1、第五章电子传递和氧化磷酸化 生物代谢：生物体与外界环境不断进行的物质生物代谢：生物体与外界环境不断进行的物质和能量交换过程。和能量交换过程。l合成代谢：将简单的小分子物质转变成复杂的合成代谢：将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质、储存能量大分子物质、储存能量l分解代谢：将复杂的大分子物质转变成小分子分解代谢：将复杂的大分子物质转变成小分子物质、释放能量。物质、释放能量。l即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2CO2和和H2OH2O，并释放出大量生命所需要的能量。并释放
2、出大量生命所需要的能量。（1 1）脱氢）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许 多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应 的是各种类型的的是各种类型的脱氢酶脱氢酶。+2H+ 2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOHCH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢乳酸脱氢乳酸脱氢l酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH这类反应包括：这类反应包括：(1)(1)
3、加氧酶加氧酶催化的加氧反应催化的加氧反应 (2) (2)氧化酶氧化酶催化的生成水的反应催化的生成水的反应l加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如例如: : 甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4 + NADH + O + NADH + O2 2 CH CH3 3-OH + NAD-OH + NAD+ + + H + H2 2O Ol氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反 应，反应产物为水。应，反应产物为水。l在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后 都是以这种形
4、式进行氧化的。都是以这种形式进行氧化的。l（1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用l氧化代谢的中间产物羧酸在氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶脱羧酶的催化下，的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。l（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用l氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在 氧化脱羧酶系氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发的催化下，在脱羧的同时，也发 生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧 生成丙酮酸。生成丙酮酸。 都是加氧、去氢、失去电子都是加氧、去氢、失去电子
5、，都生成都生成COCO2 2和和H H2 2O O， （1 1）生物氧化是在细胞内进行的，条件较生物氧化是在细胞内进行的，条件较温温和和；而体外反应条件剧烈；而体外反应条件剧烈 （2 2）能量能量逐步逐步释放出来，不会因骤然释放而损释放出来，不会因骤然释放而损害机体，同时能量得到有效的利用；而体外能害机体，同时能量得到有效的利用；而体外能量突然爆发式释放出来量突然爆发式释放出来 （3 3）生物氧化所释放出的能量中，大部分转换生物氧化所释放出的能量中，大部分转换为为ATPATP分子中活跃的化学能，分子中活跃的化学能，l自由能概念：自由能概念：指一个体系的总能量中，在恒温、指一个体系的总能量中，在
6、恒温、恒压条件下能够做功的那部分能量恒压条件下能够做功的那部分能量 （1 1）当当G0GGGB B，是放能反应，反应能自是放能反应，反应能自发进行发进行 （2 2）当当G0G0时时 G GA AGGB B，是吸能反应，为非自发是吸能反应，为非自发反应反应 l（一）生化标准自由能变化（一）生化标准自由能变化（G G0 0）l根据自由能定义，反应的自由能变化根据自由能定义，反应的自由能变化 （G G）随温度和物质浓度（活度）而改变，随温度和物质浓度（活度）而改变， 为了比较不同反应的自由能变化，必须采为了比较不同反应的自由能变化，必须采 用标准自由能变化，用符号用标准自由能变化，用符号G G0 0
