1、电子传递与氧化磷酸化new本章重点、难点本章重点、难点重点重点:（1）呼吸链的概念、组成，常见的电子传递抑制剂的呼吸链的概念、组成，常见的电子传递抑制剂的作用部位作用部位（2）氧化磷酸化的概念及）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径，磷氧比的的生成途径，磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比概念及两类呼吸链的磷氧比难点难点:氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透学说化学渗透学说 ATP合酶的旋转催化理论合酶的旋转催化理论（一）生物氧化的概念（一）生物氧化的概念概念概念：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成在细胞中进行氧化分解生成CO2和和H2O并
2、释放出能量的过程，称为生物氧化。并释放出能量的过程，称为生物氧化。（biological oxidation）。）。实质：需氧细胞在呼吸代谢过程中所进实质：需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程，又称为行的一系列氧化还原反应过程，又称为细胞呼吸。细胞呼吸。一、生物氧化的概念和特点一、生物氧化的概念和特点返回返回1.1.反应由酶催化，反应条件温和；反应由酶催化，反应条件温和；2.2.反应分步进行，顺序性反应分步进行，顺序性3.3.能量逐步放出，且放出的能量以化学能的能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于方式储存于 ATPATP中，能量利用率高。中，能量利用率高。注：注：真
3、核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。膜上进行。（二）生物氧化的特点（二）生物氧化的特点二、生物氧化中二、生物氧化中CO2的生成的生成方式方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成成COCO2 2。类型：类型：分为分为单纯脱羧单纯脱羧和和氧化脱羧氧化脱羧CHCH3 3COSCoA+COSCoA+COCO2 2CHCH3 3-C-C-COOCOOH H O O丙酮酸脱氢酶
4、系丙酮酸脱氢酶系NADNAD+NADH+HNADH+H+CoASHCoASH例：例：+COCO2 2H H2 2N-CH-N-CH-COOCOOH HR R氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CHCH2 2-NH-NH2 2R R三、三、H2O的生成的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O
5、2eO2-2H+第二节第二节 线粒体的结构与功能线粒体的结构与功能 线粒体线粒体的结构特点的结构特点 线粒体有两层膜线粒体有两层膜。中间有膜间隙。中间有膜间隙。1.外膜：外膜：平滑，平滑，透性高，外膜的蛋白质含有线透性高，外膜的蛋白质含有线粒体孔道蛋白粒体孔道蛋白,外膜的主要功能：保持线粒外膜的主要功能：保持线粒体的形态体的形态2.内膜内膜:含有许多生物活性蛋白质，包括电子传含有许多生物活性蛋白质，包括电子传递链和氧化磷酸化的有关组分及许多转运蛋递链和氧化磷酸化的有关组分及许多转运蛋白，是线粒体功能的主要承担者白，是线粒体功能的主要承担者.内膜内膜形成形成了许多向内褶叠的嵴了许多向内褶叠的嵴，
6、嵴，嵴的存在的存在大大增加了大大增加了内膜的面积，内膜的面积，扩大了它产生扩大了它产生ATP的能力。的能力。3.基质基质(matrix)：在嵴在嵴和和嵴嵴之之间构成分隔的区间构成分隔的区室，内部充满胶状的基质室，内部充满胶状的基质,基质内含有大量基质内含有大量的酶及线粒体的酶及线粒体DNA和核糖体和核糖体线粒体是生物氧化的发生场所线粒体是生物氧化的发生场所线粒体的功能线粒体的功能线粒体普遍存在于动植物细胞内，是需氧线粒体普遍存在于动植物细胞内，是需氧细胞产生细胞产生ATP的主要部位。的主要部位。真核生物的真核生物的电子传递电子传递和和氧化磷酸化氧化磷酸化都是在都是在细胞的线粒体细胞的线粒体内膜
7、内膜发生的。发生的。第三节第三节 电子传递链电子传递链定义定义:线粒体基质是底物氧化的场所，底物在这里氧线粒体基质是底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的化所产生的NADH和和FADH2将质子和电子转移到内将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给最后传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的电子传电子传递系统递系统称为称为电子传递链（电子传递链（eclctron transfer eclctron transfer chain),ch
