1、第七章生物氧化与氧化磷酸化生物氧化与氧化磷酸化 Biological oxidation and oxidative phosphorylation第一节第一节生物氧化反应及氧化还原酶基本类型生物氧化反应及氧化还原酶基本类型Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation 一、生物氧化一、生物氧化泛指在生物体内发生的任何氧化还原反泛指在生物体内发生的任何氧化还原反应，也包括营养物和生物分子在生物体（细应，也包括营养物和生物分子在生物体（细胞）内进行的氧化还原作用。胞）内进行的氧化还原作用。营养物和生物分子经历氧化
2、还原反应被营养物和生物分子经历氧化还原反应被彻底分解，产生彻底分解，产生H2O、CO2，并伴有，并伴有ATP的生的生成，或转化为其它分子成，或转化为其它分子,此过程需耗氧、排出此过程需耗氧、排出CO2。生物氧化生物氧化（biological oxidation）与体外燃烧不同的是与体外燃烧不同的是:生物体内的生物氧化过程是在生物体内的生物氧化过程是在3737；近于中性的含水环境中；近于中性的含水环境中；由酶催化进行的；由酶催化进行的；反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。能磷酸酯键的形式储存起来。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中
3、的一生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，系列氧化还原反应，所以又称为所以又称为细胞氧化或细胞呼吸细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化过程：生物氧化过程：代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子；代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子；还原当量（还原当量（reducing equivalent）一般是指一般是指以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一个电子当量。个电子当量。电子经过中间载体传给氧分子，激活氧；电子经过中间载体传给氧分子，激活氧；H+和和O2-结合成结合成H2O，并释放能量。，并释放能量。二、很多氧化酶直接以氧为受氢二、很多氧化酶直接以氧为
4、受氢/电子体电子体氧化酶类是一大类酶的统称，泛指催化涉及氧化酶类是一大类酶的统称，泛指催化涉及氧分子（氧分子（O2）的反应。）的反应。分为分为4组：组：氧化酶（氧化酶（oxidases）需氧脱氢酶需氧脱氢酶(aerobic dehydrogenases)加氧酶加氧酶(oxygenases)氢过氧化物酶（氢过氧化物酶（hydroperoxidases）特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数催化物质转化，与催化物质转化，与ATP的生成无关。的生成无关。（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉 催化的反应可以催化的反应可以O2为直接受氢体
5、，为直接受氢体，产物产物:为为H2O。辅基辅基:主要成分是主要成分是Cu2+或铁卟啉，或铁卟啉，存在存在:线粒体。线粒体。如细胞色素如细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。氧化酶、抗坏血酸氧化酶。（二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢（二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢它们催化的反应以它们催化的反应以O2为直接受氢体，为直接受氢体，产物产物:H2O2。辅基辅基:为为FAD或或FMN.属于黄素酶属于黄素酶(flavoenzyme)，如醛脱氢酶、黄嘌，如醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶等。氨基酸氧化酶等。黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)辅基还含有辅基还含
6、有钼（钼（Mo）和铁）和铁-硫蛋白。硫蛋白。各种加氧酶以及氢过氧化物酶各种加氧酶以及氢过氧化物酶(包括过包括过氧化氢酶、过氧化物酶。氧化氢酶、过氧化物酶。)主要存在于微粒体，参与某些代谢物、药主要存在于微粒体，参与某些代谢物、药物、毒物的转化或清除。物、毒物的转化或清除。（三）加氧酶和（三）加氧酶和氢氢过氧化过氧化物物酶酶三、不需氧脱氢酶三、不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶（anaerobicdehydrogenases）：）：指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。的酶。此类酶不是将氢（此类酶不是将氢（H+e-）直接传递给）直接传递给O2，而是使
