1、第第21章章 氧化磷酸化氧化磷酸化化学渗透假说电子传递链ATP合酶1分子葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段酵解阶段：2 ATP 2 1 NADH兑换率兑换率1:2.5(或或1.5)2 ATP 2 (2.5ATP或或1.5 ATP)三羧酸循环三羧酸循环：2 1 GTP 2 3 NADH 2 1 FADH22 1 ATP2 7.5ATP2 1.5 ATP兑换率兑换率 1：2.5兑换率兑换率 1：1.5丙酮酸氧化丙酮酸氧化：2 1NADH兑换率兑换率 1：2.52 2.5 ATP总计总计：32ATP或或30 ATP2025原核生物为何释放38ATP?为什么1分子葡萄糖有氧氧化过程有6次底物水平磷酸化
2、？物质骨架分解释放物质骨架分解释放CO2和和H CO2如何形成如何形成 脱羧反应脱羧反应 H2O如何形成如何形成 电子传递链电子传递链 能量如何产生能量如何产生 底物水平磷底物水平磷 酸化、酸化、氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化 生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位。标准氧化还原电位以E0表示。E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0值越大，接受电子的倾向越强。任何氧化还原反应在理论上可以构成原电池一、和电子传递链相
3、关的与氧化还原电势一、和电子传递链相关的与氧化还原电势氧化还原电位氧化还原电位原电池原电池乙醛/乙醇延胡索酸/琥珀酸电子传递链中物质电子传递链中物质标准氧化还原电位标准氧化还原电位二二.用标准氧化还原电势计算自由能变化用标准氧化还原电势计算自由能变化n:为氧化还原反应的电子转移数F:为法拉第常数96.5 KJ/V E0:为标准电极电位（pH=7.0 2530）电子从E0 较小的物质向E0 较大的物质转移，即从还原剂向氧化剂转移。从生物标准氧化还原电势E0 可计算G0:G0=nFE0E0=E0正极正极E0负极负极 电动势=正负极电极势之差例 题/log303.2lnlnKKRTBADCRTGba
4、dc GnFE0自由能变化与平衡常数和氧化还原电势自由能变化与平衡常数和氧化还原电势 G=-RTlnKeq=-nFE 三、线粒体的电子传递链三、线粒体的电子传递链1.线粒体的基本结构线粒体的基本结构电子传递链电子传递链定义定义在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称为顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称为呼吸链。呼吸链。又称电子传递链又称电子传递链(electron transfer chain)。呼吸。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传链是代谢物上氢原
5、子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。递递 氢氢 体：体：呼吸链中参与传递呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基的辅酶或辅基递电子体：递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基线粒体的电子传递链线粒体的电子传递链反应部位反应部位：真核生物：存在于线粒体内膜上：真核生物：存在于线粒体内膜上 原核生物；质膜原核生物；质膜电子传递链电子传递链线粒体的电子传递链线粒体的电子传递链递递 氢氢 体体递电子体：递电子体：分类分类NADH途径途径 FADH2途径途径 电子传递链电子传递链分类分类根
6、据根据H的最初受体的最初受体NADHFMN（Fe-S）c1 caa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸-磷酸甘油CoQCyt b苹果酸-羟脂酰CoA-羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸 丙酮酸-酮戊二酸FAD 脂酰CoA电子传递链电子传递链分类分类COQ是电子传递链的枢纽是电子传递链的枢纽2.电子传递链的组成电子传递链的组成电子传递链电子传递链(electron transfer chain)呼吸链中传递体的排列顺序呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化还原电位逐
7、渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。处于呼吸链的始端。2）利用电子传递抑制剂选择性阻断；利用电子传递抑制剂选择性阻断；3）拆开和重组拆开和重组4）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定状态确定1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序(2)电子传递链的体外重组实验电子传递链的体外重组实验(3)(3)电子传递抑制剂试验电子传递抑制剂试验ReducedOxidizedReducedOxidizedReduce
