1、Chap 6l第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点l第二节第二节 生物氧化与生物能生物氧化与生物能(自学自学)l第三节第三节 生物氧化体系（生物氧化体系（重点重点）l第四节第四节 氧化磷酸化作用（氧化磷酸化作用（重点重点）第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点l一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 糖、脂肪、氨基酸等营养物质，在活细胞内进糖、脂肪、氨基酸等营养物质，在活细胞内进行一系列的氧化分解，最终生成行一系列的氧化分解，最终生成H2O和和CO2、释出能量的过程，称为释出能量的过程，称为生物氧化生物氧化第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点
2、生物氧化（生物氧化（biological oxidation）又称）又称细胞细胞氧化或细胞呼吸氧化或细胞呼吸，指的是有机物质在生物体，指的是有机物质在生物体内所进行的氧化作用。内所进行的氧化作用。生物氧化在化养生物的生物氧化在化养生物的能量获取能量获取过程中具有过程中具有决定性的作用，决定性的作用，l营养物分子中的化学能是在分解代谢的不同阶段营养物分子中的化学能是在分解代谢的不同阶段被被逐步地释放逐步地释放出来的，这些化学键能的释放几乎出来的，这些化学键能的释放几乎都是通过氧化还原反应来完成的。都是通过氧化还原反应来完成的。第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点体外燃烧体外燃烧
3、 有机物有机物+02 高高 温温 H2O+CO2+能量能量 生物氧化生物氧化 有机物有机物 酶酶 促促 脱羧脱羧（CO2）代谢物代谢物MH2 电子传递体电子传递体 O2 H+O2-H2O 逐步释能逐步释能 电子传递体电子传递体 呼吸链呼吸链 l绝大部分有机物绝大部分有机物生物氧化中的生物氧化中的CO2生成是经生成是经？中的脱中的脱羧作用产生的。羧作用产生的。l答：答：三羧酸循环三羧酸循环l其他一些其他一些CO2产生途径如产生途径如l糖异生糖异生l草酰乙酸草酰乙酸+GTP 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+CO2l氨基酸脱羧氨基酸脱羧RCNH2COOHHRCNH2HH+CO2脱羧酶脱羧酶
4、第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点 二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点1.生物氧化是在细胞生物氧化是在细胞温和温和的条件下，经历许的条件下，经历许多复杂的多复杂的酶促反应酶促反应历程而历程而逐步逐步完成的。生完成的。生物氧化中的能量也是逐步释放出来的。物氧化中的能量也是逐步释放出来的。2.这些被释放出来的能量一部分转变成这些被释放出来的能量一部分转变成热能热能，一部分用来推动一部分用来推动ATP分子中高能磷酸键的形分子中高能磷酸键的形成。成。二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点3.进行生物氧化的代谢物分子大多是进行生物氧化的代谢物分子大多是有机物有机物，它们，它们在氧化时
5、除了失去在氧化时除了失去电子电子外，还要失去外，还要失去质子质子，一个，一个电子和一个质子相当于一个氢原子。所以生物氧电子和一个质子相当于一个氢原子。所以生物氧化反应往往也是化反应往往也是脱氢脱氢反应。并且，生物体中的氧反应。并且，生物体中的氧化还原反应总是同时包含化还原反应总是同时包含两个两个电子的转移。电子的转移。4.生物氧化过程还受到生物体的生物氧化过程还受到生物体的精确调节精确调节，这种调，这种调节控制着生物氧化的速率能正好节控制着生物氧化的速率能正好满足生物体对满足生物体对ATP的需要。的需要。第一节第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化的概念与特点l三、三、有氧氧化和无氧氧化有氧氧化
6、和无氧氧化 生物氧化并非仅在生物氧化并非仅在有氧有氧条件下发生，条件下发生，无氧无氧条件下也能条件下也能进行。进行。需氧生物和兼性生物在有氧条件下，以需氧生物和兼性生物在有氧条件下，以氧氧作为最终电作为最终电子受体所进行的氧化作用，叫子受体所进行的氧化作用，叫有氧氧化有氧氧化（aerobic oxidation）。）。专性厌氧生物和兼性生物在缺氧条件下，最终电子受专性厌氧生物和兼性生物在缺氧条件下，最终电子受体体不是氧不是氧，电子交给了营养物分解代谢过程产生的某，电子交给了营养物分解代谢过程产生的某种有机分子，或者某些外源性电子受体，如硝酸盐、种有机分子，或者某些外源性电子受体，如硝酸盐、亚硝