7、而是使H活化并由辅酶或辅基接受，产生还原活化并由辅酶或辅基接受，产生还原型辅酶或辅基。型辅酶或辅基。主要功能：主要功能：（1）作为呼吸链作为呼吸链/电子传递链中氢或电子载电子传递链中氢或电子载体，间接将氢或电子传递给体，间接将氢或电子传递给O2，生成，生成H2O，与产生与产生ATP相关。相关。（2）催化）催化不涉及呼吸链的氧化还原反应不涉及呼吸链的氧化还原反应，促，促进代谢物之间氢的交换。进代谢物之间氢的交换。（3）通过催化可逆的反应促进还原当量在细）通过催化可逆的反应促进还原当量在细胞内的自由运转或穿梭。胞内的自由运转或穿梭。（一）很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌呤（一）很多不需氧脱氢酶以尼克
8、酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体核苷酸为受氢体维生素维生素PP PP 包括尼克酸和尼克酰胺。包括尼克酸和尼克酰胺。NADNAD+（辅酶（辅酶I I，coenzyme Icoenzyme I，Co ICo I）NADPNADP+（辅酶（辅酶IIII，coenzyme IIcoenzyme II，Co IICo II）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶。是烟酰胺脱氢酶类的辅酶。是维生素是维生素PPPP的活性形式。的活性形式。NAD NAD 或或NADP NADP 分子中烟酰胺的氮为五价，能分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。接受电子成为三价氮。此时其对侧的碳原子可进行加氢反应，在此时其对侧的碳原子可进行加氢
9、反应，在加氢反应时只能接受加氢反应时只能接受1 1个氢原子和个氢原子和1 1个电子个电子,将另一个将另一个 质子质子游离出来游离出来,NADH(H+)结构如下结构如下：NADNAD+和和NADPNADP+的分子结构的分子结构（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸为（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸为受氢体受氢体维生素维生素B2是核醇与是核醇与异咯嗪的缩合物。具异咯嗪的缩合物。具黄色，又叫核黄素。黄色，又叫核黄素。维生素维生素B2 在黄素激酶作用下生成在黄素激酶作用下生成FMN。FMN在焦磷酸化酶作用下生成在焦磷酸化酶作用下生成FAD。FMN和和FAD是维生素是维生素B2的活性形式。的活性形式。琥珀
10、酸脱氢酶、脂酰琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、脱氢酶、NADH-Q氧化还原酶和琥珀酸氧化还原酶和琥珀酸-Q还原还原酶等酶等分别以黄素单核苷酸（分别以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）、黄素腺）、黄素腺嘌呤二核苷酸（嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD为辅酶。为辅酶。其辅酶中含有核黄素而呈黄色，故又称其辅酶中含有核黄素而呈黄色，故又称黄酶。黄酶。FMN的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应FMN结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是化还原反应时不稳定中间产物是FMN
11、H。FAD CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910（三）某些氧化还原酶以血红素为电（三）某些氧化还原酶以血红素为电子载体子载体Q-细胞色素细胞色素c氧化还原酶（氧化还原酶（复合体复合体）以血红以血红素素bH、bL及及c1为辅基，传递电子。为辅基，传递电子。NNNNCH3HCCH2CH3CHCH2CH2CH2COO CH3HCCH2CH2 OOCFeOHCH2CHCCH2CH33HONNNNCH3HCCH3SCH2CH3CHSCH2CH3CH2CH2COO CH3H3CCH2CH2 OOCprote
12、inproteinFe血红素血红素 b血红素血红素 C第二节第二节 线粒体氧化体系与氧化磷酸化线粒体氧化体系与氧化磷酸化Mitochondrial oxidative system and oxidative phosphorylation 真核细胞真核细胞ATP的生成主要发生在线粒体中。的生成主要发生在线粒体中。营养物经氧化脱氢、电子传递、质子泵流营养物经氧化脱氢、电子传递、质子泵流和和ATP合成等过程结合偶联成一个整体合成等过程结合偶联成一个整体,高效完成线粒体的呼吸作用。高效完成线粒体的呼吸作用。在线粒体内膜中，由一系列具有氢和在线粒体内膜中，由一系列具有氢和/或电子或电子传递功能的酶复
13、合体按一定顺序排列，组成传递功能的酶复合体按一定顺序排列，组成的氧化还原体系称为呼吸链（的氧化还原体系称为呼吸链（respiratory chain）。）。因为传递氢相当于传递质子和电子（因为传递氢相当于传递质子和电子（2H+2e-），所以呼吸链又称电子传递链），所以呼吸链又称电子传递链(electron transport chain)。一、呼吸链一、呼吸链线粒体的结构线粒体的结构（一）（一）电子传递体是酶复合体的辅酶或辅电子传递体是酶复合体的辅酶或辅基基 电子传递体：电子传递体：就是组成呼吸链的几种酶复合体的辅酶或辅就是组成呼吸链的几种酶复合体的辅酶或辅基。基。有的直接传递氢，有的传递电子