8、d(4)(4)还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 利用呼吸链各组分特有利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。各组分被氧化的顺序。电子传递链的组成电子传递链的组成NADH脱氢酶脱氢酶NADH-Q还原酶还原酶（NADH脱氢酶、复合体脱氢酶、复合体）复合物复合物I：NADH到泛醌到泛醌也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，
9、另一臂伸展到基质中。复合物I催化两个同时发生的偶联过程：（1）NADH+H+QNAD+QH2（2）4个质子由基质转到内膜外因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。复合物复合物 ：琥珀酸到泛醌：琥珀酸到泛醌 也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜(标志酶)结合的酶，虽比复合物小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白,1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II：脂酰CoA脱氢酶 3-磷酸甘油脱氢酶,往往将这些由FA
10、D作为辅基的脱氢酶统称为琥珀酸脱氢酶类。复合物复合物 ：泛醌到：泛醌到Cytc 又称细胞色素又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：复合物，或泛醌：细胞色素细胞色素c氧化还原氧化还原酶。酶。复合物复合物是一个由是一个由相同单体组成的二聚体相同单体组成的二聚体，每个单体含每个单体含有有11个不同的亚基。个不同的亚基。作用：偶联催化电子由氢醌到作用：偶联催化电子由氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。基质向膜外空间的运输。4个质子由基质转到内膜外复合物复合物 ：泛醌到：泛醌到Cytc复合体复合体功能功能-Q循环循环（The Q Cycle)复合体复合体功能功能-Q循环
11、循环（The Q Cycle)QH2被氧化成Q，2 cyt c被还原，释放4 H+到内膜外空间。这种通过辅酶Q氧化还原的循环变化进行的电子传递方式称为Q循环。4、复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧，同时每传递2个电子，泵出2个H+到线粒体内膜外组成：Cyta、Cyta3、Cu，没有铁硫蛋白其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。复复合合物物的的电电子子流流向向细胞色素C CuA 血红素a血红素a3 CuB，最后交给分子氧形成水。电子传递链组分和作用电子传递链组分和作用铁硫蛋白类铁硫蛋白类(非血红素非血红素铁
12、蛋白铁蛋白)铁不出现在血红素中(非血红素)，而与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。根据铁硫蛋白中所含铁原子和硫原子的数量不同可分为三类：FeS中心、Fe2-S2中心和Fe4-S4中心。在线粒体内膜上，复合物I、复合物、复合物中均结合有铁硫蛋白，其功能是通过二价铁离子和三价铁离子的化合价变化来传递电子，而且每次只传递一个电子，是单电子传递体。其氧化还原电位与其所处环境有关铁硫蛋白类铁硫蛋白类(非血红素非血红素铁蛋白铁蛋白)辅酶辅酶Q类类 又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，电子传递链上唯一的非蛋白质成分，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所
13、以处在呼吸链的中心地位。带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。人类为Q10，聚异戊二烯侧链使CoQ成为脂溶性化合物，可以在线立体内膜迅速扩散。泛醌将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。辅酶辅酶Q的氧化还原的氧化还原 细细胞胞色色素素功能：功能：单电子传递体的作用单电子传递体的作用;通过血红素中通过血红素中Fe原子的价态变化传递电子（血红蛋白与肌红蛋原子的价态变化传递电子（血红蛋白与肌红蛋白的血红素不发生价态变化）白的血红素不发生价态变化）Fe3+e-Fe2+细胞色素的特点细胞色素的特点 细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。细胞色素aa3可将电子直