7、酸盐等。这种不需要氧参加的生物氧化过程叫亚硝酸盐等。这种不需要氧参加的生物氧化过程叫无无氧氧化氧氧化（anaerobic oxidation）。）。第二节第二节 生物氧化与生物能生物氧化与生物能l一、一、氧化还原电位氧化还原电位 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 非标准状态下的氧化还原电位非标准状态下的氧化还原电位l二、氧化还原电位与自由能二、氧化还原电位与自由能一、一、氧化还原电位氧化还原电位l对于任意一个氧化还原反应，如：对于任意一个氧化还原反应，如：l我们可以将其分成两部分：我们可以将其分成两部分：任意一种可氧化（或可还原）物质的氧化型和还原型（氧化型+e/还原型）称为一个氧化还原对或半
8、电池。标准氧化还原电位标准氧化还原电位 l标准生物学状态下（标准生物学状态下（25oC，1atm，1M，pH=7），半电池的氧化态物质接受电子的能），半电池的氧化态物质接受电子的能力表示为标准氧化还原电位（力表示为标准氧化还原电位（Eo）。）。l为使为使Eo有确定的数值，规定在标准状态下有确定的数值，规定在标准状态下（pH=0，H2气的分压为气的分压为1个大气压）时，个大气压）时，2H+/H2的氧化还原电位：的氧化还原电位：Eo=0.00V。l任意一个半电池的标准氧化还原电位（任意一个半电池的标准氧化还原电位（Eo）可）可利用标准氢半电池（利用标准氢半电池（2H+/H2）作为参比电极测）作为参
9、比电极测定出来定出来 由于不同底物具有不同的氧化还原能力，就会产生不同的电流，其方向或正或负。如果电流流向样品半电池，表明H+H2对失去电子，发生氧化反应，同时，样品半电池中发生还原作用，该氧化还原对定为正值正值；相反，如果电流从样品半电池流出，该氧化还原对的还原电位规定为负值负值，这时样品半电池中发生的是氧化作用。还原电位的数值是在实验开始时从电位计读出的伏特数。还原型还原型氧化型氧化型E0（V）n丙酮酸丙酮酸乙酸乙酸+CO2-0.702-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸+CO2-0.672乙醛乙醛乙酸乙酸-0.5823-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸-0.552异柠檬酸异柠檬酸-
10、酮戊二酸酮戊二酸-0.382NADH+H+HAD+-0.3223-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+Pi1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸-0.292乙醇乙醇乙醛乙醛-0.1972乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸-0.1852FADH2FAD-0.182苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸-0.1662琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸-0.0312细胞色素细胞色素b（Fe2+）细胞色素细胞色素b（Fe3+）+0.061泛醌（还原型）泛醌（还原型）泛醌（氧化型）泛醌（氧化型）+0.102细胞色素细胞色素c（Fe2+）细胞色素细胞色素c（Fe3+）+0.221细胞色素细胞色素a（Fe2+）细胞色素细胞色素a（Fe3+）+0.291H2
11、H+0.4212Fe2+Fe3+0.771H2OO2+0.8162一些生物学上常见的氧化还原对的标准半电池电位一些生物学上常见的氧化还原对的标准半电池电位 非标准状态下的氧化还原电位非标准状态下的氧化还原电位在非标准条件下实际的氧化还原电位（E）可用Nernst方程计算：其中，R为气体常数（8.314 Jmol K）T为绝对温度n为每分子转移的电子数F为法拉第常数（96.485 k JV mol）。因此：在250C，n2时：2.303RTnF 项值为0.03。二、氧化还原电位与自由能二、氧化还原电位与自由能氧化还原反应的标准自由能（氧化还原反应的标准自由能（free energy）变化）变化（