8、ain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼呼吸链吸链。一、呼吸链的种类一、呼吸链的种类返回二二.呼吸链的组成呼吸链的组成(1)(1)以以NADNAD+或或NADPNADP+为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶(2)NADH-Q(2)NADH-Q还原酶还原酶(复合物复合物）(3)(3)铁硫蛋白铁硫蛋白(4)(4)辅酶辅酶Q Q(5)(5)细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶(复合物复合物）(6)(6)细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶(复合物复合物）(7)(7)琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶(复合物复合物）呼吸链由一系列的呼吸链由一系列的递氢体递氢体和和递电子体递电子
9、体组成。组成。返回(1)(1)以以NADNAD+或或NADPNADP+为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶NADNAD+和和NADPNADP+的结构的结构NADNAD+：R=HR=HNADPNADP+：R=POR=PO3 32-2-(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类烟酰胺腺嘌呤核苷酸类)功能：功能：将底物上的氢将底物上的氢 激活并脱下。激活并脱下。辅酶：辅酶：NADNAD+或或NADPNADP+OR(1)NAD(1)NAD+或或NADPNADP+(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类烟酰胺腺嘌呤核苷酸类)以以NAD+或或NADP+为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激活脱下，其中一个氢原子以氢阴
10、离子活脱下，其中一个氢原子以氢阴离子(hydride ion)(H-)的形式转的形式转移到移到NAD+或或NADP+上，另外一个则以氢离子上，另外一个则以氢离子(H+)形式游离到溶形式游离到溶液中。液中。每一个氢阴离子每一个氢阴离子(H-)携带着两个电子携带着两个电子，即，即 NAD+2e-+2H+NADH+H+NADP+2e-+2H+NADPH+H+大多数脱氢酶以大多数脱氢酶以NAD+为辅酶，所以为辅酶，所以NADH所携带的高能电所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。(2)NADH-Q(2)NADH-Q还原酶（复合物还原酶（复合物）NADH-QNA
11、DH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，以还原酶是一个大的蛋白质复合体，以FMNFMN和铁和铁-硫聚簇（硫聚簇（Fe-SFe-S）为辅基，以）为辅基，以辅酶辅酶Q Q为辅酶，为辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢由辅基或辅酶负责传递电子和氢。以以 FMN FMN 或或 FAD FAD 为辅基的蛋白质统称为辅基的蛋白质统称黄素蛋白黄素蛋白。FMNFMN通过氧化还原变化可接收通过氧化还原变化可接收NADH+HNADH+H+的氢以及电子的氢以及电子。FMNFMN(FAD)+2HFAD)+2H FAD(FMN)HFAD(FMN)H2 2 NADH-Q NADH-Q 还原酶还原酶先与先与(NADH+HNAD
12、H+H+)结合并将结合并将(NADH+H+)上的两个氢转移到上的两个氢转移到 FMN FMN 辅基辅基上，电子经上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心铁硫蛋白的铁硫中心传递给传递给辅辅酶酶Q Q。NADH+HNADH+H+FMN FMNH+FMN FMNH2 2+NAD+NAD+铁硫蛋白复合物铁硫蛋白复合物CoQCoQe ee e(3)铁硫蛋白铁硫蛋白 含有含有FeFe和对酸不稳定的和对酸不稳定的S S原子原子,Fe,Fe和和S S常以等摩尔量存在（常以等摩尔量存在（FeFe2 2S S2 2,FeFe4 4S S4 4)，构成，构成铁硫中心铁硫中心（铁硫（铁硫聚簇）聚簇），FeFe通过蛋白质分子中的通
13、过蛋白质分子中的4 4个个CysCys残基的巯基与蛋白质相连残基的巯基与蛋白质相连结。结。称为称为铁硫蛋白（非血红素铁铁硫蛋白（非血红素铁蛋白）。蛋白）。一次可传递一个电子至一次可传递一个电子至CoQCoQ。铁硫聚簇借铁硫聚簇借Fe2+和和 Fe3+的互变的互变传递电子，每次传递传递电子，每次传递一个电子一个电子.(.(Fe3+Fe2+Cys S S S Cys Fe3+Fe3+Cys S S S Cys Cys S S S Cys Fe3+Fe2+Cys S S S Cys+e-+e-(4)辅酶辅酶Q(Q(泛醌泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶是许多酶的辅酶)辅酶辅酶Q Q（泛醌（泛醌,CoQ,Q