14、接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。细胞色素aa3中的铁原子只形成5个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与CO、氰化物、H2S或叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。细胞色素c 唯一线粒体内膜外周蛋白,位于线粒体内膜的外侧.是唯一能溶于水的细胞色素，细胞色素C比较容易分离提纯,其结构已清楚.思思 考：考：思考：思考：在电子传递链中发现有在电子传递链中发现有6 种细胞色素都能通过可种细胞色素都能通过可逆的氧化还原反应逆的氧化还原反应Fe3+Fe2+催化一个电子的传递。尽
15、管铁催化一个电子的传递。尽管铁在每种情况下都是电子载体，但是还原半反应的在每种情况下都是电子载体，但是还原半反应的EO的值却从细的值却从细胞色素胞色素b的的0.05V变化到细胞色素变化到细胞色素a3的的0.39V,试解释之。试解释之。答：细胞色素是含有血红素基团的电子传递蛋白，在卟啉答：细胞色素是含有血红素基团的电子传递蛋白，在卟啉环中的每个铁原子的还原电势依赖于周围蛋白质的环境，因为环中的每个铁原子的还原电势依赖于周围蛋白质的环境，因为每个细胞色素的蛋白质成分是不同的，因而每个细胞色素的铁每个细胞色素的蛋白质成分是不同的，因而每个细胞色素的铁原子具有不同的还原电势，还原电势的不同使一系列细胞
16、色素原子具有不同的还原电势，还原电势的不同使一系列细胞色素可以沿着电势梯度传递电子可以沿着电势梯度传递电子 选选 择择 题题nA、H2O2 nB、H2O nC、H+nD、CO2 nE、O2 经过呼吸链氧经过呼吸链氧化的终产物是：化的终产物是：选择题选择题NADH 或 FADH2 +O2 =H2O电子传递链抑制剂电子传递链抑制剂 假设鱼藤酮和抗霉素假设鱼藤酮和抗霉素A在阻断各自作用的电子传递在阻断各自作用的电子传递链位点的效率是相同的，鱼藤酮的毒性会更大。链位点的效率是相同的，鱼藤酮的毒性会更大。中国科技大学中国科技大学20102010、中山大学中山大学2002009 9电子传递链的抑制剂电子传
17、递链的抑制剂 能够阻断呼吸链中某部位电子传递过程的药物或毒物称为电子传递抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮、安密妥等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？解救时首先给中毒者吸入亚硝酸异戊酯和注射亚硝酸钠，使部分血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，当高铁血红蛋白含量达到20%-30%时，就能成功地夺取已与细胞色素 aa3 结合的 CN-，使细胞色素aa3
18、的活力恢复。但生成的氰化高铁血红蛋白在数分钟后又能逐渐解离而放出CN-，此时再注射硫代硫酸钠，在肝脏的硫代硫酸-氰转硫酶的催化下可将CN-转变成为无毒的硫氰化物，经肾脏随尿排出体外。测试题思考：思考：利用分离出的线粒体可以研究细胞呼吸，可测定各种利用分离出的线粒体可以研究细胞呼吸，可测定各种不同状况下氧的消耗，如果将不同状况下氧的消耗，如果将 0.01M的丙二酸钠添加正在进的丙二酸钠添加正在进行细胞呼吸的线粒体（以丙酮酸为燃料来源）中，呼吸作用行细胞呼吸的线粒体（以丙酮酸为燃料来源）中，呼吸作用很快就会停止，并造成代谢中间产物的堆积。很快就会停止，并造成代谢中间产物的堆积。（a）堆积的中间代谢
19、物是什么？）堆积的中间代谢物是什么？（b）解释为什么会堆积？）解释为什么会堆积？（c）解释氧消耗为什么会停止？解释氧消耗为什么会停止？（d）除了除去丙二酸解除抑制以外，还有什么方法可以克服）除了除去丙二酸解除抑制以外，还有什么方法可以克服丙二酸的抑制？丙二酸的抑制？分析：（分析：（a）琥珀酸）琥珀酸（b）丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性）丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。抑制剂。（c）阻断柠檬酸循环就阻断了）阻断柠檬酸循环就阻断了NADH的合成从而的合成从而阻断了电子传递和呼吸。（阻断了电子传递和呼吸。（d）琥珀酸浓度大大过量。）琥珀酸浓度大大过量。化学渗透假说电子传递链ATP合酶氧化磷酸化作用
20、的机制氧化磷酸化作用的机制1）糖或脂肪的分解代谢 ATP(来自底物水平磷酸化）NADH或FADH22）电子传递链(氧化）：放能？NADH 或 FADH2 +O2 =H2O3）磷酸化（ATP 储能）ADP+PiATP偶联如果解偶联呢？氧化磷酸化作用的机制 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化 氧化磷酸化的偶联机理1、化学偶联假说 化学偶联假说 认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。2、构象偶联假说