12、G0）与两个半反应的氧化还原电位之间差值（）与两个半反应的氧化还原电位之间差值（E0）成线性关系：）成线性关系：标准状态下：G0-nF E0-nF（E0受体-E0供体）非标准状态下：G=-nFEG0：氧化还原反应的标准自由能变化 n：反应中每分子反应物的电子传递数目F：法拉第常数（23.062 kcal/mol V）E0：两个氧化还原对之间标准氧化还原电位差值 第三节第三节 生物氧化体系生物氧化体系l一、生物氧化体系的类型一、生物氧化体系的类型 不需传递体的生物氧化体系不需传递体的生物氧化体系 l代谢物经代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶催化氧化酶或需氧脱氢酶催化进行的进行的脱氢反应属于这种类型。脱氢
13、反应属于这种类型。一、生物氧化体系的类型一、生物氧化体系的类型 需传递体的生物氧化体系需传递体的生物氧化体系 l这是生物体内的这是生物体内的主要主要氧化体系，由不需氧氧化体系，由不需氧脱氢酶和多个电子传递体组成。脱氢酶和多个电子传递体组成。l可以分成可以分成两个阶段两个阶段：第一阶段第一阶段是在一些分解代谢的途径中，代谢是在一些分解代谢的途径中，代谢中间物发生氧化，将中间物发生氧化，将电子传递给某种辅酶电子传递给某种辅酶（NAD+、FAD或或NADP+）。）。第二阶段第二阶段是还原后的辅酶（是还原后的辅酶（NADH或或FADH2）被被重新氧化重新氧化。第三节第三节 生物氧化体系生物氧化体系l二
14、、呼吸链二、呼吸链 1.呼吸链的概念呼吸链的概念l有机物在生物氧化过程中脱下的有机物在生物氧化过程中脱下的氢原子氢原子（2H2H+2e+2e）通过多种酶和辅酶组成的连续反应，逐步传递给通过多种酶和辅酶组成的连续反应，逐步传递给氧氧结合生成结合生成水水.l这种由这种由递氢体递氢体和和电子传递体电子传递体按一定顺序排列构成按一定顺序排列构成的并与细胞利用氧密切相关的连锁反应称为的并与细胞利用氧密切相关的连锁反应称为呼吸呼吸链或电子传递链链或电子传递链。第三节第三节 生物氧化体系生物氧化体系2.呼吸链的组成呼吸链的组成n 组成呼吸链的电子传递体包括组成呼吸链的电子传递体包括n 四种蛋白质复合体四种蛋
15、白质复合体（NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、琥珀酸 脱氢酶、辅酶脱氢酶、辅酶QH2-细胞色素细胞色素c氧化还原酶和氧化还原酶和细胞色素细胞色素c氧化酶）、氧化酶）、n 一个单体蛋白一个单体蛋白（细胞色素（细胞色素c）n 一个有机物分子一个有机物分子（辅酶（辅酶Q）外膜外膜小分子物质、离小分子物质、离子可自由通过子可自由通过内膜内膜大多数小分子、离大多数小分子、离子不能通过子不能通过电子传递体、电子传递体、ATP合成酶位于其中合成酶位于其中ATP合成酶合成酶嵴嵴基质基质核糖体核糖体外膜通道外膜通道膜间空隙膜间空隙线粒体结构示意图线粒体结构示意图呼吸链位置呼吸链位置Anatomy of the Mi
16、tochondriaFigure 18.3The inner membrane appears to be invaginated forming folds termed cristae,increasing the surface area.The space inside the inner membrane,the matrix,contains the enzymes of the TCA cycle with the exception of succinate dehydrogenase,which is bound to the inner membrane,and enzym
17、es for fatty acid oxidation.In addition mtDNA,ribosomes,and proteins necessary for transcription of mtDNA and translation of mRNA are located in the matrix.呼吸链呼吸链The oxidation of NADH/H+to NAD+and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step.Rather,it is coupled through a series of oxi
18、dation-reduction cycles that are mediated by multiprotein complexes located in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respiratory chain.This consists of a series of sequentially acting electron carriers,most of which are integral proteins with prosthetic groups capable of ac
