电子传递H2O质子梯度•氧化磷酸化

第3章糖代谢-3-生物氧化第4节生物氧化生物氧化（）：也称为细胞氧化和细胞呼吸。有机分子在细胞内氧化分解成CO 2 和H 2 O，并释放能量形成ATP的过程。• 电子传输  H 2 O • 质子梯度 • 氧化磷酸化  ATP EMP /TCA CO 2 , , ATP , NADH , FADH 2 一、氧化还原电位：1. 概念：氧化还原反应：任意电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。氧化还原对：NAD+ / NADH+H+ 氧化还原电位 (-)：氧化剂获得电子（或还原剂失去电子）的倾向。电极电位（E）和电动势（ ）：电动势  = E正极-E负极标准电极电位（E 0 ）：标准条件下的氧还原对（PH=0，25C，1atm，电子供给受主浓度为1 mol的电极电位/L)。调节：标准氢电极的电极电位：E 0 H+ / H2 = 0 与标准氢电极组成化学电池：标准电动势（  0 ） 能斯特方程计算电极在溶液中的电极电位： E n = E 0 + RT / nF·ln [电子受体] a[电子供体] bE n - 电极电位；E 0——标准电极电位 R——气体常数；T——绝对温度；n - 氧化还原价；F——法拉第常数标准电位（ ）：标准条件下（PH=0、25C、1atm、

  0 或 E 0 表示 pH = 7 时的标准氧化还原电势：   0 ' 或 E 0 ' 标准电势较高的氧化还原对趋于获得电子 2 电势与自由能和平衡常数的关系：自由能表示氧化还原体系转移电子的能力  G 0 '= - n F  E 0 'n——氧化还原反应中转移的电子数；F —— 法拉第常数 ( / V mol )  E 0 ' —— 受主系统和施主系统的标准电位差 = - RT ln Keq 3 标准电动势与平衡常数的关系：   0 =  E 0 ' = RT/nF ln Keq 各种反应都是由电动势驱动的，例如：离子梯度引起的跨膜电位差可促进能量转换两电子转移过程和呼吸链：1.电子转移链的概念： 电子转移链（链）：来自NADH（FADH 2 ）的电子通过a一系列载流子，最终到达O 2 所经过的路径。又称呼吸链（chain）。氧化磷酸化 ( )：在电子沿呼吸链传递的过程中，ADP 磷酸化形成 ATP 的过程。

（氧化呼吸，呼吸代谢）。底物水平磷酸化：在代谢中间体的化学转化过程中，ADP 被磷酸化为 ATP 的过程。电子传递链：原核细胞（质膜） 真核细胞（线粒体内膜） 2 电子传递链（呼吸链）的组成 呼吸链中的 4 个氧化还原酶复合物： 复合物 I：​​NADH-Q 还原酶 (NADH-Q) 复合物 II : 琥珀酸-Q 还原酶 (-Q) 复合物 III: 细胞色素还原酶 () 复合物 IV: 细胞色素氧化酶 () 呼吸链组成 呼吸链组成 (1) NADH-Q 还原酶（复合物 I）：也称为 NADH 脱氢酶。假体组：FMN和Fe·S中心。电子传输：NADHFMNFe·SCoQ······第一个质子泵（来自线粒体基质的H+内外膜间隙）。• (2) CoQ（泛醌）：脂溶性辅酶，电子传递枢纽 n = 10：动物，高等植物 n = 6~9：微生物 NADH + CoQ（氧化形式）复合物 I NAD + + QH 2（还原形式）  E 0 ' = 0.36V ,  G 0 ' = - 69.5KJ/mol 足以合成一个 ATP 分子。

(3)琥珀酸-Q还原酶(复合物II)：是嵌入线粒体内膜的酶蛋白，琥珀酸脱氢酶是其中的一员。假体组：FADH 2  Fe S 簇（2 Fe 2S、3 Fe 3S、4 Fe 4S） CoQ  ·····自由能变化（ G 0' = - 2.@ >9KJ/mol）不足以合成ATP。(4)细胞色素还原酶(III)：细胞色素()：一类含有血红素辅基的电子载体蛋白。根据光谱特性分为a、b、c三类。辅基：cyt b 562 , cyt b 566 , cyt c 1 , , Fe·S 中心 Q 循环： (5) 细胞色素 C (cyt c )： cyt c 是一个由单肽链和一个血红素分子组成的球形分子, 是唯一可溶于水的细胞色素。CoQ（还原）+ cyt c（氧化） 细胞色素还原酶 CoQ（氧化）+ cyt c（还原）  E 0 ' = 0.19V ,  G 0 ' = - 3< @6.7 KJ /mol CoQ  cyt c 是第二个 ATP 合成位点。生成 0.5 个 ATP。