21、构象偶联假说 认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。3、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)该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，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在 于线粒体内膜上的ATP合酶 利用，生成高能磷酸
22、基团，并与ADP结合而合成ATP。化学渗透假说的证据化学渗透假说的证据膜膜氧化和磷酸化的偶联泵出10个H需要200kJ/mol NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-0.03 =-181.58千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化电子传递过程中自由能变化电子传递过程中自由能变化ATP合酶合酶由亲水部分由亲水部
23、分 F1和疏水部分和疏水部分F0组成组成F1主要由33亚基组成 其功能是催化生成ATP,催化部位在亚基中,但亚基必须与亚基结合才有活性.F0是质子通道.此外,在F0和F1之间的柄部存在,其中一个称之为寡霉素敏感蛋白(OSCP),使 ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP.ATPase的旋转催化模型的旋转催化模型转子转子定定子子3.质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。ATP合成的机制合成的机制 美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋
24、转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T（tight)构象底物与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一 起;在O(open)构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。The structure-function relationships in the ATP synthase complex that catalyze ATP synthesis as a result of proton-motive force,are the same ones that catalyze ATP hydrolysis.ATP合成
25、合成与水解与水解 ATP的的合合成旋转模型的实验验证成旋转模型的实验验证质子流在质子流在ATP合成中的作用合成中的作用无质子梯度无质子梯度质子梯度的作用：质子梯度的作用：不是形成不是形成ATP；而是使而是使ATP从酶分子释放从酶分子释放化学渗透假说化学渗透假说-实验证明实验证明氧化磷酸化：氧化磷酸化：（三（三)氧化磷酸化偶联氧化磷酸化偶联主要根据自由能变化和主要根据自由能变化和P/O比值确定比值确定 G=-nFE w呼吸链上磷酸化位点：在呼吸链上磷酸化位点：在复合体复合体、NADCoQ；CytbCytc1；Cytaa3O21、氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位（二）氧化磷酸化反应部位（二）氧
26、化磷酸化反应部位 真核生物：线粒体内膜真核生物：线粒体内膜 原核生物：质膜原核生物：质膜 某些细菌能够生存在极高的pH值环境下(pH值约为10)，你认为这些细菌能够使用跨膜的质子梯度产生ATP吗？这样的细菌不能够使用跨膜的质子梯度产生ATP，这是因为如果要求它们与一般的细菌一样使用质子梯度产生ATP，则需要其细胞质具有更高的pH值，在这种情况下细胞是不能生存的。当然，这些细菌可使用其他的离子梯度，比如钠离子梯度驱动ATP的合成。思考题思考题5.氧化磷酸化的接偶联氧化磷酸化的接偶联 电子传递链电子传递链 形成势能形成势能磷酸化磷酸化储储 存能量存能量解解偶偶联联剂剂释释放放势势能能氧化磷氧化磷酸
27、化的酸化的抑制剂抑制剂电子传递电子传递 抑制剂抑制剂XX解偶解偶联剂联剂 解偶联剂（uncoupler）：是指那些不阻断呼吸链的电子传递，但能抑制ADP通过磷酸化作用转化为ATP的化合物。它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂。解偶联剂可使电子传递与ADP磷酸化两个过程分离，它只抑制ATP的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散。解偶联剂使电子传递失去正常的控制，造成过分的氧和底物消耗，而能量却得不到贮存。氧化磷酸化的解偶联氧化磷酸化的解偶联（1）.质子载体：增加线粒体内膜对质子的通透性。如：2.4-二硝基苯酚（DNP），FCCP （2）解偶联蛋白氧化磷酸化的解偶联氧化
