第21章 氧化磷酸化和光合磷酸化作用
基本要求：
1.熟悉氧化-还原电势的基本概念。 2.掌握呼吸链的结构和有关抑制剂。（重点、难点） 3.掌握氧化磷酸化作用的机制。（重点、难点） 4.掌握光合作用和光合磷酸化作用的机制 。（重点、难点）
一、氧化-还原电势
(一) 氧化-还原电势 生物氧化是通过加氧、脱氢或失电子而进行的，加 氧反应较少见，氧原子通常是通过加水再脱氢引入代 谢物的。代谢物中生成的羧基，可通过脱羧基作用生 成二氧化碳。脱氢或失电子反应是生物氧化的主要方 式，反应过程中伴随着氧化-还原电势的变化。 ε= E正极- E负极
(二) 生物体中 某些重要的氧 化-还原电势
(三 ) 电势和自由能的关系
ΔG°' = −nFΔE °'
(四) 标准电动势和平衡常数的关系
ΔE0 = (RT / nF)lnk
[OX ] RT ln ΔE = ΔE ° + nF [ RED]
即：
RT [电子受体] ΔE = ΔE ° + ln nF [电子供体]
二、生物氧化的概念及其与物质代谢的关系 （一） 什么是生物氧化（Biological oxidation）
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂 肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能
（二） 生物氧化与体外氧化的异同 1、 生物氧化与体外氧化之相同点
• 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电 子，遵循氧化还原反应的一般规律。 • 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2，H2O）和释放能量均相同。
2、 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 是在细胞内温和的环境中（体 温，pH接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于有利于机体捕获能 量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生H2O，有机酸脱羧产生CO2。 体外氧化 能量是突然释放的。
产生的CO2 、H2O由物 质中的碳和氢直接与氧 结合生成。
3、生物氧化与物质代谢的关系
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TAC
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
ATP H2O
三、电子传递链(electron transfer chain) 呼吸链（Respiratory chain）
（一）、线粒体的结构
外膜：含孔蛋白(porin)，通透 性较高。 内膜：高度不通透性，向内折 叠形成嵴（cristae）。含有与 能量转换相关的蛋白。 膜间隙：含许多可溶性酶、底 物及辅助因子。 基质：含三羧酸循环酶系、线 粒体基因 表达酶系等以及线粒 体DNA, RNA，核糖体。
（二）、呼吸链的概念
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅 酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水， 这一系列酶
和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。
呼吸链的组成和电子传递顺序
组成： 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
MH2→NAD(NADP)→FMN(FAD)→Fe-S→CoQ→Cyt→O2 Succinate
FAD
Fumarate •电子传递有严格顺序，只能从氧化还原势较低的载体 传递到氧化还原势较高的载体。
ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL
（三）、电子传递链各个成员——电子载体及其功能
线粒体呼吸链复合体 四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
多肽链数
39 42(14)* 4 5
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
11 泛醌-细胞色素C还原酶 10
细胞色素c氧化酶
13(3-4) 13
* 括号表示细菌的亚基数目 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
Cytc
eeⅠ NADH+H+ NAD+ Ⅱ
胞液侧
e-
Q eⅢ
eⅣ H2O 1/2O2+2H+
线粒体内膜
延胡索酸 琥珀酸
基质侧
复合体之间没有前后关系，但作用相同，将电子传 递到Q，只是来源不同。
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶
简写为NADH−Q还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH 的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一 种还原酶。 NADH−Q还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活 性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。
复合体Ⅰ NADH→ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN -2 →CoQ
功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) ，泵出 4 H+(既是电子传递体又是质子移位体）。
1）、NAD+的结构
吡咯环
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+和NADH相互转变 • NAD+可接受多种代谢产物脱下来的氢。NADH所 携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。
氧化还原反应时变 化发生在五价氮和 三价氮之间。
作用：辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白
传递机制： 递电子体、递H体
2）、FMN
FMN结构中含有核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧 化还原反应时不稳定中间产物是半还原的FMN（FMN·）， 是一种活跃的自由基。
异咯嗪的第1、10位N上可加氢
异咯嗪结构
FMN的作用： 接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。 还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。
NADH−Q还原酶
NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2
传递机制：递电子体、递H体
3)、 铁硫蛋白类
铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。 组成成分：含等量的铁原子和硫原子（ Fe2 S2，Fe4S4）， 铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。 其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
作用：将FMN或FAD中的电子传递给泛醌
