1、12 电子传递和氧化磷酸化,12.1 真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中12.2 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12.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学 能的成分12.4 电子传递和氧化磷酸化取决于蛋白质复合物12.5 穿梭机制使得胞液中的NADH可被有氧氧化,需氧生物能够利用氧将葡萄糖(以及其他有机物分子)完全氧化，产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)。葡萄糖完全氧化的总反应可用下式表示： C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 这一总反应实际上由两个不同的代谢过程偶联进行的结果。前面讨论的有关糖酵解和柠檬酸循环只是构成了其中一半的反应，即： C6H
2、12O6 6H2O 6CO2 24H 24e另一半反应则是分子氧被还原生成水的过程： 6O2 24H 24e 12H2O,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：1NADH
3、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（O2）。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 ADPPi ATPH2O,鳄鱼的颌肌的快速收缩和迅速松懈就是白肌的典
4、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。,12.1真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体中,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,线粒体内膜,线粒体基质,嵴,膜间隙,12.2 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ATP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
5、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
6、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。,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：XH21/2O2 XH2O电子从阴极流出，阴极处的 XH2 被氧化：XH2 X2H2e-电子由阴
7、极流到阳极，阳极处的分子氧被还原：1/2O22H2e- 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。,12.3 贮存在质子浓度梯度中的能量具有电能和化学能的成分,（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,化学电池,根据基质和胞液pH值，质子跨膜时的自由能的变化可表达为： G 2.303RT(logH外logH内) F -
8、2.303RT(pH外pH内) F 2.303RT(pH内pH外) F 2.303RTpH F (3) 由于内膜外侧的H大于内膜内侧，因此质子从线粒体内膜内侧向外侧转移(逆质子浓度梯度转移)是需能的。文献所报道的实际测定的pH和是有差异的，但是外侧的pH总是较酸性的，内侧的pH总是较碱性的；膜电势也总是外侧是正的，内侧是负的。比较典型的基质pH大约比膜间空间高出1个单位，即pH大约是1，而大约是0.18V，因此1 mole的质子从膜内侧转移到膜外侧的自由能的变化(37)是：G 2.303RT F(0.18V) 5.9kJ 17.4kJ = 23.3kJ 然而当质子从膜外侧(膜间空间)向膜内基质
9、流入时，G 应该是 -23.3 kJmol-1。依据Mitchell的学说，这应该是推动ATP合成的能量。 虽然在标准条件下，合成1 mole的ATP需要30.5kJmol-1，但是在生理条件下，大约需要40到50kJmol-1。从上面的计算可以看出，单一的质子返回到线粒体基质所产生的质子推动力不足以推动ATP的合成，至少需要两个质子返回产生的推动力。大多数实验测定表明，每分子的ATP的合成大约需要3个左右的质子。,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： GnF2.303 nRTpH 其中是跨膜的电势差上式除以nF可得到线粒体膜
10、两侧势能的表示式，G/ nF为质子动力势p。 G 2.303RTpH p nF F 在25时，2.303RT/F0.059V，所以p可以表示为： p（0.059V）pH 例如在肝线粒体中，0.18V，而pH0.5，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）。 p0.18V0.059V0.50.298V,12.4 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
11、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：GnFE,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
12、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
13、。,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
14、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NADHH ）和4个质子。O24e4H 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FoF1ATP合成酶，该酶的结构为球-柄结构，象
15、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
16、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,12.5 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）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（E）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与反应的平衡常数有关，借助于能斯特（Nernst）方程可以计算E。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
17、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或E值可以推测整个氧化还原反应的方向。在细胞条件下只有E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： 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。 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
18、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III），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IV），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、复合物和复合物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F
19、0F1ATP合成酶中的F0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、复合物和复合物转移到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NADH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/O3；FADH2氧化的P/O2。,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QH2，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。,