28、磷酸化的解偶联-DNP作用机理作用机理氧化磷酸化的解偶联氧化磷酸化的解偶联-DNP作用机理作用机理 有人曾经考虑过使用解偶联剂如有人曾经考虑过使用解偶联剂如2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚（DNP）作为减肥药，但很快就被放弃使用，作为减肥药，但很快就被放弃使用，为什么？为什么？DNP作为一种解偶联剂，能够破坏线粒体内膜两侧的质子梯度，使质子梯度转变为热能，而不是ATP。在解偶联状态下，电子传递过程完全是自由进行的，底物失去控制地被快速氧化，细胞的代谢速率将大幅度提高。这些将导致机体组织消耗其存在的能源形式，如糖原和脂肪，因此有减肥的功效。但是由于这种消耗是失去控制的消耗，同时消耗过程中过分产热，这
29、势必会给机体带来强烈的副作用。解偶联蛋白（uncoupling protein）是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然的解偶联剂。如动物的褐色脂肪组织的线粒体内膜上分布有解偶联蛋白，这种蛋白构成质子通道，让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，抑制ATP合成而产生热量以增加体温。新生儿的棕色脂肪组织（也称为褐色脂肪组织，其中含有较多的线粒体、细胞色素，血液供应也较多，比白色脂肪组织易分解供能）解偶联蛋白解偶联蛋白呼吸链电子传递抑制剂呼吸链电子传递抑制剂 X氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂X这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消
30、耗。氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂-寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素寡霉素ATP合酶结构模式图合酶结构模式图 氧化磷酸化抑制剂：这类化合物直接作用于ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。它们使膜外质子不能通过ATP合酶复合体返回膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。可以被解偶连剂解除 寡霉素(oligomycin)可与F1的OSCP结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC)可与F0的DCC
31、结合蛋白结合，阻断H+通道，抑制ATP合成。栎皮酮(quercetin)直接抑制参与ATP合成的ATP酶。氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂与与Fo单元的亚基结单元的亚基结合阻止合阻止H+从从Fo单元单元回流回流抑制抑制ATP合成合成H+电化学梯电化学梯度异常增高度异常增高抑制磷酸化过抑制磷酸化过程程抑制电子传递抑制电子传递的氧化过程的氧化过程氧化磷酸化抑制剂作用原理氧化磷酸化抑制剂作用原理 寡霉素寡霉素6.质子动力为主动转运提供能量质子动力为主动转运提供能量 线粒体利用质子推动力合成ATP，但ADP和Pi必须运到线粒体内，同时合成好的ATP必须能运出线粒体以便在胞质中提供能量。腺苷酸转位酶(A
32、denine nucleotidetranslocase)是线粒体内膜上的酶，为逆反转运体，可以把ADP和Pi转运到线粒体内，也能把合成的ATP从线粒体运到胞液。苍苍术术苷苷抑抑制制腺腺苷苷酸酸转转位位酶酶7、氧化氧化磷酸化中的磷酸化中的P/O比比 P/O值值:代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化生成水，这一过程中所产生的化生成水，这一过程中所产生的ATP分子的数目分子的数目（即消耗即消耗1个个O原子所产生原子所产生ATP的数目的数目）称为磷氧比）称为磷氧比（P/O）。NADH呼吸链：呼吸链：P/O=2.5FADH呼吸链：呼吸链：P/O=1.5 一个一个ATP
33、需要需要3+1个个H+形成一个形成一个ATP需要的需要的4个个H+细菌形成一个ATP需要的多少个H+？目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5 个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。ATP的合成小节8、细胞溶胶中NADH的氧化胞液中胞液中N