机制： 铁硫蛋白在呼吸链中不传递氢，作为单电子传递体
铁硫蛋
白
• 铁硫蛋白(简写为Fe-S) 是一种与电子传递有 关的蛋白质，它与 NADH−Q还原酶的其 它蛋白质组分结合成 复合物形式存在。
铁硫蛋白
• 它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。铁硫蛋白通 过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。
4) 、 CoQ（也称泛醌ubiquinone）
• （简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯 一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。 • 泛 醌 有 多 个 异 戊 二 烯 连 接 形 成 较 长 的 疏 水 侧 链 (人： CoQ10)。
O CH3O CH3O O CH3 (CH2CH C CH 2)nH CH 3
n=6-10
辅酶-Q的功能
• Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2（还 原型）；QH2也容易给出电子和质子，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。
氧化还原反应时可产生 中间产物半醌型泛醌
传递机制：递电子体、递H体
复合体Ⅰ的功能
电子流过复合体Ⅰ，4个质
+ H+
子泵出线粒体基质进入膜间隙。
电子的流动方向： NADH FMN 铁硫蛋白 铁硫中心（N-2蛋白） 辅酶Q
FMN将基质中NADH上的氢负离子(:H-)和一个 质子转移给辅酶Q的过程
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
Q QH2
还原型的QH2从线粒体内膜中从复合体Ⅰ扩散到复 合体Ⅲ，将电子交给复合体Ⅲ后，本身又被氧化。
2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶
琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物， 它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子 传递给Q。
复合体Ⅱ 琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
作用机理： 催化2个电子 FAD Fe-S 辅酶Q
→CoQ
(无H+泵出) （是电子传递体而非质子泵）
• 琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合 物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多 肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cytb560和铁 硫蛋白。 • 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q 的还原。
5）、FAD
FAD结构中含有核黄素 作 用：进行可逆的脱氢加氢反应。
传递机制：异咯嗪的第1、10位N上可加氢 主要形式：琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱 下的H传入呼吸链。
电子在复合体Ⅱ上的传递
电子流过复合体Ⅱ，无质子泵出线粒体基质进入膜间隙。 电子的流动方向： 琥珀酸 FAD 铁硫蛋白
细胞色素b560
辅酶Q
NADH脱氢酶（NADH-Q还原酶）
NADH+H+ FMN Fe2+－S Fe3+－S CoQ CoQH2
NAD+
FMNH2
琥珀酸脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶）
succinate
FAD
Fe2+－S Fe3+－S
CoQ CoQH2
Fumarate
FADH2
3. 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶
复合体Ⅲ为具有两个相同单体的二聚体，每个单体含有一个 功能核心包括3个亚基: 2个细胞色素b (b562 or bH; b566 or bL), 1
个细胞色素c1和一个铁硫蛋白(2Fe-2S)。复合体Ⅲ具有2个与 Q结合的位点：Q内(QN)和Q外(QP)位点。 复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 作用机理：催化电子从UQH2 cyt c； 泵出4H+
（2个来自UQH2 , 2个来自基质）
6）．细胞色素类（cytochromes）
（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生 物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色 素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色 素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。 细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。
细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。
不同色素的吸收光谱
细胞色素
卟啉铁
细胞色素(cytochromes)在生物氧化反 应中，其铁离子可为+2价亚铁离子， 也可为+3价高铁离子。通过这种转变 而传递电子。细胞色素为单电子传递 体。 呼吸链中含5种细胞色素（b、c、 c1、a和a3)，cyt b和cyt c1、cyt c在呼 吸链中为电子传递体; a和a3以复合物物存在，称细胞色 素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有 Cu ，可将电子传递给氧，亦称其为 末端氧化酶。
电子在复合体Ⅲ上的传递
QH2上的2个电子分两路传递：一个电子通过细胞色素c1，另一个电子 通过细胞色素b，还原2个细胞色素c，Q本身被氧化(需基质中2个H+)。
细胞色素c为单一多肽链，唯一溶于水的细胞色 素，也是唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素。
作用：接受复合体Ⅲ传来的电子传递给 复合体Ⅳ
4. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由13个多肽亚 基组成。活性部分主要包括cyt a和a3和2个Cu离子。 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuA→CuB → O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 作用机理：催化1对电子从Cytc 分子O2 形成H2O，4H+泵出，
4H+ 参与形成水（既是电子传递体又是质子体）
•
cyt a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，
还含有铜原子。cyt aa3可以直接以O2为电子受体。 • 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生
Cu+ Cu2+ 的互变，将cytc所携带的电子传递给O2。
电子在复合体Ⅳ上的传递
1对电子流 过复合体Ⅳ， 2个质子泵出 线粒体基质进 入膜间隙。
由13个亚基组成。 含有色素a、a3和 两个铜离子CuA、 CuB，血红素a与 CuA结合, CuB 与 a3形成双核中心.