7、表示。表示。l物理化学的标准自由能变化物理化学的标准自由能变化：指指2525（298298K K），），参加反应的物质浓度为参加反应的物质浓度为1 1mol/Lmol/L，若其中有气体，若其中有气体，则为则为1 1个大气压，有氢离子参加时，其浓度也是个大气压，有氢离子参加时，其浓度也是1 1mol/Lmol/L，即即pHpH为为0 0等标准条件下测定的自由能变等标准条件下测定的自由能变化，用符号化，用符号G G0 0表示。表示。l生化的标准自由能变化生化的标准自由能变化：生物化学上将生物化学上将pHpH为为7 7（即（即H H+ +浓度为浓度为1010-7-7mol/Lmol/L），），其他条
8、件同上，在其他条件同上，在这种生化标准条件下测定的自由能变化称为生这种生化标准条件下测定的自由能变化称为生化标准自由能变化，用符号化标准自由能变化，用符号G G0 0表示。表示。lG G0 0单位：过去习惯用单位：过去习惯用cal/molcal/mol或或 kcal/mol kcal/mol，生化国际委员会建议用生化国际委员会建议用J/molJ/mol 或或KJ/mol KJ/mol l不同生化反应在生化标准条件下所释放的不同生化反应在生化标准条件下所释放的 自由能是不同的自由能是不同的l自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反应物产物的氧化还原电位
9、计算。应物产物的氧化还原电位计算。l氧还对：氧还对：生物氧化包括一系列的氧化还原反应，生物氧化包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每一种物质都有氧化态和还参与氧化还原反应的每一种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对。原态，称为氧还对。l生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位：是指在是指在pH7pH7，2525，氧氧化态与还原态物质浓度（近似活度）为化态与还原态物质浓度（近似活度）为1 1mol/Lmol/L等等标准条件下，与标准氢电极组成原电池测定得到标准条件下，与标准氢电极组成原电池测定得到的氧化还原电位，符号为的氧化还原电位，符号为E E0 0。在生物体中，发在生物体中，发生氧化还
10、原反应的每一氧还对，其电子转移势能生氧化还原反应的每一氧还对，其电子转移势能常用生化标准氧化还原电位（常用生化标准氧化还原电位（E E0 0）表示。表示。lE E0 0值越小即电负性越大，供出电子倾向值越小即电负性越大，供出电子倾向越大，即还原能力越强；越大，即还原能力越强；E E0 0值越大即电值越大即电正性越大，接受电子倾向越大，即氧化能正性越大，接受电子倾向越大，即氧化能力越强。力越强。l在氧化还原反应中，在氧化还原反应中，电子总是从电子总是从E E0 0值较值较小（较负）的物质转移到小（较负）的物质转移到E E0 0值较大（较值较大（较正）的物质正）的物质，即从还原剂（电子供体）流，即
11、从还原剂（电子供体）流向氧化剂（电子受体），后者的向氧化剂（电子受体），后者的E E0 0减去减去前者的前者的E E0 0称为称为生化标准氧化还原电位差生化标准氧化还原电位差，用用E E0 0表示。：表示。：lE E0 0与与G G0 0有如下关系：有如下关系：lE E0 0= E= E0 0电子受体电子受体- - E E0 0电子供体电子供体lG G0 0=-nF=-nFE E0 0ln n：电子转移数电子转移数lF F：法拉第常数法拉第常数l（F=23.063kcal/VF=23.063kcal/Vmol=96.496KJ/Vmol=96.496KJ/Vmol=96487mol=96487
12、l 库仑库仑/ /摩尔）摩尔）lE E0 0：生化标准氧化还原电位差生化标准氧化还原电位差lG G0 0：生化标准自由能变化生化标准自由能变化l生物需要不断地获得自由能以维持生活，生物需要不断地获得自由能以维持生活，高能高能化合物概念化合物概念l在标准条件下（在标准条件下（pH7pH7，2525，1mol/L1mol/L）发生水解发生水解时，可释放出大量自由能的化合物称为高能化时，可释放出大量自由能的化合物称为高能化合物，合物，l分子中含磷酸基团，该磷酸基团被水解下来时，分子中含磷酸基团，该磷酸基团被水解下来时，释放出大量自由能，这类高能化合物称为高能释放出大量自由能，这类高能化合物称为高能磷