34、ADH的氧化的氧化（一）（一）-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 主要存在于主要存在于脑脑和和骨骼肌骨骼肌中中。NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经于经琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生进行氧化磷酸化，故只能产生1.5分子分子ATP。（二）苹果酸穿梭系统（二）苹果酸穿梭系统 主要存在于主要存在于肝和心肌肝和心肌中中。胞液中胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链氧化呼吸链进行氧化磷进行氧化磷酸化，故可生成酸化，故可生成2.5分子分子A
35、TP。线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质 FADH2 NAD+FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2O H C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2O H CHO HPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+-磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统Malate-aspartate shuttle胞质溶胶胞质溶胶 线立体基质线立体基质电子传递链电子传递链1 NADH+H+两种两种穿梭系
36、统的穿梭系统的比较比较-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭穿梭物质穿梭物质-磷酸甘油磷酸甘油 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮苹果酸、苹果酸、谷氨酸谷氨酸天冬天冬aa、-酮戊二酸酮戊二酸进入线粒进入线粒 体后转变体后转变 成的物质成的物质FADH2NADH+H+进入进入 呼吸链呼吸链 琥珀酸琥珀酸 氧化呼吸链氧化呼吸链？NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链生成生成ATP数数1.52.5存在组织存在组织脑、骨骼肌脑、骨骼肌肝脏和心肌组织肝脏和心肌组织相同点相同点将胞浆中将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内的还原当量转送到线粒体内穿梭穿梭COQ是电子传递链的枢纽是电子传递链的枢纽
37、9.氧化磷酸化的调节氧化磷酸化的调节ATP/ADP的比值影响氧化磷酸化的因素的比值影响氧化磷酸化的因素 负反馈调节。当负反馈调节。当ATP高时，高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸下降，氧化磷酸化速度减慢，化速度减慢，NADH堆积，堆积，TCA循环速度减慢，循环速度减慢，ATP合成降合成降低；当低；当ATP低时，低时，ADP、AMP升高，氧化磷酸化速度加快，升高，氧化磷酸化速度加快，TCA循环速度加快，循环速度加快，ATP合成增加。合成增加。ATP/ADPPi:ATP质量作用比质量作用比是限制氧化磷酸化速是限制氧化磷酸化速度的因素。度的因素。呼吸控制呼吸控制(受体控制）受体控制）：通过通过ADP
38、浓度对氧化磷酸化速浓度对氧化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制率进行调控的现象称为呼吸控制磷酸化的途径磷酸化的途径 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 定义定义：底物水平磷酸化：底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使键，然后使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。或：底物被氧化时形成或：底物被氧化时形成 高能磷酸化合物的中间物，高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用使通
39、过酶的作用使ADP生成生成ATP。底物水平磷酸底物水平磷酸 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：1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+ATP 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸丙酮酸+ATP琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP丙酮酸激酶丙酮酸激酶琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶高能键形成方式高能键形成方式生物氧化小结生物氧化小结生物氧化小结生物氧化小结()()解偶联剂可抑制和呼吸链的电子传递。解偶联剂可抑制和呼吸链的电子传递。目前，目前，ATPATP合酶的作用机理是用
