一定是在 ADP 水平上

ADP + Pi → ATP

• 异养生物体内高能磷酸键的形成方式有两种：底物水平（基质水平，或底物）磷酸化、电子传递水平（氧化）磷酸化。

6.1 底物水平磷酸化 (Substrate Level Phosphorylation)• 底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种

高能中间化合物；• 高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分

子重排形成的；• 高能键通过转磷酰基给 ADP ，转移时有非常

大的平衡常数和一个大的 ΔGº’ 负值；

• 一分子高能中间化合物只能形成一个 ATP ；• 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯

一方式

底物水平磷酸化 : 高能磷酸键的形成及转移底物水平磷酸化 (Substrate level phosphorylatio

n)

6.2 氧化磷酸化（ Oxidative Phosphorylation)

生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给 ADP 形成 A

TP 的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成 ATP 的过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。

占体内 ATP 合成总量的 95％。

NADH →FP1(4•FeS) →Q→(2•FeS)→Cyt b(FeS)→c1 → c → aa3 → O2

6.2.1 电子传递的自由能降与 ATP 的形成部位

线粒体利用质子推动力合成 ATP

6.2.3 腺苷酸和磷酸转位酶线粒体利用质子推动力合成 ATP ，但 A

DP 和 Pi 必须运到线粒体内，同时合成好的 A

TP 必须能运出线粒体以便在胞质中提供能量。

腺苷酸转位酶 (Adenine nucleotide transl

ocase) 是线粒体内膜上的酶，为逆反转运体，可以把 ADP 和 Pi 转运到线粒体内，也能把合成的 ATP 从线粒体运到胞液。

腺苷酸和磷酸转位酶

6.2.4 磷氧比（ P/O ）代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化

生成水，这一过程中所产生的 ATP 分子的数目（即消耗 1 个 O2 原子所产生 ATP 的数目）称为磷氧比（ P/O ）。

代谢物脱下的 2H 经 NADH 氧化呼吸链被氧化为水时，生成 3ATP （ P/O3 ），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成 2ATP

（ P/O2 ）。

6.2.5 ADP 、 Pi 、 ATP对氧化磷酸化作用的影响

ADP/ATP小，氧化磷酸化缓慢、表现为抑制作用 ADP/ATP 大，氧化磷酸化加快、表现为促进作用•氧化磷酸化的 (磷酸 ) 受体 [ADP]控制呼吸作用的现象称为 (磷酸 ) 受体控制 ( 呼吸控制 ) 。•根据线粒体的呼吸状况分成五种状态

12

3

3

4

5

ADP底物

时间

O2 m

mol

/L

3

4

4

ΔADPΔO =

PO

受控比（呼吸控制比值）：有 ADP 存在时氧的利用速度和没有 ADP 时氧的利用速度的比值。

时间

ADP

ADP

O2 m

mol

/L

6.2.5.1 电子传递链的抑制剂

三类电子传递抑制剂

NAD-CoQ 之间的抑制剂

Cyt c-Cyt b 之间的抑制剂：

Cyt a1a3-O2 之间的抑制剂 :

鱼藤酮 (rotenone)

安米妥 (amytal)

匹杀丁 (piericidin)

氰化物等

抗霉素 A(antimycin A)

6.2.5 氧化磷酸化的解偶联与抑制作用

6.2.5 氧化磷酸化的解偶联与抑制作用

• 解偶联剂（ uncoupler)

如（ 2,4-dinitrophenol,

DNP) ，解除偶联的 ATP

的产生 ;

• 不阻止电子的传递 ;

• 导致呼吸作用无限增强 ;