14、。有的直接传递氢，有的传递电子。电子传递体具有不同的氧化还原电位（电子传递体具有不同的氧化还原电位（redox potential），决定了它们在呼吸链中的排列次），决定了它们在呼吸链中的排列次序。序。泛醌是一种黄色脂溶性醌类化合物，泛醌是一种黄色脂溶性醌类化合物，以往曾以为它是一种辅酶，称为辅酶以往曾以为它是一种辅酶，称为辅酶Q Q（coenzyme Qcoenzyme Q，Co QCo Q）。）。后来发现它是呼吸链中唯一不与蛋后来发现它是呼吸链中唯一不与蛋白质结合的电子载体，故称为泛醌更为恰白质结合的电子载体，故称为泛醌更为恰当。当。人和哺乳动物组织中的泛醌其侧链人和哺乳动物组织中的泛醌其
15、侧链有有1010个异戊二烯单位（个异戊二烯单位（n=10n=10），以），以Q Q1010表表示。示。泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和一个质子还原成二氢泛醌，再接受一个电子和一个质子还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。将氢解离成氢离子和电子分别传递将氢解离成氢离子和电子分别传递。铁硫蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白辅基：铁硫中心铁硫蛋白辅基：铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行可进行Fe2+和和Fe3+e-反应传递电子。属于单
16、电反应传递电子。属于单电子传递体子传递体。铁硫蛋白在线粒体内膜上常与其他递氢体或铁硫蛋白在线粒体内膜上常与其他递氢体或递电子体（黄素蛋白或细胞色素）构成复合物递电子体（黄素蛋白或细胞色素）构成复合物存在。存在。铁硫蛋白的铁硫蛋白的分子结构分子结构 铁硫蛋白分子铁硫蛋白分子中含有由半胱中含有由半胱氨酸残基硫原氨酸残基硫原子与铁离子形子与铁离子形成的铁硫中心，成的铁硫中心，一次可传递一一次可传递一个电子。个电子。细胞色素细胞色素 这是一类血红素为辅基的催化电子传递的这是一类血红素为辅基的催化电子传递的蛋白质。蛋白质。细胞色素可存在于细胞色素可存在于线粒体内膜线粒体内膜，也可存在，也可存在于于微粒体
17、微粒体。在生物氧化反应中，其铁离子可为在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚价亚铁离子，也可为铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。体。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、c，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。再分为几种亚类。存在于线粒体内膜的细胞色素有存在于
18、线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和和Cytb5。在典型的线粒体呼吸链中，其传递在典型的线粒体呼吸链中，其传递顺序是：顺序是：b b c c1 c c aaaa3 O O2（二）复合体（二）复合体、和和在电子传递中有在电子传递中有质子泵作用质子泵作用 采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经硫酸铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得硫酸铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得到到4种酶复合体（种酶复合体（complex）。）。复合体复合体
19、、和和完全镶嵌在线粒体内膜完全镶嵌在线粒体内膜中，跨膜。中，跨膜。参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度。内膜的质子梯度。复合体复合体镶嵌在内膜的内侧，只参与电子镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递。传递。F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP 4H+2H+4H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置1.1.复合体复合体将将NADH+H+中的两个质中的两个质子子/电子传递给泛醌电子传递给
20、泛醌（ubiquinone）1）复合体）复合体又称又称NADH-泛醌氧化还原酶。泛醌氧化还原酶。是是呼吸链的主要入口，含亚基最多，分呼吸链的主要入口，含亚基最多，分别由核基因和线粒体基因编码。别由核基因和线粒体基因编码。辅基为辅基为FMN和多个铁硫中心。和多个铁硫中心。2）复合体）复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ3）每传递）每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵有质子泵功能功能复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH21）又称琥