14、,CoQ,Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋）是电子传递链中的唯一的一种非蛋白质组分，白质组分，功能基团是苯醌，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型在电子传递过程中可在醌型（氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。（氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和和FADH2上的上的H H和和电子电子都必须经过都必须经过辅酶辅酶Q Q最终传递到氧分子，因最终传递到氧分子，因此，此，它是电子传递链的中心和电子集中点。它是电子传递链的中心和电子集中点。细胞色素类细胞色素类(cytochrome,cyt）是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，铁原子处铁原子处于
15、卟啉的结构中心，构成血红素。于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素类是呼吸细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶链中将电子从辅酶Q Q传递到传递到O O2的专一酶类的专一酶类。高等动物线粒体呼吸链中主要含有高等动物线粒体呼吸链中主要含有5 5种细胞色素种细胞色素,b b、c c、c c1 1、a a、a a3 3等。等。细胞色素主要是通过辅基中细胞色素主要是通过辅基中FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子(细细胞色素为胞色素为单电子单电子传递体传递体。(5)(5)细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶（细
16、胞色素（细胞色素bcbc1 1复合体，即复合物复合体，即复合物）含有两种细胞色素（细胞色素含有两种细胞色素（细胞色素b b、细胞色素、细胞色素c c1 1）和一铁硫蛋白（和一铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。细胞色素细胞色素bcbc1 1复合体的作用是将电子从复合体的作用是将电子从QHQH2 2转移到转移到细胞色素细胞色素c c：QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.ccytbc1（6 6）细胞色素）细胞色素C 细胞色素细胞色素C是唯一能溶于水的、可被分离出来的独是唯一能溶于水的、可被分离出来的独立蛋白质成分，在复合体立蛋白质成分，在复合体III和和之间传递电子（细之间传
17、递电子（细胞色素胞色素C 交互地与细胞色素还原酶的交互地与细胞色素还原酶的C1 1以及细胞色以及细胞色素氧化酶接触）素氧化酶接触）.(7)(7)细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶(复合物复合物）由由 cyt.acyt.a和和a a3 3 组成。复合物中除了含有铁卟啉组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有外，还含有2 2个铜原子（个铜原子（CuCuA A，CuCuB B）。）。cytacyta与与CuCuA A相相配合，配合，cytacyta3 3与与CuCuB B相配合，当电子传递时，在细胞相配合，当电子传递时，在细胞色素的色素的FeFe3+3+Fe Fe2+2+间循环，同时在间循环，同时在CuCu
18、2+2+Cu Cu+间循环，间循环，将电子直接传递给将电子直接传递给O O2 2,也叫也叫末端氧化酶末端氧化酶。(8)(8)琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶（复合物（复合物）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括基包括FADFAD和和Fe-SFe-S聚簇。聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基同时其辅基FADFAD还原为还原为FADHFADH2 2，然后，然后FADHFADH2 2又将电又将电子传递给子传递给Fe-SFe-S聚簇。聚簇。最后电子由最后电子由Fe-SFe-S聚簇传递给琥珀酸聚簇传递给
19、琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶的辅酶的辅酶CoQCoQ。*泛醌泛醌 和和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛
20、醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 两条呼吸链的组成两条呼吸链的组成 NADH呼吸链呼吸链NADH 复合体复合体 CoQ 复合体复合体Cytc 复合体复合体O2 琥珀酸琥珀酸(FADH2)呼吸链呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 CoQ 复合体复合体Cytc 复合体复合体O2NADH呼吸链呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥
21、珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH-Q还原酶还原酶细胞色素细胞色素c还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶FADH2呼吸链呼吸链 氧化还原电位氧化还原电位由由低低 高高 E E00越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，之，E E00越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。当电子从当电子从E E0 0 值低的物质传到值低的物质传到E E00值高的物质时，值高的物质时，伴随着自由能的降低，即释放能量伴随着自由能的降低，即
22、释放能量:G0=nFE0=nF（E0受体受体 E0 供体供体）其中：其中：n n 是转移的电子数，是转移的电子数，F F 是法拉第常数。是法拉第常数。三、呼吸链各组分的排列顺序三、呼吸链各组分的排列顺序呼吸链中电子流动方向与呼吸链中电子流动方向与ATP的生成的生成FADH22e-NADH ATP ATP ATP 四四.电子传递抑制剂电子传递抑制剂 返回 凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂呼吸链电子传递抑制剂.琥珀酸琥珀酸FAFANAD+FMN CoQ b c1 c aa3 O2鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素
23、抗霉素抗霉素AH2SCOCNN3D D鱼藤酮、安密妥、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素：阻断电子从阻断电子从NADHNADH到辅酶到辅酶Q Q传递传递 ；抗霉素抗霉素A A：阻断阻断细胞色素细胞色素b b到到c c1 1之间的电子传递之间的电子传递;氰化物、叠氮化物、氰化物、叠氮化物、硫化氢、硫化氢、一氧化碳一氧化碳：阻断阻断电子从细胞色素电子从细胞色素aaaa3 3到氧的传递。到氧的传递。各种抑制剂的作用位点各种抑制剂的作用位点第四节第四节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 一、氧化磷酸化的概念和一、氧化磷酸化的概念和ATPATP的生成方式的生成方式 二、二、氧化磷酸化的作用机制氧化磷酸化的
24、作用机制 三、三、磷氧比值磷氧比值五、五、氧化磷酸化的调控氧化磷酸化的调控四、四、氧化磷酸化的解偶联和抑制氧化磷酸化的解偶联和抑制返返回回 1 1、概念：、概念：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATPATP合酶的催化下，使合酶的催化下，使ADPADP磷酸化成磷酸化成ATPATP的过程，由于的过程，由于代谢物的氧化反应与代谢物的氧化反应与ADPADP的磷酸化反应偶联进行，故的磷酸化反应偶联进行，故称为称为氧化磷酸化氧化磷酸化。呼呼吸吸链链AH2 2H(2H+2e)A能能ADP+PiATPO212氧化氧化磷酸化磷酸化偶偶联联H2O一、氧化磷酸化的概念和一、氧化磷
25、酸化的概念和ATP的生成方式的生成方式 AH2 A2H代谢物代谢物 氧化产氧化产物物2H-磷酸甘磷酸甘油穿梭油穿梭苹果酸穿梭苹果酸穿梭 +O212H2O 能量能量ADP+H3PO4ATP+H2O氧化磷酸化氧化磷酸化呼吸链呼吸链线粒体线粒体胞液胞液2 2、ATPATP的生成方式的生成方式光合磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化返回氧化（电子传递水平）磷酸化氧化（电子传递水平）磷酸化 是植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色是植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化体在光下催化ADPADP与与PiPi）形成）形成ATPATP的反应。的反应。光合磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷
26、酸化 由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能作用下将高能键上的键能直接转移给直接转移给ADPADP（或（或 GDPGDP）而生成）而生成 ATPATP（或（或 GTPGTP）的反应。）的反应。1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+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丙酮酸丙酮酸+ATP琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶琥珀酰琥珀酰CoA+HCoA+H3 3POPO4 4+GDP+
27、GDP琥珀酸琥珀酸+CoA+CoA+GTPGTP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化见于下列三个反应底物水平磷酸化见于下列三个反应（1）实验证明，电子由实验证明，电子由NADH到氧的传递过程中，到氧的传递过程中，ATP是在三个不连续的部位生成的是在三个不连续的部位生成的:部位部位I是在是在NADH和辅酶和辅酶Q之间；之间；部位部位II 是在辅酶是在辅酶Q和细胞色素和细胞色素c之间；之间；部位部位III 是在细胞色素是在细胞色素aa3和氧之间。和氧之间。自由能变化与自由能变化与ATP的生成部位的生成部位合成合成1molATP时，需要提供的能量至少为时，需要提供的能量至少为G0=-30.