• 能量以热能形式放出

6.2.5.2 氧化磷酸化的解偶联剂

O2 m

mol

/L

3

4

4

时间

ADP

解偶联剂

解偶联剂的作用机理接受质子成为非解离形式，脂溶性，可过膜。

pH 为 7 时， DNP 以解离形式存在，脂不溶性，不能过膜。

质子被带入膜内，打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用于 ATP 形成， P/O 下降。

• 直接作用于 ATP合成酶复合体，阻止 ATP 的合成；

• 阻止电子传递和氧的消耗；

• 对电子传递的抑制作用可被解偶联剂解除

6.2.5.3 氧化磷酸化的抑制剂

• 作用于 H+ 以外的一价阳离子；• 类似于解偶联剂，增大一价阳离子的通透性，使 K+ 、 Na+ 离子迅速穿过线粒体膜；

• 迫使线粒体耗能用于离子的运输，使呼吸能被无效地消耗

6.2.5.4 离子载体型抑制剂

6.2.3 氧化磷酸化作用的机理

(1)  化学偶联假说（ chemical coupling hyp

othesis ），认为电子传递和 ATP 生成的偶联是通过一系列连续的化学反应，而形成一个高能的共价中间物，用于 ATP 的形成—活性中间物假说。

6.2.3 氧化磷酸化作用的机理

• (2) 构象偶联假说（ conformational coupling

hypothesis ），认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化而形成一种高能形式，进一步使 F0F1-ATP 酶高能化，用于 ATP 的生成。

氧化磷酸化作用的机理

(3) 化学渗透假说（ chemiosmotic hypot

hesis ），认为电子传递的结果把 H+ 从线粒体内膜基质泵到膜外液体中形成一个跨内膜的 H+梯度，这种 H+梯度渗透能（质子推动力 Proton-motive force ，质力）用于 ATP 的生成。

化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)

1961 由 Peter Mitchell （ 1920-1992 ）（英国生化学家）提出。

完整的线粒体膜是氧化磷酸化必须的 线粒体内膜对 H+等离子具不通透性

实验证据 电子传递时 H+ 由内向外泵出 在 ATP 形成时 , H+ 由外向内流动

解偶联剂解除 H+ 不通透性 , 同时解除 ATP合成

线粒体膜翻转后 , H+ 由外向囊泡内流动

化学渗透模型（C

hem

iosm

otic Mod

el)

ATP 合成酶 位于线粒体内膜的内表面，又称 F1/Fo-

ATP 合成酶。 F1 由 5 种亚基组成，为酶复合物的球状头部，也是活性中心，位于内膜基质表面。 Fo横贯内膜，含有质子通道，由 4

种亚基组成。茎部有寡霉素敏感蛋白（ OSC

P ），有调节 Fo 、 F1 的功能。

线粒体 ATP 合成酶复合物

F0F1 结构 酵母 F0F1 结构 F0F1 复合物结构

关于能量代谢的补充说明

传统的能量代谢理论认为，有机物脱下的 H 经氧化呼吸链传递时， 1 FADH2 可生成 2ATP ， 1NADH•H+ 可产生 3ATP 。

现在普遍接受这样的观点，呼吸链递氢和递电子所产生的能量并不完全用于 ATP 的生成， 1 FADH2 只生成 1.5ATP ， 1NADH•

H+ 只产生 2.5ATP 。

第七节 非线粒体氧化体系 1. 微粒体氧化体系（ Microsome oxidative system ）

2. 过氧化物酶体氧化体系（ Peroxisome oxidative system ）

微粒体氧化体系（ Microsome Oxidative Syste

m ）由含黄素的脱氢酶、铁硫蛋白、 CytP450 组成，催化分子氧的两个氧原子分别进行不同的反应，其中一个 O加到底物分子上，另一个与 NADPH+H+ 的氢生成水，与 ATP 的生成无关。这种系统又称为加单氧酶 (monooxygenase) ，也称双功能加氧酶 (double function oxygenase) ，也有称之为 CytP450羟化体（酶）系。

意义 : (1) 胆酸生成中的环核羟化； (2) 不饱和脂肪酸生成中的双键引入； (3)Vit D 的活化； (4)药物、致癌物及毒物等的氧化解毒。

过氧化物酶体氧化体系（ Peroxisome oxidative system ）

含有较多的需氧脱氢酶，可催化 L-aa, D-aa, 黄嘌呤等的脱氢、加氧，并生成 H2O2 ，如

RCH(NH2)COOH+O2+H2O

RCOCOOH+NH3+ H2O2

能量无利用，生成的 H2O2 功能重要：（ 1 ）   甲状腺中 H2O2 参与活性碘的生成；（ 2 ）   中性粒细胞中可杀灭被吞噬的细菌；（ 3 ）   参与一些生化作用。

Eº’ O2/H2O = 0.82

∴ Δ∵∶ ≈≤ ∞√∑〜≧≦∝ ⅠⅡ←ⅢⅣⅤⅥⅦⅧ ⅨⅩⅪⅫ

↑→↓↔↕↖↗↘↙℃‖℉