13、酸化合物。磷酸化合物。l（二）高能化合物类型（二）高能化合物类型l1 1磷氧键型（磷氧键型（O OP P） l2 2氮磷键型（氮磷键型（N NP P）l3 3硫酯键型硫酯键型（C CS S） l4 4甲硫键型（甲硫键型（C CS S）l（三）最重要的高能化合物（三）最重要的高能化合物ATPATPlATPATP的生成方式的生成方式 l（1 1）底物水平磷酸化：前一章底物水平磷酸化：前一章EMPEMP和和TCATCA循环。循环。l（2 2）光合磷酸化：光驱动电子在光合链中传递光合磷酸化：光驱动电子在光合链中传递 释放出能量，使释放出能量，使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATPl（3 3）氧
14、化磷酸化氧化磷酸化 ：该章重点内容：该章重点内容l1 1ATPATP分子结构特点分子结构特点lATPATP是由腺嘌呤、核糖及三磷酸单位组成的核苷是由腺嘌呤、核糖及三磷酸单位组成的核苷酸酸 lATPATP虽是高能化合物，但它的虽是高能化合物，但它的G G0 0（生化标准生化标准自由能变化）值介于其他高能化合物和普通磷酸自由能变化）值介于其他高能化合物和普通磷酸酸化合物之间，所以它在细胞的酶促反应的能量酸化合物之间，所以它在细胞的酶促反应的能量转换和磷酸基团转移过程中起着转换和磷酸基团转移过程中起着中间载体（桥梁）中间载体（桥梁）的作用的作用lATPATP不是化学能量的贮存库不是化学能量的贮存库l
15、生物氧化作用主要是通过脱生物氧化作用主要是通过脱H H反应来实现的，脱反应来实现的，脱H H是氧化的一种方式。是氧化的一种方式。生物氧化体系生物氧化体系（由（由脱氢酶脱氢酶、传递体传递体、氧化酶氧化酶组成）组成）l氢与氧的激活及水的形成：氢与氧的激活及水的形成：l生物氧化中代谢物所含的生物氧化中代谢物所含的H H，必须通过相应必须通过相应的的脱脱H H酶酶将之激活后，才能脱落；将之激活后，才能脱落；进入体内进入体内也必须经过也必须经过氧化酶氧化酶激活后，才能接受脱落激活后，才能接受脱落的的H Hl激活的氧不能直接氧化由脱激活的氧不能直接氧化由脱H H酶激活而脱落酶激活而脱落的氢，两者之间尚需的
16、氢，两者之间尚需传递传递，才能结合生成，才能结合生成水。水。l电子传递链电子传递链l代谢物（如糖、蛋白质、脂肪等）上的氢代谢物（如糖、蛋白质、脂肪等）上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过位于质膜原子被脱氢酶激活脱落后，经过位于质膜或线粒体内膜的一系列传递体，最后传递或线粒体内膜的一系列传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系称给被激活的氧分子而生成水的全部体系称为为电子传递链（电子传递链（electron transport chain，ETS）或电子传递体系或电子传递体系，也称呼吸链也称呼吸链（也（也称呼吸链）。称呼吸链）。l代谢物上的代谢物上的氢氢原子被脱原子被脱H H酶激活脱落后
17、，经过一酶激活脱落后，经过一系列的系列的传递体传递体，最后传递给被激活的，最后传递给被激活的氧氧分子而分子而生成水的全部体系称为电子传递链（呼吸链）生成水的全部体系称为电子传递链（呼吸链）或电子传递体系。或电子传递体系。l呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成，呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成，传递传递H H称为电子传递体（电子载体）。称为电子传递体（电子载体）。 电子传递链由一系列电子传递体组成。电子传递链由一系列电子传递体组成。电子传递电子传递体可分为体可分为五种类型：五种类型： 黄素蛋白质：黄素蛋白质：传递传递1 1 e e- -或或2 2 e e- -（包括辅基包括辅基FMN
18、FMN或或FADFAD）辅酶辅酶Q Q也叫泛醌也叫泛醌( (缩写缩写CoQCoQ或或UQ) UQ) ：传递传递1 1 e e- -或或2 2 e e- -细胞色素：细胞色素：传递传递1 1 e e- -（包括包括cytb,c,ccytb,c,c1 1,a,a和和a a3 3，通通过血红素铁由过血红素铁由FeFe2+2+变成变成FeFe3+3+或反之）或反之）铁硫蛋白：铁硫蛋白：传递传递1 1 e e- -（通过通过FeFe2+2+和和FeFe3+3+状态转变）状态转变）结合铜蛋白：结合铜蛋白：传递传递1 1 e e- -（通过（通过CuCu+ +和和CuCu2+2+间转变）。间转变）。( (一