电子的流动方向： Cytc CuA-血红素a CuB-a3 双核中心 O2
电子在复合体Ⅳ上 的传递的途径
A model for the electron transport pathway in the mitochondrial inner membrane. UQ/UQH2 and cytochrome c are mobile electron ca
rriers and function by transferring electrons between the complexes. The proton transport driven by Complexes I, III, and IV is indicated.
在电子传递过程中，除了电子流过复合体Ⅱ时， 不产生质子的梯度外，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都能产生 跨膜的质子梯度。 电子流过复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ ，分别产生4个H+、 4个H+和2个H+梯度。 1对电子经过NADH呼吸链和FADH2呼吸链传给 O2，可分别产生10个H+和6个H+。 4个H+产生1个ATP，两个呼吸链分别产生2.5个 ATP和1.5个ATP。
1. NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
2. 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
三、氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）
（一）氧化磷酸化 1．底物水平磷酸化 (substrate level phosphory －lation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能 键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。
2. 呼吸链磷酸化（氧化磷酸化）是指代谢物氧化 脱氢经呼吸 链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化 生成ATP的过程，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联 发生又称为偶联磷酸化。
P/O比值：每消耗1mol原子O（1/2O2）所产生的ATP的物质 的量。 即当一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP的 分子数。
NADH呼吸链P/O= 2.5 FADH2呼吸链P/O=1.5
由P/O的比值可得ATP的生成数目
P/O的比值指在氧化磷酸化过程中每2个电子通过电子 传递链传递给氧（1/2O2）所产生ATP的分子数。 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 β -羟丁酸 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 琥珀酸 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 0.88 1 1.7
1.5 2
P/O比值 2.4～2.8
可能生成的ATP数 3 2.5
3. 氧化磷酸化偶联部位 氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
氧化磷酸化偶联部位
ATP ATP
ATP
NADH呼吸链生成ATP的部位： 1. DANH至辅酶Q 2. 细胞色素b至细胞色素c 3. 细胞色素aa3至O2
（二）氧化磷酸化偶联的机理
A 化学偶联（chemical coupling） B. 构象偶联（Conformational coupling） C. 化学渗透学说(The chemiosmotic theory)
1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒 体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子 电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱 动ADP与Pi生成ATP。
1961年
1961年提出
化学渗透假说的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；
b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释 放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+ 迁移到膜外侧 （膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就 产生了跨膜质子梯度 (ΔpH) 和
电位梯度（Δψ）； c. 在膜内外势能差（ΔpH 和Δψ）的驱动下，膜外高能质子 沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜 内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷 酸合成ATP。
化学渗透假说简单示意图
线粒体膜
线粒体基质 H2O eO2 ATP ADP + Pi
- - - ++++
H+ H+
化学渗透假说详细示意图
胞液侧 H+ + + + + + + Q
H+ Cyt c H+
+
+ +
F0
+
NADH+H+
Ⅰ
Ⅱ
NAD+
延胡索酸 琥珀酸
Ⅲ -
Ⅳ
- 1/2O2+2H+
- H2O
F1
基质侧
ADP+Pi ATP H+
2、 ATP酶复合体
•
线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗 粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。
也称质子泵ATP合酶或F1Fo-ATPase
ATP合酶
•ATP合酶由亲水部分F1和疏水 部分F0组成。 F1含有5种不同的亚基（按3α、 3β、1γ、1δ 和1ε 的比例结合）。 F1（ α 3 β 3 γδ ε ）为一个蛋白， 是能量转换的通道。 F0有3种不同的亚基（a1b2c10～
12）为一个疏水蛋白，是与线粒
体电子传递系统连接的部位。
ATP合酶结构模式图
ATP合酶的工作机制
ATP在没有质子动力的情况下，可催化ADP和Pi合成ATP， 但合成的ATP不能离开催化部位，Boyer提出，质子梯度的 作用不是合成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来。
旋转催化机制 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时， F1中的γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。
β- ADP构象 与ADP和Pi疏松 结合