19、cepting and donating either one or two electrons.Oxidative phosphorylation an overviewThe oxidation of NADH/H+to NAD+and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step.Rather,it is coupled through a series of oxidation-reduction cycles that are mediated by multiprotein complexes located
20、in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respiratory chain.This consists of a series of sequentially acting electron carriers,most of which are integral proteins with prosthetic groups capable of accepting and donating either one or two electrons.Oxidative phosphorylation a
21、n overviewlThe oxidation of NADH/H+to NAD+and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step.lRather,it is coupled through a series of oxidation-reduction cycles that are mediated by multiprotein complexes located in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respira
22、tory chain.lThis consists of a series of sequentially acting electron carriers,most of which are integral proteins with prosthetic groups 辅基辅基 capable of accepting and donating either one or two electrons.Oxidative phosphorylation an overviewATPOxidative phosphorylation an overviewlTwo pathway,how t
23、o pass,site of component.驿站送信驿站送信传递体传递体分子量分子量亚基数亚基数辅基辅基NADH脱氢酶（复合体脱氢酶（复合体）850,00042FMN，Fe-S琥珀酸脱氢酶（复合体琥珀酸脱氢酶（复合体）140,0004FAD，Fe-S辅酶辅酶Q （可移动成分可移动成分）862 辅酶辅酶QH2-细胞色素细胞色素c氧化还原酶（复氧化还原酶（复合体合体）250,00011血红素，血红素，Fe-S细胞色素细胞色素c (可移动成分可移动成分)13,0001血红素血红素细胞色素细胞色素c氧化酶（复合体氧化酶（复合体）204,00013血红素，血红素，Cu电子传递体的种类电子传递体的种
24、类递氢体递氢体递电子体递电子体位于线粒体内膜上的电子传递体位于线粒体内膜上的电子传递体琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸电流通过的结果：电流通过的结果：电能转变为电能转变为H势能势能3.电子传递的顺序电子传递的顺序细胞中存在有细胞中存在有两种两种电子传递链：电子传递链：NADH传递链传递链FADH2传递链传递链电子传递的顺序电子传递的顺序NADH传递链传递链l NADH传递链负责传递以传递链负责传递以NAD为辅酶的为辅酶的不需不需氧氧脱氢酶氧化底物所得来的电子。脱氢酶氧化底物所得来的电子。l 从从NADH至至O2的整个电子传递过程涉及到的整个电子传递过程涉及到 三个连续的膜结合传递体三个连续的膜结
25、合传递体（复合体（复合体、，）两个可移动的成分两个可移动的成分：脂溶性的辅酶脂溶性的辅酶Q，水溶性的细胞色素水溶性的细胞色素cl 电子传递的电子传递的顺序顺序是：是：代谢物代谢物NADH复合体复合体辅酶辅酶Q复合体复合体细胞色素细胞色素c复合体复合体氧氧电子传递的顺序电子传递的顺序FADH2传递链传递链lFAD传递链负责传递以传递链负责传递以FAD为辅基的为辅基的不需氧不需氧脱脱氢酶（琥珀酸脱氢酶是其代表）氧化底物所得氢酶（琥珀酸脱氢酶是其代表）氧化底物所得来的电子。来的电子。l电子从电子从FADH2到分子氧到分子氧的传递顺序是：的传递顺序是：代谢物代谢物复合体复合体（FADH2）辅酶辅酶Q复