19、一) ) 复合体复合体：NADHNADH- -辅酶辅酶Q Q还原酶或还原酶或NADHNADH脱氢酶脱氢酶l成分：成分：约约3030个多肽链，一分子黄个多肽链，一分子黄素单核苷酸素单核苷酸( (FMN)FMN)，七个七个Fe-SFe-S簇簇l作用：作用：复合体复合体传递一对电子从传递一对电子从NADHNADH到到CoQCoQ第一步：第一步：NADHNADH结合到线粒体内膜结合到线粒体内膜基质侧酶上且从基质侧酶上且从NADHNADH到紧密结合到紧密结合的的FMNFMN传递电子：传递电子：NADH+NADH+FMNFMN+H+H+ + FMNHFMNH2 2 +NAD+NAD+ +第二步：传递电子从
20、还原型第二步：传递电子从还原型FMNHFMNH2 2到一系列到一系列Fe-SFe-S蛋白，包括蛋白，包括2 2Fe-2SFe-2S和和4 4Fe-4SFe-4S簇簇 第三步：传递两个电子从铁第三步：传递两个电子从铁- -硫簇硫簇到辅酶到辅酶Q QlNADHNADH：是两个电子供体是两个电子供体lFe-SFe-S蛋白：蛋白：是一个电子传是一个电子传递体。递体。lFMNFMN：有三个氧还状态有三个氧还状态氧化态、半醌态和还原氧化态、半醌态和还原态，它既可作一电子递体态，它既可作一电子递体又可为两电子递体，在又可为两电子递体，在NADHNADH和和Fe-SFe-S蛋白之间作为蛋白之间作为重要联系。重
21、要联系。lCoQCoQ：是一种移动的电子是一种移动的电子载体，它可穿梭电子从复载体，它可穿梭电子从复合体合体和和到复合体到复合体l一个一个NADHNADH氧化和由氧化和由NADH-UQNADH-UQ还还原酶作用使一个原酶作用使一个UQUQ还原，结果还原，结果净运输出质子从线粒体内膜基净运输出质子从线粒体内膜基质一侧到胞浆液一侧。胞浆一质一侧到胞浆液一侧。胞浆一侧，侧，H H+ +累积叫累积叫P P面，基质一侧面，基质一侧叫叫N N面。通过这个复合体电子面。通过这个复合体电子流释放出某些能量被用于偶联流释放出某些能量被用于偶联驱使质子横跨膜（这是主动运驱使质子横跨膜（这是主动运输例子）。实验证据
22、显示每两输例子）。实验证据显示每两个电子从个电子从NADHNADH到到UQUQ就有四个就有四个H H+ + 输出的化学计量。这样输出的化学计量。这样NADH_UQNADH_UQ还原酶是整个电子传还原酶是整个电子传递链中三个质子泵递链中三个质子泵( (proton proton pump)pump)中的中的第一个质子泵第一个质子泵。( (二二) ) 复合体复合体：琥珀酸：琥珀酸- -CoQCoQ还原酶还原酶或或琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶l作用：催化琥珀酸脱氢，当作用：催化琥珀酸脱氢，当TCATCA环中琥珀酸转变成延胡索酸时，环中琥珀酸转变成延胡索酸时，结合态结合态FADFAD伴随还原成伴随还原成F
23、ADHFADH2 2，然后然后FADHFADH2 2立即传递它的电子到立即传递它的电子到Fe-SFe-S簇，再到簇，再到UQUQ。电子流从琥珀酸到电子流从琥珀酸到UQUQl琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸+2+2H H+ +2e+2e- -l产生一个净还原势产生一个净还原势0.0290.029V V。这样小的自由能变化不足以驱动这样小的自由能变化不足以驱动质子跨线粒体内膜运输。质子跨线粒体内膜运输。是嵌在线粒体内是嵌在线粒体内膜上的酶蛋白。膜上的酶蛋白。( (三三) )复合体复合体：CoQ-CoQ-细胞色素细胞色素c c还原酶或细还原酶或细 胞色素胞色素bcbc1 1复合体复合体l组成：细胞色素
24、组成：细胞色素b b、c c1 1和和Fe-SFe-S蛋白蛋白l（电子传递链中第二个质子泵）电子传递链中第二个质子泵） 细胞色素在呼吸链中作为细胞色素在呼吸链中作为单电子传递体单电子传递体。细胞色素：细胞色素：( (四四) ) 复合体复合体：细胞色素：细胞色素c c氧化酶氧化酶 组成：组成：CytcCytc、CytaCyta、 Cytaa Cytaa3 3作用：从作用：从CytcCytc接受电子接受电子 指导四个电子还指导四个电子还 原氧形成水。原氧形成水。 4 4Cytc(FeCytc(Fe2+2+)+4H)+4H+ +O+O2 2 4Cytc(Fe4Cytc(Fe3+3+)+2H)+2H2
25、 2O O1 1分子氧还原为分子氧还原为2 2分子水，分子水，需需4 4个个e e，4 4个个H H+ +。电子传递链中第三个质子泵电子传递链中第三个质子泵( (四四) ) 复合体复合体：细胞色素：细胞色素c c氧化酶氧化酶 Cytaa Cytaa是由是由CytaCyta和和CytaCyta组组成的复合物，该复合物称成的复合物，该复合物称细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，由于它，由于它是有氧条件下呼吸链中最是有氧条件下呼吸链中最后一个电子传递体，处于后一个电子传递体，处于呼吸链的最末端，故又称呼吸链的最末端，故又称末端氧化酶末端氧化酶。CytaCyta接受来接受来自于还原型自于还原型CytcCyt
