于 杨 课 题 组 · 教 学 网 页 说 明 书
线粒体电子传递链 3D · 使用说明书
Mitochondrial ETC 3D —— 以 5 个呼吸链复合体真实 PDB 结构构建的线粒体内膜三维场景
适用对象：生物化学 / 基础医学 / 药学毒理 / 运动科学
对应网页：mito_etc_3d.html
编制：于杨课题组
1. 这个页面能做什么
本页以 5 个呼吸链复合体（Complex I–V）的 PDB 真实结构表面（高斯密度场 + Marching Cubes 生成）构建线粒体内膜三维场景，动态演示 NADH / FADH₂ 的电子经 Complex I–IV 传递、泵出质子、回流驱动 Complex V 合成 ATP 的全过程。你可以：
- 用「🎓 分步教学」5 步引导，逐段看清电子接力、质子泵出与 ATP 合成；
- 在「⚠️ 抑制剂」中叠加鱼藤酮、抗霉素 A、氰化物、寡霉素与 DNP 解偶联剂，观察断点位置与计数冻结；
- 展开「红 / 白电子流对比」，核对 NADH 主路径（≈10 H⁺）与 FADH₂ 路径（≈6 H⁺）的产能差异；
- 切「🔁 嵴形态」讲解 ATP 合酶二聚体与内膜折叠对膜面积的贡献；
- 在「📖 文献 Refs」中查看 5 个复合体的 PDB 编号、分辨率与原始文献。
网页为在线页面，Windows / macOS 任意浏览器打开即用，无需安装；加载完成后动画与交互不依赖持续联网。手机浏览器可直接打开，触屏拖拽旋转、双指缩放。
2. 分专业使用导引
信息密度按「研究生级」设计——所有专业都可上手，但操作路径与讲解重点不同。先看概览表选路径，再按对应小节操作。
| 专业 / 受众 | 推荐路径 | 讲解侧重点 | 建议时长 |
|---|
| 基础医学 / 生物化学（研究生） | 分步教学 5 步完整走 + 化学计量 | 化学渗透偶联、H⁺/ATP 计量、复合体功能 | 15 min |
| 临床医学（研究生） | 抑制剂模拟 + 文献页签 | 线粒体病、氰化物 / 一氧化碳中毒 | 10 min |
| 药学 / 毒理学 | 抑制剂 + DNP 解偶联 | 呼吸链抑制剂毒理、解偶联剂 | 8 min |
| 运动科学 / 营养学 | 化学计量 + 电子流对比 | 氧化磷酸化供能、NADH / FADH₂ 产能差 | 6 min |
| 生物学 / 结构生物学 | 文献 + 3D 结构观察 | 膜蛋白复合体结构、PDB 来源 | 8 min |
| 本科 / 护理（科普） | 分步教学前 3 步 + 抑制剂 | 能量工厂、「电 → H⁺ → ATP」流程 | 5 min |
1.7 降维导览（科普口径）：只走分步教学前 3 步（Complex I/II/III），用「电子接力 → 泵 H⁺ → H⁺ 回流发电」的比喻；加 1–2 个抑制剂直观感受「堵住哪一环，流就断在哪」；跳过文献细节与 H⁺/ATP 精确计量。线粒体是「能量工厂」、呼吸链是「传送带」、ATP 合酶是「发电机」——三层比喻即可。
3. 界面导览
3D 场景
线粒体双层膜（外膜 / 膜间隙 / 内膜 / 基质），Complex I–V 按生理顺序嵌于内膜
红色电子流 = NADH 主路径；白色 = FADH₂ 路径；H⁺ 粒子泵入膜间隙；ATP 金色标记
顶部功能栏
📖 文献 Refs、🎓 分步教学、⚠️ 抑制剂、🔁 嵴形态
红 / 白电子流对比（可展开）
信息 / Info 面板
实时计数：e⁻ 传递、H⁺ 泵出、ATP 合成、膜间隙 H⁺（/10）
化学计量：c₈ 环 8H⁺→3ATP、NADH→10H⁺、FADH₂→6H⁺