β- ATP构象 与ATP紧密结合
β- 空构象 与ATP结合力极低
当H+顺浓度递度经F0中a 亚基和c亚基之间回流 时，F1中的γ亚基发生旋 转，3个β亚基的构象发 生改变。
1964年提出构象偶联学说
1994年解析了F1-ATP酶的空间结构
3、影响氧化磷酸化的因素 （1）氧化磷酸化的调节 a.ADP和ATP的调节：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸 化的主要调节者， ADP↑则氧化磷酸化↑。 b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶的生成使ATP分解↑, 因ADP↑导致氧化↑。它还使解偶联蛋白基因表达↑和耗氧 ↑，产热↑。 （2）线粒体DNA突变 mtDNA突变率是核内DNA的10-20倍，如突变发生在氧化 磷酸化的基因上，将使ATP生成↓,导致疾病。
（3）抑制剂 ① 呼吸链抑制剂(氧化磷酸化抑制剂或电子传递抑制剂） 【作用】阻断呼吸链中某些部位的电子传递，导致生命活动停 止,引起死亡。 ②解偶联剂（uncoupler） 【作用】使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 ③氧化磷酸化抑制剂 【作用】对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 黏噻唑菌醇 CO、CN-、 N3-及H2S
×
×
× 鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥
氧化磷酸化的解偶联
解偶联：有代谢物的氧化过程，不伴有ADP磷酸化的
过程 为氧化磷酸化的解偶联。 2,4-二硝基苯酚（dinitrophenol, DNP）： 脂溶性物质，自由 通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度. 解偶联蛋白：人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中 含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼 肌，心肌）
解偶联蛋白作用机制 热能
H+
胞液侧
Cyt c 解偶联 蛋白 F0 Ⅲ Ⅳ F1
Q
Ⅰ Ⅱ
基质侧
ADP+Pi ATP
H+
寡霉素(oligomycin) ：
与ATP合酶的F0 部位结合，破坏H+ 回流，影响呼吸链质子泵 的功能，抑制电子传递，同时抑制ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
ΔμH+ 跨膜质子电化
电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌
学梯度； H+m内膜基质侧H+； H+c 内膜胞液侧H+
氧化磷酸化作用机制
二环己基羰二亚胺
汞制剂
杀粉蝶菌素
2-噻吩甲酰 三氟丙酮
双香豆素
对三氟甲氧基苯腙羰基氰基化物
The sites of action of several inhibitors of electron transport and/or oxidative phosphorylation.
（八）、 胞浆中NADH的氧化
胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经 呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有 α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)
（1）甘油磷酸穿梭（The glycerol phosphate shuttle）
CH2OH
CH2OH C=O CH2O- Pi
呼吸链
NADH+H+
C=O CH2O- Pi
α-磷酸甘油 脱氢酶
磷酸二羟丙酮
FADH2
CH2OH
NAD+
CH2OH CHOH CH2O- Pi
线粒体 外膜 膜间隙
FAD
CHOH CH2O- Pi
α-磷酸甘油
线粒体 内膜
线粒体 基质
机制：NADH+H+的氢最终以FADH２的形式进入琥珀酸氧 化呼吸链，生成1.5分子ATP，损失了1分子的ATP。
（2）苹果酸一天冬氨酸穿梭（The malate – aspartate shuttle）
H3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO
O
谷氨酸天冬氨酸 转运体
H3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO H
天冬氨酸
O
H
H 3N
+
呼吸链
-OOC-CH 2 -C-COO -
草酰乙酸
H 3N
-
+ -
-
-OOC-CH 2 -C-COO -
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
OOC-CH2-CH2-C-COO H
OOC-CH2-CH 2-C-COO
O -OOC-CH 2 -CH 2 -C-COO OH
线 粒 体 内 膜
谷氨酸
H
谷草转 氨酶
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
NADH +H+
NAD+
α-酮戊二酸
NAD+
OH
-OOC-CH 2-C-COO H
苹果酸
胞液
苹果酸-α-酮 戊二酸转运体
-OOC-CH 2-C-COO -
基质
H
NADH+H+的氢经此机制进入NADH氧化呼吸链，生成2.5 分子ATP。
氧的不完全还原
氧的彻底还原需要4个电子，1个电子使氧还原成超氧 化物负离子，2个电子使氧还原成过氧化氢，3个电子使 氧还原成羟自由基。 超氧化物歧化酶可清除超氧化物自由基，可能的机制 如图24-33所示。 过氧化氢可被过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶清除。 清除超氧化物自由基和过氧化氢可防止羟自由基的生 成。 抗氧化剂有助于预防疾病和延缓衰老。
Mitochondrial production and disposal of superoxide. Superoxide ra
dical, ·O2 , is formed in side reactions at Complexes I and III, as the partially reduced ubiquinone radical (·Q) donates an electron to O2. The reactions shown in blue defend the cell against the damaging effects of superoxide. Reduced glutathione (GSH) donates electrons for the reduction of hydrogen peroxide (H2O2) and of oxidized Cys residues (-S-S-) in proteins, and GSH is regenerated from the oxidized form (GSSG) by reduction with NADPH.