26、c的电子，的电子，经经CuCu2 2 Cu Cu，将电子传将电子传递给递给CytaCyta3 3，最后最后CytaCyta将将接受的电子传递给分子氧，接受的电子传递给分子氧，使分子氧还原成水。使分子氧还原成水。 综上，即在典型线粒体呼综上，即在典型线粒体呼吸链中，细胞色素的排列吸链中，细胞色素的排列顺序依次为：顺序依次为： bcbc1 1caacaa3 3OO2 2 呼吸链的各种组分（呼吸链的各种组分（H H或电子传递体）在或电子传递体）在线粒体内线粒体内膜膜上按一定的顺序和方向排列才能发挥它们传递上按一定的顺序和方向排列才能发挥它们传递H H或或e e的功能，这些顺序和方向是根据各种电子传递
27、的功能，这些顺序和方向是根据各种电子传递体标准氧化还原电位（体标准氧化还原电位（E E0 0）的数值测定的，亦的数值测定的，亦即电子传递链中各组分在链上的位置次序与其得即电子传递链中各组分在链上的位置次序与其得失电子趋势的强度有关，失电子趋势的强度有关，电子总是从对电子亲和电子总是从对电子亲和力小的低氧化还原电位流向对电子亲和力大的高力小的低氧化还原电位流向对电子亲和力大的高氧化还原电位氧化还原电位，氧化还原电位，氧化还原电位E E0 0的数值越低即的数值越低即失电子倾向越大，越易成为还原剂，而处在呼吸失电子倾向越大，越易成为还原剂，而处在呼吸链的前面，因此，电子传递链中传递体排列顺序链的前面
28、，因此，电子传递链中传递体排列顺序和方向是按各组分和方向是按各组分E E0 0由小到大依次排列的。由小到大依次排列的。 三三. .电子传递链的电子传递顺序电子传递链的电子传递顺序 通过测定呼吸链各种电子传递体的通过测定呼吸链各种电子传递体的标准氧化还原标准氧化还原电位（电位（E E0 0）确定其顺序如下：确定其顺序如下： 传递体：传递体：NADHFMNFeNADHFMNFeSCoQb FeSCoQb FeS S E E0 0(V)(V)：-0.32 -0.30 -0.02 -0.32 -0.30 -0.02 0.10 0.000.10 0.00 0.04 0.04 c c1 1 c a a c
29、 a a3 3 O O2 2 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82 0.22 0.25 0.29 0.55 0.82 即电子从即电子从E E0 0值小的传递体流向值小的传递体流向E E0 0值大的传递体，值大的传递体，为放能反应，是热力学上的自发过程。为放能反应，是热力学上的自发过程。 表明电子从表明电子从NADHNADH依次传递给分子氧，其中依次传递给分子氧，其中CoQCoQ和和CytbCytb的的E E0 0值与顺序有所不符，但其他实验证明值与顺序有所不符，但其他实验证明CoQCoQ位于位于CytbCytb之前。之前。三三. .电子传递链的电子传递顺序电子传递链的电子传递顺序在
30、具有线粒体的生物中，线粒体内膜上主要有两在具有线粒体的生物中，线粒体内膜上主要有两条呼吸链：条呼吸链：1.NADH1.NADH呼吸链呼吸链2.FADH2.FADH2 2呼吸链（亦称琥珀酸呼吸链）呼吸链（亦称琥珀酸呼吸链）这二条呼吸链主要是根据接受代谢物上脱下的这二条呼吸链主要是根据接受代谢物上脱下的H H的的初始受体不同而区分的。初始受体不同而区分的。 三三. .电子传递链的电子传递顺序电子传递链的电子传递顺序 1 1NADHNADH呼吸链呼吸链 底物脱下的底物脱下的H H初始受体是初始受体是NADNAD 三三. .电子传递链的电子传递顺序电子传递链的电子传递顺序 2. 2.FADHFADH2
31、 2呼吸链（琥珀酸呼吸链）呼吸链（琥珀酸呼吸链）底物脱下底物脱下氢的初始受体是氢的初始受体是FADFAD，三三. .电子传递链的电子传递顺序电子传递链的电子传递顺序 电子传递抑制剂电子传递抑制剂（呼吸链抑制剂）按其作用部位（呼吸链抑制剂）按其作用部位主要有以下几种：主要有以下几种： 1 1鱼藤酮鱼藤酮 2. 2.抗霉素抗霉素A A 3. 3.氰化物、氰化物、COCO、H H2 2S S、叠叠N N化物等化物等四四. .呼吸链的电子传递抑制剂呼吸链的电子传递抑制剂1 1鱼藤酮鱼藤酮: : 是一种极毒的植物物质，可作杀虫剂，它可抑制是一种极毒的植物物质，可作杀虫剂，它可抑制NADHNADH脱脱H