28、5kJ/mol，相当于氧化还原电位差，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。故在故在NADH氧化呼吸链中有三处氧化呼吸链中有三处可生成可生成ATP，而，而在在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成可生成ATP。ATPATPATP线粒体普遍存在于动植物细胞内，是需氧细胞产生ATP的主要部位。（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径，磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比CH3COSCoA+CO2二、氧化磷酸化的作用机制(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激活脱下，其中一个氢原子以氢阴离子(hydride ion)(H-)的形式转移到NA
29、D+或NADP+上，另外一个则以氢离子(H+)形式游离到溶液中。FMNH2 Q G -55.(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶 琥珀酸(FADH2)呼吸链一、生物氧化的概念和特点 E0越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。Cys S S S Cys在在NADHNADH氧化过程中：氧化过程中：有三个反应的有三个反应的 G G -30.5 kJ/mol -30.5 kJ/mol FMNH FMNH2 2 Q Q G G -55.6kJ/mol -55.6kJ/mol cyt.b cyt.b cyt.c -34.7 kJ/mol cyt.c -
30、34.7 kJ/mol cyt.aa cyt.aa3 3 O O2 2 -102.1kJ/mol-102.1kJ/mol这三个反应分别与这三个反应分别与ADPADP的磷酸化反应偶联的磷酸化反应偶联。这些部位称为这些部位称为呼吸链的偶联部位呼吸链的偶联部位。二、氧化磷酸化的作用机制二、氧化磷酸化的作用机制19531953年年 Edward Slater Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假
31、说 （1978年获诺贝尔化学奖）年获诺贝尔化学奖）内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e-ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ATPATPH H+H H+H H+基质基质膜间隙膜间隙电子传递链电子传递链 电子传递的自由能驱电子传递的自由能驱动动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，从内膜进入到膜间隙，从而形成而形成H H+跨线粒体内膜跨线粒体内膜的的电化学梯度电化学梯度，这个梯，这个梯度的电化学势度的电化学势(H H+)驱动驱动ATPATP的合成。的合成。(一一)化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic(chemiosmotic hypoth
32、asis)hypothasis)化学渗透假说的基本要点：化学渗透假说的基本要点：该学说认为线粒体内膜的该学说认为线粒体内膜的电子传递链电子传递链是一个是一个质子泵质子泵，在电子，在电子传递链中，电子由传递链中，电子由高能状态高能状态传递到传递到低能状态低能状态时释放出来的时释放出来的能能量量，驱动线粒体内膜内侧（基质侧）的，驱动线粒体内膜内侧（基质侧）的H H+迁移迁移到内膜外侧（到内膜外侧（膜间空间），这样，在膜的内侧与外侧就产生了膜间空间），这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯跨膜质子梯度度 (pH)pH)和和跨膜电位梯度（跨膜电位梯度（）；当质子顺浓度梯度回流到基质侧时，这种当质子顺
33、浓度梯度回流到基质侧时，这种跨膜的梯度差跨膜的梯度差形成形成的的质子驱动力质子驱动力被存在于线粒体内膜上的被存在于线粒体内膜上的ATPATP合酶合酶利用，使利用，使ADPADP磷酸化成磷酸化成ATPATP。化学渗透学说的关键化学渗透学说的关键：电子传递与：电子传递与ATPATP的合成是通过跨膜的的合成是通过跨膜的质子梯度相质子梯度相偶联偶联的。的。化学渗透学说化学渗透学说质子梯度的形成质子梯度的形成ATP酶如何利用质子推动力催化酶如何利用质子推动力催化ADP+Pi合成合成ATP?Boyer 创立创立“结合变化学说结合变化学说”，后得到，后得到 Walker 的研究证实，的研究证实，二人获得二人
34、获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。嵌于线粒体内膜上，由亲嵌于线粒体内膜上，由亲水部分水部分 F1(3 3亚基亚基)和疏水部和疏水部F0(a1b2c912亚基亚基)组成。组成。其头部呈颗粒状，突出于其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。线粒体内膜的基质侧。膜间腔膜间腔基质基质ATP合酶合酶(F0F1 ATP合酶合酶)的结构的结构:H+通道通道 英国科学家英国科学家WalkerWalker通过通过x x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATPATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构，证明在证明在ATPATP酶合成酶合成ATPATP的催化循环中的催化循环中三个
35、三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象，从而有力地支持了从而有力地支持了BoyerBoyer的假的假说。说。BoyerBoyer和和WalkerWalker共同获得共同获得19971997年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖。美国科学家美国科学家BoyerBoyer为解释为解释ATPATP酶作用机理酶作用机理,提出提出结合变化学结合变化学说说，认为，认为ATPATP合酶合酶亚基有三种不同的构象，一种构象亚基有三种不同的构象，一种构象(L L)有有利于利于ADPADP和和PiPi结合，一种构象结合，一种构象(T T)可使结合的可使结合的ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP，第三种构象，第三种