26、合复合体体细胞色素细胞色素c复合体复合体氧氧l两条传递链的两条传递链的后半部分后半部分（辅酶（辅酶Q氧氧）是）是相同相同的。的。呼吸链的组成呼吸链的组成 尼克酰胺核苷酸：尼克酰胺核苷酸：辅酶辅酶I I 和和 辅酶辅酶IIII 黄素蛋白或黄素酶：黄素蛋白或黄素酶：FMN 和和 FAD 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-S）泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）细胞色素（细胞色素（CytCyt）复合体复合体 、NADH-CNADH-C0 0Q Q还原酶（还原酶（NADHNADH脱氢酶）脱氢酶）复合物复合物n 黄素蛋白（黄素蛋白（FMNFMN为辅基）为辅基）n 铁铁-硫蛋白硫蛋白 NADNAD+（NADPNA
27、DP+）RRNADNAD+（NADPNADP+）NADHNADH（NADPHNADPH）(1)NAD+(1)NAD+，NADP+NADP+（辅酶辅酶I I和辅酶和辅酶IIII）（2）黄素蛋白（黄素蛋白（FP）（以（以FMN、FAD为辅基）为辅基）lFMN：NADH脱氢酶的辅酶脱氢酶的辅酶lFAD：琥珀酸脱氢酶的辅酶琥珀酸脱氢酶的辅酶RH3CH3CRH3CH3C还原型还原型FMN或或FAD氧化型氧化型FMN或或FADFMN或或FAD的作用机理（的作用机理（递氢体，递电子体递氢体，递电子体）（3）铁硫蛋白铁硫蛋白 （Fe-S）主要形式主要形式：Fe2S2 、Fe4S4 Fe3+Fe2+递电子体递电
28、子体+e-e铁硫蛋白结构铁硫蛋白结构 （a）Fe-Cys (b)2Fe-2S (c)4Fe-4S Iron-Sulfur(Fe-S)Proteins Figure 18.13铁硫蛋白结构铁硫蛋白结构 （a）Fe-Cys (b)2Fe-2S (c)4Fe-4S 2Fe-2S center of ferredoxin 、琥珀酸琥珀酸-C-C0 0Q Q还原酶复合物还原酶复合物n 黄素蛋白（黄素蛋白（FADFAD为辅基）为辅基）n 铁铁-硫蛋白硫蛋白 n 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）脂溶性脂溶性，能在线粒体内膜，能在线粒体内膜迅速扩散迅速扩散，反应中心是反应中心是苯醌苯醌的结构的结构 泛醌泛醌（CO
29、Q）O OH CH3O CH3 2H+2e CH3O R O OH 醌式（醌式（氧化型氧化型）氢醌（氢醌（还原型还原型）、辅酶辅酶Q Q CytC 还原酶复合物还原酶复合物 （Fe-S蛋白、细胞色素蛋白、细胞色素b及及c1）n 细胞色素（细胞色素（CytCyt）辅基：铁卟啉辅基：铁卟啉 Cyta、a3、b、c、c1、b5和和P450 Cytc Fe3+Fe2+e-eCytochromes:Electron carrierslCytochromes:Figure 19-3、细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 （细胞色素细胞色素a、a3及以及以Cu2+为辅基的为辅基的 酶）酶）n Cytaa3 n Cu
30、2+Cu+n 1/2O2 O2-+H+H2O+e-e+e-eElectron Carrier Complexes of theElectron TransportChain FADH2Figure 18.9 (二二)呼吸链复合体的排列顺序呼吸链复合体的排列顺序第四节第四节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、电子传递过程一、电子传递过程自由能自由能的变化的变化 二、二、氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用的偶联机制偶联机制 化学偶联学说化学偶联学说 化学渗透偶联学说化学渗透偶联学说 三、三、ATP合成酶合成酶四、四、P/O比值比值 五、氧化磷酸化作用的五、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联抑制和解偶联 一、电
31、子传递过程自由能的变化一、电子传递过程自由能的变化l电子传递的顺序基本上是按照标准氧化还原电位电子传递的顺序基本上是按照标准氧化还原电位由低由低到高到高的顺序排列的的顺序排列的。从从NADH（-0.32V）到）到O2（+0.816V）的）的 E0=1.14V，相当于相当于 G0-nF E0-2（23.062kcal/mol V）（1.14V）=-52.58 kcal/mol；l从从FADH2（-0.18）到）到O2（+0.816V）的）的 E0=1.00V，l相当于相当于 G0-nF E0-2（23.062kcal/mol V）（1.00V）=-46.12 kcal/mol。l而而ADP和和P