21、珀酸）又称琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶,4个亚基组成。个亚基组成。以以FAD、Fe-S和血红素和血红素b（heme b566）为）为辅基。辅基。2）复合体复合体镶嵌在内膜的内侧。黄素蛋白镶嵌在内膜的内侧。黄素蛋白、铁硫蛋白突入基质；铁硫蛋白突入基质；两个疏水跨膜蛋白结合两个疏水跨膜蛋白结合细胞色素细胞色素将复合物锚将复合物锚定于内膜。定于内膜。只参与电子传递。只参与电子传递。催化电子从琥珀酸至催化电子从琥珀酸至CoQ。2.复合体复合体 3）电子传递：琥珀酸）电子传递：琥珀酸FAD几种几种Fe-S 血红素血红素b CoQ。）复合体）复合体催化电子传递释放的自催化电子传递释放的自由能较少，因此没有
22、由能较少，因此没有H+泵的功能，不泵的功能，不产生跨线粒体内膜的质子梯度。产生跨线粒体内膜的质子梯度。3复合体复合体）复合体）复合体又叫泛醌又叫泛醌-细胞色素细胞色素c氧化还原酶或氧化还原酶或细胞色素细胞色素复合体复合体）人体细胞的复合体）人体细胞的复合体IIIIII中含有种细胞色素中含有种细胞色素b b（ytbytb，b b）、细胞色素）、细胞色素和铁硫和铁硫蛋白。蛋白。ytbytb血红素辅基亲和力高，血红素辅基亲和力高，b b血红素辅血红素辅基亲和力低。基亲和力低。细胞色素细胞色素b b、细胞色素、细胞色素和铁硫蛋白的作用是和铁硫蛋白的作用是进行泛醌氧化进行泛醌氧化、电子传递电子传递、细胞
23、色素还原。细胞色素还原。）泛醌是双电子载体，细胞色素泛醌是双电子载体，细胞色素是单是单电子载体，复合体电子载体，复合体IIIIII电子传递需经循环。电子传递需经循环。）复合体）复合体每传递每传递2个电子向内膜胞浆侧个电子向内膜胞浆侧释放释放4个个H+，复合体，复合体也有质子泵作用。也有质子泵作用。）复合体）复合体IIIIII将电子从泛醌传递给细胞色将电子从泛醌传递给细胞色素。素。CytcCytc呈水溶性，与线粒体内膜外表面结呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。故不包含在上述复合体中。ADPATPCoQFeScyt
24、bcytC1eH+cytC 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c14.复合体复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧1）复合体）复合体又称细胞色素又称细胞色素c氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)人体细胞中的复合人体细胞中的复合体体IV中含有中含有Cyt a和和Cyt a3。由于两者结。由于两者结合紧密，很难分离，故合称为合紧密，很难分离，故合称为细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶（Cyt aa3）。）。）复合体）复合体有有13个亚基。个亚基。其中其中SU1SU3构成复合体核心，负责细构成复合体核心，负责细胞色素氧化、电子传递、氧气的
25、还原。胞色素氧化、电子传递、氧气的还原。由线粒体基因编码，含铁和铜离子位点。由线粒体基因编码，含铁和铜离子位点。其它其它10个亚基起调节作用。个亚基起调节作用。SU2含两个铜离子与含两个铜离子与SH结合组成双核结合组成双核中心中心CuA中心。中心。SU1含血红素含血红素a和和a3及一个铜离子，铜离及一个铜离子，铜离子和血红素子和血红素a3形成第二个双核中心，形成第二个双核中心，叫血红素叫血红素a3-CuB中心。将电子传递给中心。将电子传递给O2。3）细胞色素）细胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成水的过程中，有强氧化性中还原成水的过程中，有强氧化性中间物间物-超氧离子生
26、成。超氧离子生成。但它们始终和双核中心紧密结合，被束但它们始终和双核中心紧密结合，被束缚在表面而不释放到周围介质，不会缚在表面而不释放到周围介质，不会引起细胞损伤。引起细胞损伤。）复合体）复合体有质子泵作用，有两个质有质子泵作用，有两个质子通道。子通道。A 一个使基质中质子能到达氧气；一个使基质中质子能到达氧气；B 另一个使质子跨内膜转移到胞质侧。另一个使质子跨内膜转移到胞质侧。每每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞跨内膜向胞浆侧转移浆侧转移）电子传递：）电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程（三）体内有两条重要的
27、呼吸链（三）体内有两条重要的呼吸链 按标准按标准氧还电位递增值氧还电位递增值确定的呼吸链各传确定的呼吸链各传递体的排列顺序是目前一致认可的方法。递体的排列顺序是目前一致认可的方法。在生物化学中，以（在生物化学中，以（E0）值来表示氧化还）值来表示氧化还原剂对电子的亲和力。原剂对电子的亲和力。根据氧化还原原理（根据氧化还原原理（E0）值）值愈低愈低的氧还对的氧还对释出释出电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂，电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂，因而排列于呼吸链的前面。因而排列于呼吸链的前面。呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧
28、化还原对氧化还原对E0(V)NAD+/NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH20.219Cyt c Fe3+/Fe2+0.254FAD/FADH20.219Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链1NADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：NADHNADH呼吸链是细胞内的主要呼吸链，因为呼吸链是细胞内的主要呼吸链，因为生物氧化过程中大多数脱氢酶都是以生物氧化
29、过程中大多数脱氢酶都是以NAD+NAD+为辅酶，代谢物脱下的氢使辅酶由氧化型为辅酶，代谢物脱下的氢使辅酶由氧化型（NADNAD+）转变为还原型（）转变为还原型（NADHNADH）。）。NADHNADH通过这条呼吸链将氢最终传递给氧而通过这条呼吸链将氢最终传递给氧而生成水。生成水。NADHNADH呼吸链各组分的排列顺序见图：呼吸链各组分的排列顺序见图：丙丙 酮酮 酸酸-酮戊二酸酮戊二酸 硫辛酸硫辛酸 FAD 2e 异柠檬酸异柠檬酸 苹苹 果果 酸酸 谷氨酸谷氨酸 NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa3 -羟丁酸羟丁酸 2H 1/2O2-羟脂酰羟脂酰CoA 2H+H2O 2.琥
30、珀酸氧化呼吸链：琥珀酸氧化呼吸链：也叫也叫FADHFADH2 2氧化呼吸链。氧化呼吸链。FADFAD呼吸链由黄素蛋白、泛醌、细胞色呼吸链由黄素蛋白、泛醌、细胞色素体系、铁硫蛋白所组成，素体系、铁硫蛋白所组成，FADFAD呼吸链呼吸链各组分的排列顺序见图：各组分的排列顺序见图：-磷酸甘油磷酸甘油 FAD(FP)脂肪酰脂肪酰CoA FAD 琥珀酸琥珀酸 (Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa31/2O2 Cytb 二、氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化，
31、生成生成ATP，又称为偶联磷酸化。，又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是底物分子内部能量重是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 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 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸+ATP 琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶 琥珀酰琥珀酰
32、CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP 琥珀酸硫激酶琥珀酸硫激酶（一）氧化磷酸化的偶联部位：（一）氧化磷酸化的偶联部位：.根据根据P/O比值确定偶联部位比值确定偶联部位 通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。生成之间的比例关系。每消耗每消耗1/2摩尔氧气所生成的摩尔氧气所生成的ATP摩尔数称摩尔数称为为P/O比值。比值。故在故在NADH氧化呼吸链中有氧化呼吸链中有2.5个个ATP生成，生成，而在琥珀酸氧化呼吸链中，
33、只有而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有1.5个个ATP生成。生成。1.根据根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位比值推测氧化磷酸化偶联部位底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.5 2.5Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.5 1.5Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c(Fe2+)复复合合体体O20.610.68 12.2.根据电子传递时自由能变化确定偶联部位根据电子传递时自由能变化确定偶联部位合成合成1mo
34、lATP时，需要提供的能量至少为时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差，相当于氧化还原电位差E0=0.2V电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ)Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化的偶联机制：（二）氧化磷酸化的偶联机制：1.呼吸链氧化驱动
35、产生跨线粒体内膜的质子呼吸链氧化驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度梯度 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年年由由Mitchell提出的化学渗透学说。提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜成跨膜pH梯度和跨膜电位差。梯度和跨膜电位差。这种形式的这种形式的“势能势能”，可以被存在于线粒体，可以被存在于线粒体内膜上的内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸
36、基团，合酶利用，生成高能磷酸基团，并与并与ADP结合而合成结合而合成ATP。1）氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；）氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；2）线粒体内膜对）线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是离子是不通透的；不通透的；3）电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可）电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；测定的跨内膜电化学梯度；4）增加线粒体内膜外侧酸性可导致）增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成；合成；而线粒体内膜如果加入可使质子通过物质就而线粒体内膜如果加入可使质子通过物质就可减少内膜质子梯度。结果电子虽可以传递，可减少内膜质子梯度。结果电子虽可以
37、传递，但但ATP生成减少。生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持化学渗透假说已经得到广泛的实验支持质子梯度的形成质子梯度的形成 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP 4H+2H+4H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-电子传递过程复合体电子传递过程复合体(4H+)、(4 H+)和和(2H+)有质子泵功能有质子泵功能 ATP ATP合酶合酶 ATPATP合酶（合酶（ATP synthaseATP synthase）位于线粒体内膜）位于线粒体内膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主要的基质侧，形成许多
38、颗粒状突起。该酶主要由由F F0 0（疏水部分）和（疏水部分）和F F1 1（亲水部分）组成。（亲水部分）组成。F F0 0含有较多的亮氨酸、丙氨酸等，是疏水蛋含有较多的亮氨酸、丙氨酸等，是疏水蛋白，因此可以进入膜脂质，贯穿整个膜。白，因此可以进入膜脂质，贯穿整个膜。F F0 0构成构成H H+通道，允许通道，允许H H+通过并不需要载体。通过并不需要载体。F F1 1主要由主要由3 33 3亚基组成，其功能是催化亚基组成，其功能是催化生成生成ATPATP。亚基有催化活性，但亚基有催化活性，但亚基必须与亚基必须与亚基结亚基结合才有活性；合才有活性；亚基控制质子通过。亚基控制质子通过。当当H H
39、+顺浓度梯度经顺浓度梯度经F F0 0回流时，回流时，F F1 1催化催化ADPADP和和PiPi，生成并释放生成并释放ATPATP。ATP合酶利用质子顺梯度回流释能合成合酶利用质子顺梯度回流释能合成ATP ATP合酶的分子结构合酶的分子结构三、三、ATP在能量捕获、转移、储存和在能量捕获、转移、储存和利用过程中起核心作用利用过程中起核心作用（一）高能磷酸键的类型：（一）高能磷酸键的类型：生 物 化 学 中 常 将 水 解 时 释 放 的 能 量生 物 化 学 中 常 将 水 解 时 释 放 的 能 量20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。的磷酸键称为高能磷酸键。生物体内的高能磷酸键主要有以
40、下几种类型：生物体内的高能磷酸键主要有以下几种类型：1磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出释放出43.9kJ/mol的自由能。的自由能。2烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。的自由能。3混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出在标准条件下水解可释放出49.3kJ/mol的自由能。的自由能。4磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合磷酸酐键：包括
41、各种多磷酸核苷类化合物，如物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及及PPi等，水解后可等，水解后可释放出释放出30.5kJ/mol的自由能。的自由能。（二）多磷酸核苷间的能量转移：（二）多磷酸核苷间的能量转移：在生物体内，除了可直接使用在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，供能外，还可使用其他形式的高能磷酸键供能，如还可使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合用于磷脂的合成，成，GTP用于蛋白质的合成等。用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶 NMP+ATP NDP+ADP 核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶
42、NDP+ATP NTP+ADP（三）磷酸肌酸（三）磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸肌酸（CP）是）是肌肉和脑组织肌肉和脑组织中能量的中能量的贮存形式。贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（激酶（CPK）催化完成。）催化完成。CPK CP +ADP C +ATP（四）（四）ATP循环循环 ATP是生物界普遍使用的供能物质，有是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币通用货币”之称。之称。ATP分子中含有两
43、分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。个高能磷酸酐键，均可以水解供能。ATP水解为水解为ADP并供出能量之后，又可并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。循环。体内体内ATP含量不多，但含量不多，但ATP循环量大。循环量大。ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATP
44、为中心为中心四、线粒体内膜选择性地转运代谢物四、线粒体内膜选择性地转运代谢物线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质通透的选择性不强。膜相隔，外膜对物质通透的选择性不强。内 膜 依 赖 各 种 跨 膜 转 运 蛋 白内 膜 依 赖 各 种 跨 膜 转 运 蛋 白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸-酮
45、戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊
46、二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱
47、碱转运蛋白转运蛋白功功 能能（一）胞质中（一）胞质中NADH通过两个穿梭机制进入线粒体通过两个穿梭机制进入线粒体转运机制主要有两条转运机制主要有两条:-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)1、磷酸甘油穿梭系统：、磷酸甘油穿梭系统：-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。骼肌中。线粒体外的线粒体外的NADHNADH在胞液中磷酸甘油脱氢在胞液中磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原成酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原成-磷酸甘油。磷酸甘
48、油。后者通过线粒体外膜，再经位于线粒体后者通过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜近胞液侧的磷酸甘油脱氢酶催化内膜近胞液侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二羟丙酮和下氧化生成磷酸二羟丙酮和FADHFADH2 2。磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至胞液，磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至胞液，继续进行穿梭。继续进行穿梭。而而FADHFADH2 2则直接把两个氢传递给泛醌进入则直接把两个氢传递给泛醌进入呼吸链，生成呼吸链，生成1.51.5分子分子ATPATP。NADHNADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生线粒体，只产生1.51.5分子分子ATPATP。-磷酸甘油穿梭
49、主要存在于骨骼肌和脑中磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中2、苹果酸穿梭系统：、苹果酸穿梭系统：苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。胞液中的胞液中的NADHNADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的的-酮戊二酸载体进入线粒体。酮戊二酸载体进入线粒体。在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和酰乙酸和NADHNADH。线粒体内生成的草酰乙酸经谷。线粒体内生成的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后者经
50、酸性氨草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸，继基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。续进行穿梭。胞液中胞液中NADHH+的一对氢原子经此穿梭系统的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子可生成带入一对氢原子可生成2.5分子分子ATP。因此在这些组织糖酵解过程中因此在这些组织糖酵解过程中3-磷酸甘油醛脱磷酸甘油醛脱氢产生的氢产生的NADHH+可通过苹果酸可通过苹果酸-天冬氨天冬氨酸穿梭进入线粒体酸穿梭进入线粒体。1分子葡萄糖彻底氧化可生成分子葡萄糖彻底氧化可生成32分子分子ATP。苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中天冬氨酸穿梭主要存在