底部控制栏
⏸ 暂停 / 继续、⟳ 重置、速度滑块、亮度滑块
着色切换（Phong / Ray / 网格）、本页二维码
4. 氧化磷酸化五步（分步教学）
点击「🎓 分步教学」进入 5 步引导，每步高亮对应复合体并动态演示电子 / 质子流动，右上角「上一步 / 下一步」切换、「退出教学」返回。
| 步 | 反应 | 复合体 | 关键机制 | H⁺ 泵出 |
|---|
| 1 | NADH → CoQ | Complex I（NADH 脱氢酶） | NADH 将电子交给 FMN，经 7 个铁硫簇传递至泛醌 CoQ | 泵 4 H⁺ |
| 2 | 琥珀酸 → CoQ | Complex II（琥珀酸脱氢酶） | FADH₂ 电子经铁硫簇传给 CoQ（也是 TCA 第 6 步的酶） | 不泵质子 |
| 3 | CoQH₂ → Cyt c | Complex III（细胞色素 bc1） | 泛醌醇经 Q 循环把电子传给 Cyt c | 每对电子净泵 4 H⁺ |
| 4 | Cyt c → O₂ | Complex IV（Cyt c 氧化酶） | 电子经 CuA / 血红素中心，O₂ 还原为 H₂O | 泵 2 H⁺ + 耗 2 基质质子 |
| 5 | H⁺ 回流 | Complex V（ATP 合酶） | 质子经 F₀ 回流，驱动 F₁ 催化 ADP + Pi → ATP | 回流利用梯度 |
教学提示：第 2 步 Complex II 不泵质子，是理解「NADH 产 ATP 多于 FADH₂」的起点——它把电子送入 CoQ，却跳过了 Complex I 的 4 H⁺ 泵出。
5. 化学计量：H⁺ 与 ATP 账
- c₈ 环：8 个 c 亚基，每圈 8 H⁺ → 3 ATP（H⁺/ATP ≈ 2.67）
- NADH → 10 H⁺（CI 4 + CIII 4 + CIV 2）→ 约 2.5 ATP
- FADH₂ → 6 H⁺（CIII 4 + CIV 2）→ 约 1.5 ATP
- 含转运成本 ≈ 4 H⁺/ATP 的校正值已计入，故常见教科书写 NADH≈2.5、FADH₂≈1.5 ATP
信息面板的膜间隙 H⁺ 计数（/10）即实时「质子储备」，用于直观感受梯度的建立与消耗。
6. 抑制剂与解偶联剂模拟
点击「⚠️ 抑制剂」打开加药面板，可多选、可叠加，「全部清除」一键复位。
| 抑制剂 | 靶点 | 作用 | 模拟效应 |
|---|
| 鱼藤酮 | Complex I | 阻断电子自 FMN / 铁硫簇进入 CoQ | NADH 段停滞 |
| 抗霉素 A | Complex III | 阻断 Q 循环（Cyt b 位点） | CIII 段停滞 |
| 氰化物 / CO | Complex IV | 阻断血红素 a₃-CuB 与 O₂ 结合 | 全链停滞（致死） |
| 寡霉素 | Complex V | 堵塞 F₀ 质子通道 | ATP 合成停止、梯度超高 |
| DNP（解偶联） | 内膜 | 质子漏（破坏梯度，不阻电子流） | 电子流照常、H⁺ 不积累 → 产热 |
中毒的两种「代谢指纹」：抑制型（流停）与解偶联型（流在而梯不立）。前者耗竭 ATP 致死，后者产热失控致死，治疗策略截然不同。DNP 曾用作减肥药，因致热失控撤市，是「解偶联 vs 抑制」的经典对比教学。
7. 电子流对比与嵴形态
7.1 红 / 白电子流对比