第21章 氧化磷酸化和光合磷酸化作用
基本要求：
1.熟悉氧化-还原电势的基本概念。 2.掌握呼吸链的结构和有关抑制剂。（重点、难点） 3.掌握氧化磷酸化作用的机制。（重点、难点） 4.掌握光合作用和光合磷酸化作用的机制 。（重点、难点）
一、氧化-还原电势
(一) 氧化-还原电势 生物氧化是通过加氧、脱氢或失电子而进行的，加 氧反应较少见，氧原子通常是通过加水再脱氢引入代 谢物的。代谢物中生成的羧基，可通过脱羧基作用生 成二氧化碳。脱氢或失电子反应是生物氧化的主要方 式，反应过程中伴随着氧化-还原电势的变化。 ε= E正极- E负极
(二) 生物体中 某些重要的氧 化-还原电势
(三 ) 电势和自由能的关系
ΔG°' = −nFΔE °'
(四) 标准电动势和平衡常数的关系
ΔE0 = (RT / nF)lnk
[OX ] RT ln ΔE = ΔE ° + nF [ RED]
即：
RT [电子受体] ΔE = ΔE ° + ln nF [电子供体]
二、生物氧化的概念及其与物质代谢的关系 （一） 什么是生物氧化（Biological oxidation）
物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂 肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能
（二） 生物氧化与体外氧化的异同 1、 生物氧化与体外氧化之相同点
• 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电 子，遵循氧化还原反应的一般规律。 • 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2，H2O）和释放能量均相同。
2、 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 是在细胞内温和的环境中（体 温，pH接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于有利于机体捕获能 量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产 生H2O，有机酸脱羧产生CO2。 体外氧化 能量是突然释放的。
产生的CO2 、H2O由物 质中的碳和氢直接与氧 结合生成。
3、生物氧化与物质代谢的关系
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TAC
CO2 2H
ADP+Pi 呼吸链
ATP H2O
三、电子传递链(electron transfer chain) 呼吸链（Respiratory chain）
（一）、线粒体的结构
外膜：含孔蛋白(porin)，通透 性较高。 内膜：高度不通透性，向内折 叠形成嵴（cristae）。含有与 能量转换相关的蛋白。 膜间隙：含许多可溶性酶、底 物及辅助因子。 基质：含三羧酸循环酶系、线 粒体基因 表达酶系等以及线粒 体DNA, RNA，核糖体。
（二）、呼吸链的概念
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅 酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水， 这一系列酶
和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。
呼吸链的组成和电子传递顺序
组成： 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）
MH2→NAD(NADP)→FMN(FAD)→Fe-S→CoQ→Cyt→O2 Succinate
FAD
Fumarate •电子传递有严格顺序，只能从氧化还原势较低的载体 传递到氧化还原势较高的载体。
ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL
（三）、电子传递链各个成员——电子载体及其功能
线粒体呼吸链复合体 四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)
复合体
复合体Ⅰ 复合体Ⅱ 复合体Ⅲ 复合体Ⅳ
酶名称
NADH-泛醌还原酶 琥珀酸-泛醌还原酶
多肽链数
39 42(14)* 4 5
辅基
FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu
11 泛醌-细胞色素C还原酶 10
细胞色素c氧化酶
13(3-4) 13
* 括号表示细菌的亚基数目 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
Cytc
eeⅠ NADH+H+ NAD+ Ⅱ
胞液侧
e-
Q eⅢ
eⅣ H2O 1/2O2+2H+
线粒体内膜
延胡索酸 琥珀酸
基质侧
复合体之间没有前后关系，但作用相同，将电子传 递到Q，只是来源不同。
1. 复合体Ⅰ: NADH-泛醌还原酶
简写为NADH−Q还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH 的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一 种还原酶。 NADH−Q还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活 性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。
复合体Ⅰ NADH→ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN -2 →CoQ
功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) ，泵出 4 H+(既是电子传递体又是质子移位体）。
1）、NAD+的结构
吡咯环
R=H: NAD+;
R=H2PO3:NADP+
NAD+和NADH相互转变 • NAD+可接受多种代谢产物脱下来的氢。NADH所 携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。
氧化还原反应时变 化发生在五价氮和 三价氮之间。
作用：辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白
传递机制： 递电子体、递H体
2）、FMN
FMN结构中含有核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧 化还原反应时不稳定中间产物是半还原的FMN（FMN·）， 是一种活跃的自由基。
异咯嗪的第1、10位N上可加氢
异咯嗪结构
FMN的作用： 接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。 还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。
NADH−Q还原酶
NADH + Q + H+ ========= NAD+ + QH2
传递机制：递电子体、递H体
3)、 铁硫蛋白类
铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。 组成成分：含等量的铁原子和硫原子（ Fe2 S2，Fe4S4）， 铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。 其中铁原子可进行Fe2+ Fe3++e 反应传递电子。
作用：将FMN或FAD中的电子传递给泛醌
机制： 铁硫蛋白在呼吸链中不传递氢，作为单电子传递体
铁硫蛋
白
• 铁硫蛋白(简写为Fe-S) 是一种与电子传递有 关的蛋白质，它与 NADH−Q还原酶的其 它蛋白质组分结合成 复合物形式存在。
铁硫蛋白