40、合酶的作用机理是用 模型来解释的。模型来解释的。()DNP()DNP（2 2，4-dinitrophenol,2,4-4-dinitrophenol,2,4-二硝基苯酚）是二硝基苯酚）是ATPATP合酶的抑制剂，合酶的抑制剂，可抑制可抑制ATPATP合成。中山大学合成。中山大学20092009年研究生入学考试生物化学试题年研究生入学考试生物化学试题分析线粒体分析线粒体F0F1-ATPF0F1-ATP合酶分子结构特点，结合最新进展讨论其旋转催化机制合酶分子结构特点，结合最新进展讨论其旋转催化机制1212分中国农分中国农业大学业大学20112011年年思思 考考 题题 1、鱼藤酮是来自植物的一种天
41、然毒素，强烈抑制、鱼藤酮是来自植物的一种天然毒素，强烈抑制昆虫和鱼类线粒体昆虫和鱼类线粒体NADH脱氢酶；抗霉素脱氢酶；抗霉素A也是一种也是一种毒性很强的抗生素，强烈抑制电子传递链中泛醌的氧毒性很强的抗生素，强烈抑制电子传递链中泛醌的氧化。化。（a）为什么某些昆虫和鱼类摄入鱼藤酮会致死？为什么某些昆虫和鱼类摄入鱼藤酮会致死？（b）为什么抗霉素为什么抗霉素A是一种毒药？是一种毒药？（c）假设鱼藤酮和抗霉素封闭它们各自的作用部位假设鱼藤酮和抗霉素封闭它们各自的作用部位的作用是等同的，那么哪一个的毒性更利害？的作用是等同的，那么哪一个的毒性更利害？思考题思考题2、在正常的线粒体内，电子转移的速度与在
42、正常的线粒体内，电子转移的速度与ATP需求紧需求紧密联系在一起的。如果密联系在一起的。如果ATP的利用率低，电子转移速的利用率低，电子转移速度也低；度也低；ATP的利用率高，电子转移就加快。在正常的利用率高，电子转移就加快。在正常情况下，当情况下，当NADH作为电子供体时，每消耗一个氧原作为电子供体时，每消耗一个氧原子产生的子产生的ATP数大约为数大约为3（P/O3）。（a）讨论解耦联剂的浓度相对来说较低和较高时对电讨论解耦联剂的浓度相对来说较低和较高时对电子转移和子转移和P/O比率有什么样的影响？比率有什么样的影响？（b）摄入解耦联剂会引起大量出汗和体温升高。解释摄入解耦联剂会引起大量出汗和
43、体温升高。解释这一现象，这一现象，P/O比率有什么变化？比率有什么变化？（c）2,4-二硝基苯酚曾用作减肥药，其原理是什么？二硝基苯酚曾用作减肥药，其原理是什么？但现在已不再使用了，因为服用它有时会引起生命危但现在已不再使用了，因为服用它有时会引起生命危险，这又是什么道理？险，这又是什么道理？思考题思考题答：答：（a）电子转移速度需要满足电子转移速度需要满足ATP的需求，无论解耦联的需求，无论解耦联剂浓度低和高都会影响电子转移的效率，因此剂浓度低和高都会影响电子转移的效率，因此P/O的比率降低。的比率降低。高浓度的解耦剂使得高浓度的解耦剂使得P/O比率几乎为零。比率几乎为零。（b）在解耦联剂存
44、在下，由于在解耦联剂存在下，由于P/O降低，生成同样量的降低，生成同样量的ATP就需要氧化更多的燃料。氧化释放出额外的大量热，因此使就需要氧化更多的燃料。氧化释放出额外的大量热，因此使体温升高。体温升高。（c）在解耦联剂存在下，增加呼吸链的活性就需要更多额外在解耦联剂存在下，增加呼吸链的活性就需要更多额外燃料的降解。生成同样量的燃料的降解。生成同样量的ATP，就要消耗包括脂肪在内的，就要消耗包括脂肪在内的大量的燃料，这样可以达到减肥的目的。当大量的燃料，这样可以达到减肥的目的。当P/O比接近零时，比接近零时，会导致生命危险。会导致生命危险。思考题思考题计算计算1 1摩尔葡萄糖在肝脏细胞中彻底氧
45、化成摩尔葡萄糖在肝脏细胞中彻底氧化成CO2和和H2O，可产，可产生多少摩尔生多少摩尔ATP？如果有鱼藤酮存在，理论上又可产生多少？如果有鱼藤酮存在，理论上又可产生多少摩尔摩尔ATP？答：答：组织中没有鱼藤酮时：组织中没有鱼藤酮时：1.1mol葡萄糖葡萄糖2mol丙酮酸，丙酮酸，2molATP+2molNADH+H+2.2.（细胞质中生成）；（细胞质中生成）；3.3.2mol丙酮酸丙酮酸2mol乙酰辅酶乙酰辅酶A：生成生成2molNADH+H+；4.4.2mol乙酰辅酶乙酰辅酶A4molCO2，共生成，共生成6molNADH+H+、5.5.2mol FADH2、2molGTP。6.6.对肝脏细胞
46、而言，细胞质中生成的对肝脏细胞而言，细胞质中生成的2molNADH+H+，是通过苹，是通过苹果酸果酸-天冬氨酸穿梭进入线粒体的，进入线粒体的依然是天冬氨酸穿梭进入线粒体的，进入线粒体的依然是2molNADH+H+。NADH+H+生物氧化时的磷氧比值为生物氧化时的磷氧比值为2.5，FADH2的磷氧比的磷氧比值为值为1.5，所以葡萄糖彻底氧化产生的，所以葡萄糖彻底氧化产生的ATP为（为（46）2.521.54=32mol。7.7.如果组织中有鱼藤酮存在，如果组织中有鱼藤酮存在，生成的生成的NADH+H+不产生不产生ATP，所以，所以ATP为为21.54=7摩尔。摩尔。思考题思考题思考题思考题不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响