红色主路径：NADH → CI → CoQ → CIII → Cyt c → CIV，20 个红点颗粒，每 2 e⁻ 泵 4 H⁺，NADH ≈ 10 H⁺ → 2.5 ATP。白色 FADH₂ 路径：琥珀酸 → CII → CoQ 汇合，8 个白点颗粒，不泵质子，FADH₂ ≈ 6 H⁺ → 1.5 ATP。白点与 ATP 金色明显区分，防止误解。
7.2 嵴形态
点击「🔁 嵴形态」切换「平坦 / 折叠嵴」示意。内膜向内折叠形成嵴，经「嵴连接」扩大氧化磷酸化膜面积；ATP 合酶以二聚体沿嵴的锐利边缘排成行，二聚化诱导的膜弯曲是嵴形态形成的关键（文献：Paumard EMBO J 2002；Davies PNAS 2011；Vogel JCB 2006）。
8. 五分钟课堂脚本（建议演示顺序）
- 30 s 总览：展示 5 个复合体按生理顺序嵌于内膜；说明红 / 白电子流含义、H⁺ 粒子泵入膜间隙。
- 1 min 主线：分步教学走 5 步——电子接力（I → CoQ → III → Cyt c → IV）、每步泵 H⁺、V 步 H⁺ 回流合成 ATP。强调「电子传递与质子泵偶联」。
- 1 min 能量账：回到信息面板，讲 c₈ 环 8H⁺→3ATP、NADH→10H⁺（≈2.5 ATP）、FADH₂→6H⁺（≈1.5 ATP）的由来。
- 1 min 抑制剂对比：加氰化物（全链停，致死性）与 DNP（电子流照常但 H⁺ 漏，产热）——「抑制 vs 解偶联」两种中毒模式。
- 30 s 嵴形态与结构：切嵴形态讲 ATP 合酶二聚体；点文献引 PDB 结构与 cryo-EM 方法学。
- 30 s 临床延伸：由抑制剂引出线粒体病（Complex 缺陷）与中毒案例（氰化物 / CO），讲高耗氧器官最先受累。
9. 视觉语言解读要点（供教师讲解）
光点 / 粒子的符号意义：红 / 白电子流颗粒代表「电子」（非分子计数），H⁺ 粒子代表「质子」——它们把电荷与浓度的化学势翻译成可观看的「接力棒」，回答「流走没走、在哪泵、往哪泵」，不回答「有多少个分子」。
- 必讲的一句话（防误解）：红色电子流只表示「电子传递路径」，H⁺ 数量（4/4/2）是化学计量泵出示意，不代表真实离子计数；NADH≈2.5、FADH₂≈1.5 ATP 是含转运成本的现行校正值，教材间有差异属正常，讲解时注明口径。
- 速率语义：底部速度滑块是演示播放速度（动画快慢），不代表真实电子传递速率；亮度滑块调节场景明暗，便于投影演示。
10. 数据来源与结构说明
- 蛋白结构：Complex I 5LNK（Nature 2016，PMID 27595392）、Complex II 1ZOY（Cell 2005，PMID 15989954）、Complex III 1BGY（Science 1998，PMID 9651245）、Complex IV 1OCC（Science 1996，PMID 8638158）、Complex V 5T4O（eLife 2015，PMID 26439008）。
- 表面生成：高斯密度场（σ = 0.5 × VDW 半径）+ Marching Cubes → 网格简化 → Laplacian 平滑；骨架原子（CA/N/C/O + 辅基）用于计算，保留整体形状特征。
- 嵴形态：Paumard et al. EMBO J 2002（ATP 合酶二聚体决定嵴形态）、Davies et al. PNAS 2011（cryo-ET 揭示二聚体沿嵴边缘排列）、Vogel et al. J Cell Biol 2006（嵴膜与边界膜亚区室）。
本页结构为教学示意（骨架原子建模的表面），精确构象比对请用 PyMOL 等专业软件；质子计数为化学计量示意，非真实离子浓度。