• 它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。铁硫蛋白通 过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。
4) 、 CoQ（也称泛醌ubiquinone）
• （简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯 一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。 • 泛 醌 有 多 个 异 戊 二 烯 连 接 形 成 较 长 的 疏 水 侧 链 (人： CoQ10)。
O CH3O CH3O O CH3 (CH2CH C CH 2)nH CH 3
n=6-10
辅酶-Q的功能
• Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2（还 原型）；QH2也容易给出电子和质子，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。
氧化还原反应时可产生 中间产物半醌型泛醌
传递机制：递电子体、递H体
复合体Ⅰ的功能
电子流过复合体Ⅰ，4个质
+ H+
子泵出线粒体基质进入膜间隙。
电子的流动方向： NADH FMN 铁硫蛋白 铁硫中心（N-2蛋白） 辅酶Q
FMN将基质中NADH上的氢负离子(:H-)和一个 质子转移给辅酶Q的过程
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
NADH+H+ NAD+
FMN FMNH2
Q QH2
还原型的QH2从线粒体内膜中从复合体Ⅰ扩散到复 合体Ⅲ，将电子交给复合体Ⅲ后，本身又被氧化。
2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶
琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物， 它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子 传递给Q。
复合体Ⅱ 琥珀酸→ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌
作用机理： 催化2个电子 FAD Fe-S 辅酶Q
→CoQ
(无H+泵出) （是电子传递体而非质子泵）
• 琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合 物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多 肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cytb560和铁 硫蛋白。 • 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q 的还原。
5）、FAD
FAD结构中含有核黄素 作 用：进行可逆的脱氢加氢反应。
传递机制：异咯嗪的第1、10位N上可加氢 主要形式：琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱 下的H传入呼吸链。
电子在复合体Ⅱ上的传递
电子流过复合体Ⅱ，无质子泵出线粒体基质进入膜间隙。 电子的流动方向： 琥珀酸 FAD 铁硫蛋白
细胞色素b560
辅酶Q
NADH脱氢酶（NADH-Q还原酶）
NADH+H+ FMN Fe2+－S Fe3+－S CoQ CoQH2
NAD+
FMNH2
琥珀酸脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶）
succinate
FAD
Fe2+－S Fe3+－S
CoQ CoQH2
Fumarate
FADH2
3. 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶
复合体Ⅲ为具有两个相同单体的二聚体，每个单体含有一个 功能核心包括3个亚基: 2个细胞色素b (b562 or bH; b566 or bL), 1
个细胞色素c1和一个铁硫蛋白(2Fe-2S)。复合体Ⅲ具有2个与 Q结合的位点：Q内(QN)和Q外(QP)位点。 复合体Ⅲ QH2→ b562; b566; Fe-S; c1 →Cyt c
功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 作用机理：催化电子从UQH2 cyt c； 泵出4H+
（2个来自UQH2 , 2个来自基质）
6）．细胞色素类（cytochromes）
（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生 物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色 素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色 素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。 细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。
细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。
不同色素的吸收光谱
细胞色素
卟啉铁
细胞色素(cytochromes)在生物氧化反 应中，其铁离子可为+2价亚铁离子， 也可为+3价高铁离子。通过这种转变 而传递电子。细胞色素为单电子传递 体。 呼吸链中含5种细胞色素（b、c、 c1、a和a3)，cyt b和cyt c1、cyt c在呼 吸链中为电子传递体; a和a3以复合物物存在，称细胞色 素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有 Cu ，可将电子传递给氧，亦称其为 末端氧化酶。
电子在复合体Ⅲ上的传递
QH2上的2个电子分两路传递：一个电子通过细胞色素c1，另一个电子 通过细胞色素b，还原2个细胞色素c，Q本身被氧化(需基质中2个H+)。
细胞色素c为单一多肽链，唯一溶于水的细胞色 素，也是唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素。
作用：接受复合体Ⅲ传来的电子传递给 复合体Ⅳ
4. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶
位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由13个多肽亚 基组成。活性部分主要包括cyt a和a3和2个Cu离子。 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → CuA→a→a3→CuA→CuB → O2
其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 作用机理：催化1对电子从Cytc 分子O2 形成H2O，4H+泵出，
4H+ 参与形成水（既是电子传递体又是质子体）
•
cyt a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，
还含有铜原子。cyt aa3可以直接以O2为电子受体。 • 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生
Cu+ Cu2+ 的互变，将cytc所携带的电子传递给O2。
电子在复合体Ⅳ上的传递
1对电子流 过复合体Ⅳ， 2个质子泵出 线粒体基质进 入膜间隙。
由13个亚基组成。 含有色素a、a3和 两个铜离子CuA、 CuB，血红素a与 CuA结合, CuB 与 a3形成双核中心.