36、构象(O O)使合成的使合成的ATPATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATPATP合成合成过程中，三个过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜需能量由跨膜H H+提供。提供。结合变化学说的要点结合变化学说的要点当质子推动力驱使H H+经F0质子通道流回基质时，F1组分因质子化而发生构象的改变，从而推动ATP合酶旋转至一种特殊构象，使得与ATP合酶紧密结合的ATP被释放。（二）（二）ATP合酶的结合变化学说合酶的结合变化学说(binding change hypothesis)ATP合合酶作用机理酶作用机理有利于有利于ADP与与
37、Pi结合的构象结合的构象有利于有利于ADP与与Pi生生成成ATP的构象的构象有利于有利于ATP释放的构象释放的构象三、磷氧比值（三、磷氧比值（P/OP/O）P/OP/O值：值：是指某物质氧化时每消耗是指某物质氧化时每消耗1mol1mol氧所消耗氧所消耗 无机磷的无机磷的molmol数数，即产生的，即产生的ATPATP的的molmol数。数。实质：实质：每消耗每消耗1mol1mol氧氧原子原子所产生的所产生的ATPATP的的molmol数。数。两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）：两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）：NADHNADH呼吸链：呼吸链：3 3（产生（产生3 3分子分子ATPATP）FADHFA
38、DH2 2呼吸链：呼吸链：2 2（产生（产生2 2分子分子ATPATP）返回四、四、氧化磷酸化的解偶联和抑制氧化磷酸化的解偶联和抑制 用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成若干若干个反应，是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法个反应，是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。根据根据试剂试剂的影响方式可分成三大类：的影响方式可分成三大类：解偶联剂解偶联剂 氧化氧化磷酸化抑制剂磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂离子载体抑制剂（1）解偶联解偶联剂（剂（Uncouplers)这类试剂的作用是使电子传递和这类试剂的作用是使电子传递和ATP形成两个过程形成两个过程分离，失掉它们的紧密联
39、系，分离，失掉它们的紧密联系，它只抑制它只抑制ATP的形成的形成过程，不抑制电子传递过程过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生，使电子传递所产生的自由能都变为热能。的自由能都变为热能。典型的解偶联试剂是典型的解偶联试剂是2,4二硝基苯酚二硝基苯酚(2,4dinitrophenol，DNP)。2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外解偶联试剂的作用机理解偶联试剂的作用机理在pH7的环境下，DNP以脂不溶性的解离态存在，不能透过线粒体膜；而在酸性环境中，DNP接受质子后成为不解离的形
40、式而变为脂溶性，从而容易地透过膜，同时将一个质子带入膜内。解偶联试剂使内膜对H+的通透性增加，将其带到 H+浓度低的一边。这样就破坏了跨膜 H+梯度的形成。这种由破坏 H+梯度而引起解偶联现象的试剂又称为质子载体质子载体。新生儿或新生动物，冬眠的动物新生儿或新生动物，冬眠的动物褐色脂肪组织褐色脂肪组织 生热蛋白（解偶联蛋白，UCP）提供质子返回基质的通道 质子不通过F1F0-ATP酶，氧化散热，维持体温，不生成ATP解偶联的意义：解偶联的意义：（2）氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰直接干扰ATP的生成的生成过程过程。由于它干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过
41、程，结果也使电子传递不能进行。表现结果：既抑制氧的利用又抑制既抑制氧的利用又抑制ATP的形成的形成 如寡霉素(oligomycin)，直接作用于线粒体ATP合酶的F0组分。(3)离子载体抑制剂离子载体抑制剂(ionophores)是一类脂溶性物质，能与某些离子结合，并作为它们能与某些离子结合，并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜的载体使这些离子能够穿过膜，通过增加线粒体内膜通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。和解偶联试剂的区别：它是作为H+离子以外的其他一价阳离子的载体。如缬氨霉缬氨霉素素(valinomycin)能够结合K+离子
42、，与K+形成脂溶性的复合物，从而容易地使K+通过膜。又如短杆菌短杆菌肽肽(gramicidin)可使K+，Na+以及其他一些一价阳离子穿过线粒体内膜。五、氧化磷酸化的调控五、氧化磷酸化的调控ADP与与ATP的调节作用的调节作用质量作用比：质量作用比：ATP/ADPPi ATP/ADPPi ：抑制氧化磷酸化，抑制氧化磷酸化，ATPATP生成生成ATP/ADPPi ATP/ADPPi ：促进氧化磷酸化，促进氧化磷酸化，ATPATP生成生成H2O+NAD+NADH+H+O212ADP+PiATP氧化磷酸化氧化磷酸化返回第五节第五节 线粒体外线粒体外NADHNADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用 磷
43、酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统 酵解酵解（细胞质）（细胞质）氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体）（一）磷酸甘油穿梭（一）磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）3-磷酸甘油脱氢酶3-3-磷酸甘油磷酸甘油脱氢酶脱氢酶（二）苹果酸（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭细胞液细胞液线粒体内膜线粒体内膜天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶天冬氨酸转天冬氨酸转氨酶氨酶天冬氨酸天冬氨酸转转氨酶氨酶（、为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链The end