32、H酶，阻断电子从酶，阻断电子从NADHNADH向向CoQCoQ的传递。的传递。2 2抗霉素抗霉素A:A: 是从淡灰链霉菌分离出来的抗菌素，能阻断电子从是从淡灰链霉菌分离出来的抗菌素，能阻断电子从CytbCytb向向CytcCytc1 1的传递。的传递。3 3氰化物、氰化物、COCO、H H2 2S S、叠叠N N化物等化物等能阻断由能阻断由CytaaCytaa3 3向分子氧的传递，这也是氰化物等中毒的原理。向分子氧的传递，这也是氰化物等中毒的原理。 实质：实质：氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中放出氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中放出 的能量转移到的能量转移到ATPATP的过程。的过程。一氧化磷
33、酸化的概念及类型一氧化磷酸化的概念及类型 ADPADP的磷酸化主要有二种方式：的磷酸化主要有二种方式： （1 1）底物水平磷酸化底物水平磷酸化 （2 2）电子传递链磷酸化（也称氧化磷酸化）电子传递链磷酸化（也称氧化磷酸化） 一氧化磷酸化的概念及类型一氧化磷酸化的概念及类型 （一）底物水平磷酸化（一）底物水平磷酸化 指代谢物分解过程中，引起分子内部能量重新分指代谢物分解过程中，引起分子内部能量重新分布而形成高能键，这些高能键可以直接使布而形成高能键，这些高能键可以直接使ADPADP磷酸磷酸化生成化生成ATPATP，这种作用称为底物水平磷酸化。这种作用称为底物水平磷酸化。 X XP + ADP A
34、TP + XP + ADP ATP + X X XP P：代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物化合物 在发酵作用中是进行生物氧化取得能量的唯一方在发酵作用中是进行生物氧化取得能量的唯一方式，底物水平磷酸化式，底物水平磷酸化和氧的存在与否无关和氧的存在与否无关。一氧化磷酸化的概念及类型一氧化磷酸化的概念及类型（二）电子传递链磷酸化（氧化磷酸化）（二）电子传递链磷酸化（氧化磷酸化） 电子传递链磷酸化是指利用代谢物脱下的电子传递链磷酸化是指利用代谢物脱下的2 2H H（NADHNADH或或FADHFADH2 2），），经过电子传递链（呼吸链）氧经过电子传递链
35、（呼吸链）氧化为水的过程中所释放出的能量，使化为水的过程中所释放出的能量，使ADPADP磷酸化为磷酸化为ATPATP的作用，简言之，的作用，简言之，H H经呼吸链氧化与经呼吸链氧化与ADPADP磷酸化磷酸化为为ATPATP反应的反应的偶联偶联就是电子传递链磷酸化。就是电子传递链磷酸化。 电子传递链磷酸化是生成电子传递链磷酸化是生成ATPATP的一种主要方式，是的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，生物体内能量转移的主要环节，需要氧的参与需要氧的参与。一氧化磷酸化的概念及类型一氧化磷酸化的概念及类型 呼吸链中的呼吸链中的氧化是放能氧化是放能过程，过程，ADPADP的的磷酸化是吸能磷酸化是
36、吸能过程，两者缺一不可，并过程，两者缺一不可，并偶联偶联起来才能形成起来才能形成ATPATP。 电子在呼吸链中电子在呼吸链中释放自由能较多、足以用来形成释放自由能较多、足以用来形成ATPATP的电子传递部位称为的电子传递部位称为偶联部位偶联部位。 复合物复合物不是偶联部位。不是偶联部位。NADHNADH经呼吸链氧化要通过经呼吸链氧化要通过复合物复合物、三个偶联部位（形成三个偶联部位（形成2.52.5ATPATP）；）；FADHFADH2 2（来自于琥珀酸脱氢）经呼吸链氧化只通过来自于琥珀酸脱氢）经呼吸链氧化只通过复合物复合物、二个偶联部位（形成二个偶联部位（形成1.51.5ATPATP）。）。
37、二二. .氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位 氧化磷酸化的关键是氧化磷酸化的关键是偶联偶联, ,偶联的实质是偶联的实质是能量转换能量转换, , 目前主要有三种学说（假说）：目前主要有三种学说（假说）： 1. 1.化学偶联学说化学偶联学说 2. 2.构象偶联学说构象偶联学说 3. 3.化学渗透学说化学渗透学说三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 （一）化学偶联学说（一）化学偶联学说 认为电子在呼吸链中传递所释放的能量，直接转认为电子在呼吸链中传递所释放的能量，直接转到某种到某种高能（共价）中间物高能（共价）中间物，由这个高能中间物，由这个高能中间物提供能量，使提供能量，使ADPAD
38、P和无机磷酸形成和无机磷酸形成ATPATP。目前这个目前这个学说不能获得公认。学说不能获得公认。三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 （二）构象偶联学说（二）构象偶联学说 认为作为电子传递体的认为作为电子传递体的PrPr有两种不同的构象：低有两种不同的构象：低能构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象能构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象转变成转变成高能构象高能构象，后者再将能量传递给，后者再将能量传递给F F0 0F F1 1ATPATP合酶，使之也发生构象变化，从而推动合酶，使之也发生构象变化，从而推动ADPADP磷酸化磷酸化形成形成ATPATP。所以支持这个假说的实验较少。所