电子的流动方向： Cytc CuA-血红素a CuB-a3 双核中心 O2
电子在复合体Ⅳ上 的传递的途径
A model for the electron transport pathway in the mitochondrial inner membrane. UQ/UQH2 and cytochrome c are mobile electron ca
rriers and function by transferring electrons between the complexes. The proton transport driven by Complexes I, III, and IV is indicated.
在电子传递过程中，除了电子流过复合体Ⅱ时， 不产生质子的梯度外，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都能产生 跨膜的质子梯度。 电子流过复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ ，分别产生4个H+、 4个H+和2个H+梯度。 1对电子经过NADH呼吸链和FADH2呼吸链传给 O2，可分别产生10个H+和6个H+。 4个H+产生1个ATP，两个呼吸链分别产生2.5个 ATP和1.5个ATP。
1. NADH氧化呼吸链
NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
2. 琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
三、氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）
（一）氧化磷酸化 1．底物水平磷酸化 (substrate level phosphory －lation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能 键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。
2. 呼吸链磷酸化（氧化磷酸化）是指代谢物氧化 脱氢经呼吸 链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化 生成ATP的过程，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联 发生又称为偶联磷酸化。
P/O比值：每消耗1mol原子O（1/2O2）所产生的ATP的物质 的量。 即当一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP的 分子数。
NADH呼吸链P/O= 2.5 FADH2呼吸链P/O=1.5
由P/O的比值可得ATP的生成数目
P/O的比值指在氧化磷酸化过程中每2个电子通过电子 传递链传递给氧（1/2O2）所产生ATP的分子数。 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值
底 物 β -羟丁酸 呼吸链的组成 NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 琥珀酸 复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ →Cyt c→复合体Ⅳ→O2 抗坏血酸 Cyt c→复合体Ⅳ→O2 0.88 1 1.7
1.5 2
P/O比值 2.4～2.8
可能生成的ATP数 3 2.5
3. 氧化磷酸化偶联部位 氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
氧化磷酸化偶联部位
ATP ATP
ATP
NADH呼吸链生成ATP的部位： 1. DANH至辅酶Q 2. 细胞色素b至细胞色素c 3. 细胞色素aa3至O2
（二）氧化磷酸化偶联的机理
A 化学偶联（chemical coupling） B. 构象偶联（Conformational coupling） C. 化学渗透学说(The chemiosmotic theory)
1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒 体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子 电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱 动ADP与Pi生成ATP。
1961年
1961年提出
化学渗透假说的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；
b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释 放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+ 迁移到膜外侧 （膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就 产生了跨膜质子梯度 (ΔpH) 和
电位梯度（Δψ）； c. 在膜内外势能差（ΔpH 和Δψ）的驱动下，膜外高能质子 沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜 内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷 酸合成ATP。
化学渗透假说简单示意图
线粒体膜
线粒体基质 H2O eO2 ATP ADP + Pi
- - - ++++
H+ H+
化学渗透假说详细示意图
胞液侧 H+ + + + + + + Q
H+ Cyt c H+
+
+ +
F0
+
NADH+H+
Ⅰ
Ⅱ
NAD+
延胡索酸 琥珀酸
Ⅲ -
Ⅳ
- 1/2O2+2H+
- H2O
F1
基质侧
ADP+Pi ATP H+
2、 ATP酶复合体
•
线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗 粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。
也称质子泵ATP合酶或F1Fo-ATPase
ATP合酶
•ATP合酶由亲水部分F1和疏水 部分F0组成。 F1含有5种不同的亚基（按3α、 3β、1γ、1δ 和1ε 的比例结合）。 F1（ α 3 β 3 γδ ε ）为一个蛋白， 是能量转换的通道。 F0有3种不同的亚基（a1b2c10～
12）为一个疏水蛋白，是与线粒
体电子传递系统连接的部位。
ATP合酶结构模式图
ATP合酶的工作机制
ATP在没有质子动力的情况下，可催化ADP和Pi合成ATP， 但合成的ATP不能离开催化部位，Boyer提出，质子梯度的 作用不是合成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来。
旋转催化机制 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时， F1中的γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。