32、i生成生成ATP的的 G0+7.3 kcal/moll说明说明电子传递所释放的自由能足以推动电子传递所释放的自由能足以推动ATP的合成的合成。Eo -0.32 NADH -0.12 复合体复合体 I NADH-CoQ 还原酶还原酶 复合体复合体 II +0.04 Q 琥珀酸琥珀酸 琥珀酸琥珀酸-CoQ 还原酶还原酶 +0.07 复合体复合体III CoQ-细胞色素细胞色素 c c 还原酶还原酶 +0.22 +0.25 c +0.29 复合体复合体 IV 细胞色素细胞色素 c 氧化酶氧化酶 +0.82 O2FMNFe-SnFe-S FADbFe-Sc1aa3Cu2+二、二、氧化磷酸化作用的偶联机
33、制氧化磷酸化作用的偶联机制l化学偶联学说化学偶联学说 由由E.C.Slater在在1953年首先提出，按照这一年首先提出，按照这一假说，氧化磷酸化作用和呼吸链之间通过假说，氧化磷酸化作用和呼吸链之间通过高高能中间物（能中间物（其中包括有高能磷酸化中间物）其中包括有高能磷酸化中间物）偶联起来。偶联起来。化学偶联学说曾经得到过化学偶联学说曾经得到过普遍的支持普遍的支持，许多，许多支持者还开展了寻找高能中间物的工作，但支持者还开展了寻找高能中间物的工作，但经过多年的努力，这种中间物始终经过多年的努力，这种中间物始终未能得到未能得到。后来后来Slater本人也承认化学偶联假说本人也承认化学偶联假说“几
34、乎几乎肯定是不正确的肯定是不正确的”。二、二、氧化磷酸化作用的偶联机制氧化磷酸化作用的偶联机制l化学渗透偶联学说化学渗透偶联学说 一个全新的学说在一个全新的学说在1961年被英国生物化学家年被英国生物化学家Peter Mitchell提出。这一假说一提出来就遭到了提出。这一假说一提出来就遭到了强烈的强烈的反对反对，因为它偏离了生物力能学的基本观念，但是，因为它偏离了生物力能学的基本观念，但是后来大量积累的后来大量积累的事实证明这一假说是正确的事实证明这一假说是正确的。这一学说不仅解释了氧化磷酸化和电子传递的这一学说不仅解释了氧化磷酸化和电子传递的偶联偶联机制机制，而且极大地影响着我们认识生物体
35、系中能量，而且极大地影响着我们认识生物体系中能量转化过程的转化过程的思维方式思维方式。Mitchell也因此在也因此在1978年赢年赢得了得了Nobel化学奖。化学奖。化学渗透偶联学说化学渗透偶联学说l按照化学渗透偶联学说的假定，电子传递和氧化磷酸按照化学渗透偶联学说的假定，电子传递和氧化磷酸化作用是通过化作用是通过质子浓度梯度质子浓度梯度偶联起来的。偶联起来的。l电子在呼吸链中的传递伴随着电子在呼吸链中的传递伴随着质子从线粒体基质中的质子从线粒体基质中的泵出泵出，结果造成线粒体内膜两侧，结果造成线粒体内膜两侧质子浓度的差别质子浓度的差别（质（质子浓度梯度），基质中质子的浓度低于膜外侧质子的子
36、浓度梯度），基质中质子的浓度低于膜外侧质子的浓度，同时产生一种浓度，同时产生一种膜电势膜电势，膜外侧为正。这样一种，膜外侧为正。这样一种电化学状态储存了电子传递过程所释放的部分自由能，电化学状态储存了电子传递过程所释放的部分自由能，形成形成由膜外到膜内的质子迁移力由膜外到膜内的质子迁移力（proton-motive force）。）。l随后，膜外侧的质子通过特殊的通道返回基质，并推随后，膜外侧的质子通过特殊的通道返回基质，并推动动ATP的合成。的合成。Chemiosmotic HypothesisFigure 18.25 琥珀酸 延胡羧酸 膜间空隙 线粒体基质 化学渗透偶联学说的正确性被许多实
37、验事实所证明：化学渗透偶联学说的正确性被许多实验事实所证明：实验测得当进行电子传递时线粒体外的质子浓度的实验测得当进行电子传递时线粒体外的质子浓度的确升高。每对电子通过复合体确升高。每对电子通过复合体和复合体和复合体时，分时，分别有别有四个质子四个质子从基质中泵出；通过复合体从基质中泵出；通过复合体时有时有两两个质子个质子从基质中泵出。从基质中泵出。所以，处于正常状态下的线粒体，每对电子从所以，处于正常状态下的线粒体，每对电子从NADH通过呼吸链传递到氧时有通过呼吸链传递到氧时有十个质子十个质子（4*2+2）被泵出；被泵出；每对电子从每对电子从FADH2传递到氧时有传递到氧时有六个质子六个质子
38、从基质从基质中泵出。中泵出。（4+2）许多实验事实证明化学渗透偶联学说的正确性许多实验事实证明化学渗透偶联学说的正确性：破损的线粒体内膜破损的线粒体内膜（例如，当将线粒体置于高渗的溶液中时，由例如，当将线粒体置于高渗的溶液中时，由于于溶胀作用溶胀作用线粒体内膜遭到破坏线粒体内膜遭到破坏）能够继续进行电子的传递，但不再有能够继续进行电子的传递，但不再有ATP的合成的合成。当当人为地将一质子浓度梯度人为地将一质子浓度梯度强加于线粒体或叶绿体时，强加于线粒体或叶绿体时，在没有电子传递的情况下也有在没有电子传递的情况下也有ATP的合成。的合成。这一结果是在这一结果是在1966年由年由A，Jagendo