39、以支持这个假说的实验较少。三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 （三）化学渗透学说（三）化学渗透学说 为电子传递过程伴随发生了为电子传递过程伴随发生了H H+ +从线粒体基质跨过从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成了跨线粒体内膜的内膜进入到膜间隙，从而形成了跨线粒体内膜的H H+ +电化学梯度电化学梯度( (即电子传递释放出的自由能驱动即电子传递释放出的自由能驱动H H+ + 跨内膜形成跨内膜形成H H+ + 电化学梯度电化学梯度) )，进而驱动进而驱动ATPATP合成。合成。 三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 化学渗透学说主要内容：化学渗透学说主要内容： 1.1.氢
40、和电子在呼吸链中交替传递，使质子（氢和电子在呼吸链中交替传递，使质子（H H+ +）定向从线粒体内膜内侧（衬质）转移到外侧（内定向从线粒体内膜内侧（衬质）转移到外侧（内膜和外膜之间的膜间空间）。膜和外膜之间的膜间空间）。 三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 2. 2.由于质子（由于质子（H H+ +）的定向转移，即从膜内泵至膜的定向转移，即从膜内泵至膜外，而质子又不能自由返回膜内，因此形成了线外，而质子又不能自由返回膜内，因此形成了线粒体内膜两侧的质子浓度梯度（膜内浓度低，膜粒体内膜两侧的质子浓度梯度（膜内浓度低，膜外浓度高）和电位梯度（膜内带负电荷，膜外带外浓度高）和电位梯度（膜内
41、带负电荷，膜外带正电荷），这两种跨膜的梯度是电子传递所产生正电荷），这两种跨膜的梯度是电子传递所产生的电化学电势，是质子返回膜内的渗透能，称为的电化学电势，是质子返回膜内的渗透能，称为质子动力势或质子移动力（简写为质子动力势或质子移动力（简写为PmfPmf）。三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 3. 3.质子移动力（质子移动力（PmfPmf）是是ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP的动力，的动力，是供是供ATPATP合成的能量形式，膜外的质子在质子移动合成的能量形式，膜外的质子在质子移动力驱使下，通过镶嵌在线粒体内膜的力驱使下，通过镶嵌在线粒体内膜的F F0 0F F1 1-
42、ATP-ATP合酶合酶返回膜内，推动该酶合成返回膜内，推动该酶合成ATPATP。三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 化学偶联假说认为：是化学偶联假说认为：是高能共价中间物高能共价中间物 构象偶联假说认为：是构象偶联假说认为：是蛋白质的高能构象蛋白质的高能构象 化学渗透假说认为：是线粒体内膜两侧的质子化学渗透假说认为：是线粒体内膜两侧的质子（H H+ +）浓度差和电位差（合称为浓度差和电位差（合称为质子移动力质子移动力）三氧化磷酸化的作用机理三氧化磷酸化的作用机理 （一）一）ATPATP合酶复合体：合酶复合体： 氧化磷酸化中，氧化磷酸化中，ATPATP的合成是由线粒体内膜上的的合成是由
43、线粒体内膜上的ATPATP合酶复合体合酶复合体催化的，该酶在质子移动力驱动下，催化的，该酶在质子移动力驱动下，催化催化ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。该酶的功能是催化该酶的功能是催化ATPATP合成合成故称为故称为ATPATP合酶，它是一个由合酶，它是一个由F F0 0和和F F1 1两个部分（或两个部分（或称因子）组成的复合体，称因子）组成的复合体，F F0 0和和F F1 1组合在一起才能催组合在一起才能催化化ATPATP合成所以称为合成所以称为ATPATP合酶复合体或称为合酶复合体或称为F F0 0F F1 1ATPATP合酶。合酶。四四. .氧化磷酸化的重组氧化磷酸化的重