细胞色素还原酶 (III) 是第二个质子泵 (6) 细胞色素氧化酶 (IV) 细胞色素氧化酶是嵌入线粒体内膜的跨膜蛋白，由 10 个亚基组成。一、th 亚基有四个氧化还原中心，2 个 cyta +2 个 Cu 离子。细胞色素氧化酶中的电子转移： cyt ccyt a-Cu Acyt a 3 - Cu BO 2 2cyt c (还原) + 1/2 O 2  2 cyt c (氧化) + H 2 O E 0 ' = 0.@ >58V ,  G 0 ' = - 112 KJ/mol 细胞色素氧化酶 (IV) 是第三质子泵和 ATP 合成的第三位点。3 电子转移抑制剂：可阻断呼吸链电子转移的物质 (1) 鱼藤酮 ( )、紫水晶 ( )、木霉素 ( )：抑制复合物 I，阻断 NADH → CoQ 的电子转移 (2) 抗霉素 A (A)：抑制复合物 III 中的 cyt b→Q 或 Q.-，

CoQ（在膜中流动）和 Cyt c（在内膜外表面的扩散）是移动的氢或电子转运体。NADH 呼吸链和 FADH 2 呼吸链是不可逆的。氧气与水的反应是不可逆的。顺序不能颠倒 NADH 2 到O 2 分子的一对电子经过3个ATP合成位点，产生2.@>5个ATP；FADH 2 到 O 2 分子的一对电子经过 2 个 ATP 合成位点，产生 1.5 个 ATP。氧化磷酸化( ) 1. 线粒体结构点：2.@> 氧化磷酸化机理(1) 三个假设：化学偶联假设( ) 产生高能共价中间体。 构象耦合假说没有证据（ ） 内膜蛋白的构象变化形成高能形式，在恢复原始构象的过程中合成了ATP。 没有有利的证据支持化学渗透假说 ( ) 1961, P. 提出电子传递驱动 H+ 流出，而线粒体内膜的 H+ 梯度驱动 ATP 合成（H+ 返回）。

 有很多证据 (2) 证明了质子梯度 ( ) 的形成：跨线粒体膜的质子逆电化学梯度的自由能变化为：  G = 2.@>3 RT · [PH in – PH out] + ZF R —— 气体常数；TT —— 绝对温度；Z——质子上的电荷（包括符号）；F——法拉第常数；   —— 膜电位差 PH > PH , H + 从膜内转移到膜外，膜电位差     为正（外为正，内为负），所以 G >0 。是耗能过程。H + 离子的转移（流出）与电子传输链中的三个复合物相关：I、III 和 IV，它们是三个质子泵。质子迁移率与跨膜的 pH 梯度和膜电位有关，每次 ATP 合成需要排出 2~4 H + 。(3) ATP合成机理：F 1 unit ( 3   3 )：催化ATP合成 FO unit：质子通道寡霉素敏感性赋予蛋白质（OSCP）氧化磷酸化过程：在NADH或FADH 2上转移电子通过电子传输链生成 O 2 。电子转移过程中释放的能量导致三个质子泵将 H + 从线粒体基质  膜间隙移动氧化还原电势，形成质子梯度。ATP 合酶使用质子梯度来驱动 H + 回流过程。ADP磷酸化、ATP合成3.解偶联和抑制氧化磷酸化（1）解偶联剂（ ）：

如：2,4-二硝基苯酚（DNP）；酸性芳香族化合物（2）氧化磷酸化抑制剂（ ）：：直接干扰ATP合成，间接导致电子转移和O 2 的利用受到抑制。如：寡霉素()。(3) ()：破坏质子电荷梯度 ()：移动载体，特异性 K+ () A：沿梯度通过膜解偶联单价阳离子生理意义：新生哺乳动物的棕色脂肪组织（棕色脂肪）和冬眠动物，产热激素（ ，蛋白质激素），产生热量以维持体温 NO 2 NO 2 O - 调节四氧化磷酸化1. 呼吸功能 5 状态：I ~ V 2.@> 呼吸控制（ ） : ADP 调节呼吸3. 受体控制比和P/O比4. P/O：一对电子通过呼吸链对氧原子可以产生的ATP量。反映了ATP合成和电子传递的耦合关系 • 正常线粒体呼吸状态在状态III和状态IV之间往复 5 线粒体外NADH的氧化磷酸化1. 甘油磷酸穿梭机制：存在于某些肌肉组织、神经细胞中。一个 NADH 分子产生 1.5 个 ATP 分子。2.@>苹果酸-天冬氨酸穿梭机制：存在于肝脏、心肌中氧化还原电势，一分子NADH产生2.@>五分子ATP。六糖氧化的能量结算方法：如果通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径，由 EMP 途径产生的 2 分子 NADH 将产生总共 32 个 ATP。5 ATP 25 ATP