39、rf在叶绿体上首先证实的。由于在叶绿体上的在叶绿体上首先证实的。由于在叶绿体上的pH梯度正梯度正好与线粒体上的相反，类囊体盘里面质子浓度比膜外要高。好与线粒体上的相反，类囊体盘里面质子浓度比膜外要高。Jagendorf首先把叶绿体保持在首先把叶绿体保持在pH4中几个小时，中几个小时，使类囊体盘内容物在这种使类囊体盘内容物在这种pH中达到平衡，然后突然地将叶绿体转移至中达到平衡，然后突然地将叶绿体转移至pH8的缓冲液中，从而诱发出跨类囊的缓冲液中，从而诱发出跨类囊体膜的暂时体膜的暂时pH梯度。结果使类囊体盘外基质的碱性大于盘里。在加入梯度。结果使类囊体盘外基质的碱性大于盘里。在加入ADP和无机磷
40、时就观察到和无机磷时就观察到ATP突发突发性合成，性合成，pH梯度随之消失。同样的结果在线粒体中也观察到。梯度随之消失。同样的结果在线粒体中也观察到。能够能够破坏质子浓度梯度的物质破坏质子浓度梯度的物质（如（如2,4二硝基苯酚，能够二硝基苯酚，能够携带质子穿过线粒体内膜）携带质子穿过线粒体内膜）使氧化磷酸化和电子传递使氧化磷酸化和电子传递解偶联。解偶联。Oxidative PhosphorylationFigure 18.2三、三、ATP合成酶合成酶lATP合成酶（又叫合成酶（又叫FoF1ATP合成酶或合成酶或FoF1ATPase）的研究开始于）的研究开始于1960年，通过电子显微镜观年，通过
41、电子显微镜观察到在线粒体内膜上有大量直径约为察到在线粒体内膜上有大量直径约为85nm的的“球形球形把手把手”状突出物状突出物，在细菌细胞的质膜内表面也能看，在细菌细胞的质膜内表面也能看到相同的结构。到相同的结构。lERacker发现机械搅动能使发现机械搅动能使“球形把手球形把手”状突出状突出物从亚线粒体膜上物从亚线粒体膜上脱落脱落，而脱落后的膜仍能进行电，而脱落后的膜仍能进行电子传递但子传递但不能再合成不能再合成ATP。当将突出物。当将突出物放回放回到脱落到脱落颗粒上时，颗粒上时，ATP合成能力又被合成能力又被恢复恢复，这有力地说明，这有力地说明了这种突出物了这种突出物和和ATP的合成有关的合
42、成有关。基质 膜间空隙 ATP合成酶结构示意图合成酶结构示意图l进一步的研究表明进一步的研究表明ATP合成酶合成酶有有两部分两部分组成：组成：“球形把手球形把手”的的球形部分具有球形部分具有ATP酶活性，叫酶活性，叫F1，另外一部分叫另外一部分叫F0。F1部分是含有部分是含有九个亚基的聚合物，其中包括五九个亚基的聚合物，其中包括五种不同的亚基（种不同的亚基（33），三个，三个亚基和三个亚基和三个亚基交替排列形成亚基交替排列形成的六聚体的六聚体坐落在坐落在“棒状棒状”的的亚亚基的头上；基的头上；F0部分是质子的通道，部分是质子的通道，含有三种类型的亚基（含有三种类型的亚基（ab2c10-12）。
43、）。l每一个每一个c亚基形成两个穿过膜的亚基形成两个穿过膜的螺旋，螺旋，1012个个c亚基在膜的平面亚基在膜的平面上形成一个环。上形成一个环。亚基牢固地固亚基牢固地固定在定在c亚基所形成的环上。亚基所形成的环上。ATP合成酶的功能是合成酶的功能是奇特奇特的，正像的，正像Boyer所说：所说：“所有的所有的酶都是美丽的，但酶都是美丽的，但ATP合成酶是合成酶是最美丽的最美丽的、同时也是最不寻、同时也是最不寻常和最重要的酶之一。常和最重要的酶之一。”Boyer对对ATP合成酶的赞美是有理合成酶的赞美是有理由的：由的：首先首先，ATP合成酶是自然界中存在合成酶是自然界中存在最普遍和最丰富最普遍和最丰
44、富的蛋的蛋白质之一，白质之一，其次其次，ATP合成酶的作用方式非常特别：合成酶的作用方式非常特别：1.它像一个它像一个微型马达微型马达，在质子通过，在质子通过Fo时能引起部分亚基（时能引起部分亚基（c和和）的转动，由于）的转动，由于亚基的不对称性，它的转动引起亚基的不对称性，它的转动引起亚基亚基构象的改变。构象的改变。2.亚基的转动是亚基的转动是不连续不连续的，每一次转动的，每一次转动1200，使得三个，使得三个亚基依次在三种构象之间转变。亚基依次在三种构象之间转变。3.亚基的三种构象形式具有亚基的三种构象形式具有不同的结合核苷酸能力不同的结合核苷酸能力：一种：一种构象形式（构象形式（DP）结