44、组（二）氧化磷酸化的重组实验（线粒体重组实验）（二）氧化磷酸化的重组实验（线粒体重组实验） 用超声波等方法处理，将线粒体内膜破碎，内膜碎片自动重新用超声波等方法处理，将线粒体内膜破碎，内膜碎片自动重新封闭形成内翻外的泡状体（也称亚线粒体泡）封闭形成内翻外的泡状体（也称亚线粒体泡），仍具有氧化磷仍具有氧化磷酸化作用即含完整的呼吸链与酸化作用即含完整的呼吸链与ATPATP合合E E复合体，可进行电子传递复合体，可进行电子传递并合成并合成ATPATP，但用胰蛋白但用胰蛋白E E或尿素处理这些泡状体时，球体（或尿素处理这些泡状体时，球体（ F F1 1）脱落得到囊泡，囊泡膜上只含呼吸链和脱落得到囊泡，
45、囊泡膜上只含呼吸链和F F0 0，可进行电子传递，可进行电子传递，但不能合成但不能合成ATPATP，脱下的脱下的F F1 1也不能合成也不能合成ATPATP（只能催化只能催化ATPATP水解，水解，所以称为所以称为F F1 1-ATP-ATP酶）；将酶）；将F F1 1和已脱去和已脱去F F1 1的囊泡混合，的囊泡混合，F F1 1与囊泡膜与囊泡膜上的上的F F0 0重新结合成重新结合成F F0 0F F1 1-ATP-ATP合酶，这种重组的泡状体不仅能进行合酶，这种重组的泡状体不仅能进行电子传递，而且有恢复了合成电子传递，而且有恢复了合成ATPATP的活力。的活力。四四. .氧化磷酸化的重组
46、氧化磷酸化的重组l( (一一) ) 解偶联作用解偶联作用 当用当用2 2，4-4-二硝基苯酚二硝基苯酚( (DNP)DNP)、FCCP(FCCP(三氟甲氧基三氟甲氧基苯腙羰基氰化物苯腙羰基氰化物) )、双香豆素处理线粒体时，双香豆素处理线粒体时，电电子传递继续且加速进行，但不能合成子传递继续且加速进行，但不能合成ATPATP，即电即电子传递和子传递和ATPATP形成两个过程分离形成两个过程分离，由电子传递产，由电子传递产生的自由能都以热能散失掉，此时氧和燃料底生的自由能都以热能散失掉，此时氧和燃料底物分子被过分利用而不能贮存能量。物分子被过分利用而不能贮存能量。 l( (二二) ) 氧化磷酸化
47、的抑制剂氧化磷酸化的抑制剂l它们它们既抑制氧的利用又抑制既抑制氧的利用又抑制ATPATP的形成的形成，而不直，而不直接抑制电子传递链上载体作用。与前面提及的接抑制电子传递链上载体作用。与前面提及的电子传递链抑制剂电子传递链抑制剂有区别。它直接干扰有区别。它直接干扰ATPATP的生的生成过程是通过抑制成过程是通过抑制ATPATP合成酶实现的。合成酶实现的。 l( (三三) ) 离子载体抑制剂离子载体抑制剂l是一类脂溶性物质。它们作为是一类脂溶性物质。它们作为1 1价阳离子价阳离子( (除除H H+ +外外) )的载体使这些离子能够穿过膜。它们增加线粒的载体使这些离子能够穿过膜。它们增加线粒体内膜
48、对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。化过程。 l19681968年年AtkinsonAtkinson提出能荷概念，提出能荷概念，能荷指示细胞所能荷指示细胞所处能量状态处能量状态，l能荷能荷=0=0时，即细胞内所有时，即细胞内所有ATPATP，ADPADP都转化成都转化成AMPAMPl能荷能荷=0.5=0.5时，细胞的只有时，细胞的只有ADPADP存在存在l能荷能荷=1=1时，细胞内时，细胞内AMPAMP和和ADPADP都转化成都转化成ATPATP 5 . 0AMPADPATPADPATP能荷l能荷高时，对能荷高时，对ATPATP生成途径有抑制作用，
49、可促进生成途径有抑制作用，可促进ATPATP的利用，促进生物体内生物合成作用；能荷的利用，促进生物体内生物合成作用；能荷低时，促进低时，促进ATPATP生成途径，减少生成途径，减少ATPATP利用速率，在利用速率，在大多数细胞中的能荷在大多数细胞中的能荷在0.8-0.950.8-0.95之间。之间。l线粒体内膜不能透过由糖酵解途径产生的线粒体内膜不能透过由糖酵解途径产生的NADHNADH，这样细胞溶胶内的这样细胞溶胶内的NADHNADH只有通过只有通过“穿梭穿梭” ” 途径途径与电子传递链相连实现再氧化。主要有两种与电子传递链相连实现再氧化。主要有两种“穿穿梭梭”途径：途径：l( (一一) )
50、 甘油甘油-3-3-磷酸穿梭途径磷酸穿梭途径l虽然虽然NADH(EMPNADH(EMP途径产生途径产生) )不能穿过线粒体内膜，不能穿过线粒体内膜，但其电子可由但其电子可由甘油甘油-3-3-磷酸磷酸携带穿过内膜，交于携带穿过内膜，交于电子传递链氧化。甘油电子传递链氧化。甘油-3-3-磷酸磷酸“穿梭穿梭”，往返，往返内膜如下图所示：内膜如下图所示：l首先，在首先，在细胞溶胶中的甘油细胞溶胶中的甘油-3-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶催化下，催化下，EMPEMP途径途径产生的产生的NADHNADH上电子转移到二羟丙酮磷酸生成甘油上电子转移到二羟丙酮磷酸生成甘油-3-3-磷酸，后磷酸，后者穿梭进入线粒体内