β- ADP构象 与ADP和Pi疏松 结合
β- ATP构象 与ATP紧密结合
β- 空构象 与ATP结合力极低
当H+顺浓度递度经F0中a 亚基和c亚基之间回流 时，F1中的γ亚基发生旋 转，3个β亚基的构象发 生改变。
1964年提出构象偶联学说
1994年解析了F1-ATP酶的空间结构
3、影响氧化磷酸化的因素 （1）氧化磷酸化的调节 a.ADP和ATP的调节：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸 化的主要调节者， ADP↑则氧化磷酸化↑。 b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶的生成使ATP分解↑, 因ADP↑导致氧化↑。它还使解偶联蛋白基因表达↑和耗氧 ↑，产热↑。 （2）线粒体DNA突变 mtDNA突变率是核内DNA的10-20倍，如突变发生在氧化 磷酸化的基因上，将使ATP生成↓,导致疾病。
（3）抑制剂 ① 呼吸链抑制剂(氧化磷酸化抑制剂或电子传递抑制剂） 【作用】阻断呼吸链中某些部位的电子传递，导致生命活动停 止,引起死亡。 ②解偶联剂（uncoupler） 【作用】使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 ③氧化磷酸化抑制剂 【作用】对电子传递和ADP的磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
抗霉素A 黏噻唑菌醇 CO、CN-、 N3-及H2S
×
×
× 鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥
氧化磷酸化的解偶联
解偶联：有代谢物的氧化过程，不伴有ADP磷酸化的
过程 为氧化磷酸化的解偶联。 2,4-二硝基苯酚（dinitrophenol, DNP）： 脂溶性物质，自由 通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度. 解偶联蛋白：人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中 含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼 肌，心肌）
解偶联蛋白作用机制 热能
H+
胞液侧
Cyt c 解偶联 蛋白 F0 Ⅲ Ⅳ F1
Q
Ⅰ Ⅱ
基质侧
ADP+Pi ATP
H+
寡霉素(oligomycin) ：
与ATP合酶的F0 部位结合，破坏H+ 回流，影响呼吸链质子泵 的功能，抑制电子传递，同时抑制ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
ΔμH+ 跨膜质子电化
电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌
学梯度； H+m内膜基质侧H+； H+c 内膜胞液侧H+
氧化磷酸化作用机制
二环己基羰二亚胺
汞制剂
杀粉蝶菌素
2-噻吩甲酰 三氟丙酮
双香豆素
对三氟甲氧基苯腙羰基氰基化物
The sites of action of several inhibitors of electron transport and/or oxidative phosphorylation.
（八）、 胞浆中NADH的氧化
胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经 呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有 α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)
（1）甘油磷酸穿梭（The glycerol phosphate shuttle）
CH2OH
CH2OH C=O CH2O- Pi
呼吸链
NADH+H+
C=O CH2O- Pi
α-磷酸甘油 脱氢酶
磷酸二羟丙酮
FADH2
CH2OH
NAD+
CH2OH CHOH CH2O- Pi
线粒体 外膜 膜间隙
FAD
CHOH CH2O- Pi
α-磷酸甘油
线粒体 内膜
线粒体 基质
机制：NADH+H+的氢最终以FADH２的形式进入琥珀酸氧 化呼吸链，生成1.5分子ATP，损失了1分子的ATP。
（2）苹果酸一天冬氨酸穿梭（The malate – aspartate shuttle）
H3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO
O
谷氨酸天冬氨酸 转运体
H3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO H
天冬氨酸
O
H
H 3N
+
呼吸链
-OOC-CH 2 -C-COO -
草酰乙酸
H 3N
-
+ -
-
-OOC-CH 2 -C-COO -
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
OOC-CH2-CH2-C-COO H
OOC-CH2-CH 2-C-COO
O -OOC-CH 2 -CH 2 -C-COO OH
线 粒 体 内 膜
谷氨酸
H
谷草转 氨酶
O -OOC-CH2-CH2-C-COO-
NADH +H+
NAD+
α-酮戊二酸
NAD+
OH
-OOC-CH 2-C-COO H
苹果酸
胞液
苹果酸-α-酮 戊二酸转运体
-OOC-CH 2-C-COO -
基质
H
NADH+H+的氢经此机制进入NADH氧化呼吸链，生成2.5 分子ATP。
氧的不完全还原
氧的彻底还原需要4个电子，1个电子使氧还原成超氧 化物负离子，2个电子使氧还原成过氧化氢，3个电子使 氧还原成羟自由基。 超氧化物歧化酶可清除超氧化物自由基，可能的机制 如图24-33所示。 过氧化氢可被过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶清除。 清除超氧化物自由基和过氧化氢可防止羟自由基的生 成。 抗氧化剂有助于预防疾病和延缓衰老。
Mitochondrial production and disposal of superoxide. Superoxide ra
dical, ·O2 , is formed in side reactions at Complexes I and III, as the partially reduced ubiquinone radical (·Q) donates an electron to O2. The reactions shown in blue defend the cell against the damaging effects of superoxide. Reduced glutathione (GSH) donates electrons for the reduction of hydrogen peroxide (H2O2) and of oxidized Cys residues (-S-S-) in proteins, and GSH is regenerated from the oxidized form (GSSG) by reduction with NADPH.