45、合）结合ADP和和Pi，另一种构象形式（，另一种构象形式（TP）结）结合合ATP，第三种构象形式（，第三种构象形式（E）不与核苷酸结合。）不与核苷酸结合。这种结合变化机这种结合变化机制（制（b i n d i n g change mechanism）的）的假 说 是假 说 是 P a u l Boyer在在1977年年提出的，十多年提出的，十多年后，后，J o h n Walker对这种对这种假说进行了验证。假说进行了验证。两人因此共同获两人因此共同获得了得了1997年的年的Nobel化学奖。化学奖。ATPATP的生成的生成 1.1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化l高能化合物将所含的高能键中的
46、能量高能化合物将所含的高能键中的能量直接传直接传给给ADPADP，使之磷酸化为，使之磷酸化为ATPATPl与电子传递，与电子传递，O O2 2是否参加反应无关，只需高是否参加反应无关，只需高能底物存在能底物存在l常伴随无氧氧化出现常伴随无氧氧化出现l只获得部分能量只获得部分能量 3 3-磷酸甘油激酶磷酸甘油激酶1 1，3-3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP 3-+ADP 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+ATP+ATP 丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP +ADP 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 +ATP+ATP 琥珀酰琥珀酰CoACoA硫激酶硫激酶 琥珀酰琥珀酰CoACoA 琥
47、珀酸琥珀酸+CoASH+CoASH GDP+Pi GTP GDP+Pi GTP ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi 2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化l 代谢物脱下的氢经电子传递链传递给代谢物脱下的氢经电子传递链传递给O O2 2生生成成H H2 2O O的过程中逐步释放能量的过程中逐步释放能量,使使ADPADP磷酸化生磷酸化生成成ATP,ATP,这种这种氧化与磷酸化的偶联氧化与磷酸化的偶联过程称为氧过程称为氧化磷酸化。化磷酸化。四、四、P/O比值比值 lP/O比值用来表示呼吸作用中每利用比值用来表示呼吸作用中每利用1个个氧原子氧原子所生成所生成ATP的分子数的分子数。l由于每个氧原子可以接
48、受由于每个氧原子可以接受2个电子，个电子，P/O比值相当于比值相当于1对电子对电子从还原型辅酶（或其从还原型辅酶（或其他电子供体）经过呼吸链传递到氧时合他电子供体）经过呼吸链传递到氧时合成成ATP的分子数。的分子数。近年来的实验表明，以近年来的实验表明，以NADH作为电子供体时，作为电子供体时，P/O比比值为值为2.5；以；以FADH2作为电子供体时作为电子供体时P/O比值为比值为1.5。一对电子从一对电子从NADH传递到氧的过程中共有传递到氧的过程中共有10个个H从线粒从线粒体基质中泵出：体基质中泵出：其中，在复合体其中，在复合体的位置泵出的位置泵出4个，复合体个，复合体的位的位置泵出置泵出
49、4个，复合体个，复合体的位置泵出的位置泵出2个。个。每合成每合成一分子一分子ATP需要有需要有3个个H从线粒体外返回从线粒体外返回到基质，同时到基质，同时ADP、Pi进入进入线粒体和线粒体和ATP从线粒体中从线粒体中移出移出相当于相当于1个个H进入基质。也就是说进入基质。也就是说每合成一分子每合成一分子ATP共需要共需要314个个H返回线粒体基质。返回线粒体基质。所以一个所以一个NADH的氧化可产生的氧化可产生1042.5个个ATP；四、四、P/O比值比值 一对电子从一对电子从FADH2传递到氧共有传递到氧共有6个个H从线粒体的基质从线粒体的基质中泵出。其中，复合体中泵出。其中，复合体的位置泵
50、出的位置泵出4个，复合体个，复合体的位的位置泵出置泵出2个。个。所以所以FADH2的氧化可产生的氧化可产生641.5个个ATP。但在但在细菌细菌中不存在线粒体，没有中不存在线粒体，没有ATP的转移，少消的转移，少消耗一个耗一个H，合成一个，合成一个ATP只需只需3个个H从细胞质膜从细胞质膜外进入细胞质。所以外进入细胞质。所以NADH的氧化可产生的氧化可产生1033个个ATP；FADH2的氧化可产生的氧化可产生632个个ATP。四、四、P/O比值比值 五、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联五、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联 l电子传递抑制剂电子传递抑制剂有鱼藤酮、抗霉素、氰化物等，有鱼藤酮、抗霉素、氰化
