1、第五章第五章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化第一节第一节 新陈代谢总论新陈代谢总论第二节第二节 生物氧化生物氧化第一节第一节 新陈代谢总论新陈代谢总论一、一、新陈代谢的概念新陈代谢的概念新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢新陈代谢的共同特点：新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。由酶催化，反应条件温和。2.诸多反应有严格的顺序，彼此协调。诸多反
2、应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。对周围环境高度适应。二、二、新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法1.活体内活体内(in vivo)与活体外实验与活体外实验(in vitro)2.同位素示踪法同位素示踪法3.代谢途径阻断法代谢途径阻断法4.遗传缺欠症及动物模型等方法遗传缺欠症及动物模型等方法三、三、生物体内能量代谢的基本规律生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。失。G=H-TS对于对于 A+B C+DG=-2.303 RT lg
3、K K=CD/AB四、四、高能化合物与高能化合物与ATP的作用的作用高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非非磷酸化合物磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键硫酯键化合物化合物甲硫键甲硫键化合物化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦焦磷酸化合物磷酸化合物 一般将在生物体内水解某物质一般将在生物体内水解某物质1mol时，能释放时，能释放超过超过21 kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（以上自由能（G -21 kJ/mol）的化合物称为高能化合物。）的化合物称为高能化合物。生物体内只有这些物质才能直接将能量传递给ATP磷氧型高能磷酸化合物：磷氧型高能磷酸化合
4、物：-61.9 kJ/mol-42.3 kJ/molATP（三磷酸腺苷）三磷酸腺苷）-30.5 kJ/mol焦磷酸焦磷酸 -28.84 kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物：磷氮型高能磷酸化合物：-43.1 kJ/mol非磷酸高能化合物：非磷酸高能化合物：乙酰辅酶乙酰辅酶A 31.4 kJ/mol 41.8 kJ/molO ON NN NN NN NNHNH2 2-H-HH-H-OHOHH H O O-O-P O-P O O -O O O OO O-P -P O-P-O-CH O-P-O-CH2 2-O O -O OOHOH ATPATP的特殊作用的特殊作用作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者
5、，作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币是能量货币ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP H2O ADP Pi其其G0=-30.51kJmo1；当当ADP Pi ATP时，时，也需吸收也需吸收30.51kJmol的自由能的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式物）是能量的贮存形式肌酸磷酸肌酸磷酸激酶激酶 第二节第二节 生物氧化生物氧化有机物质在细胞内的氧化作用。有机物质在细胞内的氧化作用。一、一、生物氧化的特点生物氧化的特点（一）氧化还原的本质（一）氧化还原的本质电子转移电子转移
6、 电子转移的主要形式：电子转移的主要形式：1.直接的电子转移直接的电子转移 Fe2+Cu2+Fe3+Cu+1.在细胞内，于体温、近于中性的含水环境中在细胞内，于体温、近于中性的含水环境中由酶催化。由酶催化。2.能量逐步释放，部分存于能量逐步释放，部分存于ATP中。中。3.分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。2.氢原子的转移氢原子的转移 AH2+B A+BH2 (H H+e)3.有机还原剂直接加氧有机还原剂直接加氧 RH+O2+2H+2e ROH+H2O（二）生物氧化的特点（二）生物氧化的特点(1)直接脱羧直接脱羧(2)氧化脱羧氧化脱羧：在：在脱羧过程中伴
7、随着氧化（脱氢）脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶（-脱羧）脱羧）丙酮酸丙酮酸HOOCC H2C COOH丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（-脱羧）脱羧）草酰乙酸草酰乙酸 生物体内生物体内CO2的生成来源于有机物转变为的生成来源于有机物转变为含含羧基化合物的脱羧作用羧基化合物的脱羧作用。二、二、生物氧化中生物氧化中CO2的生成的生成三、生物氧化中三、生物氧化中 H2O 的生成的生成 生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结代谢物脱下的氢经生
8、物氧化作用和吸入的氧结合生成水。合生成水。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。进行的。生物体主要以生物体主要以脱氢酶脱氢酶、传递体及氧化酶、传递体及氧化酶组成生组成生物氧化体系，以促进水的生成。物氧化体系，以促进水的生成。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O苹果酸苹果酸CH3CCOOH+CO2氧化型氧化型2H+MH2M 氧化型氧化型还原型还原型(2H)递氢体递氢体NAD+,NADP+,FMN,FAD,COQ还原型还原型递电子体递电子体 Cyt b,c1,c,aa32e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶 1、概念、
9、概念l 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后经一系列传递体，最后（将质子和电子）（将质子和电子）传传递给氧而生成水的全部体系，称呼吸链递给氧而生成水的全部体系，称呼吸链(respiratory chain)(respiratory chain)。此体系也称电子传递此体系也称电子传递体系或电子传递链体系或电子传递链(electron transfer(electron transfer chain)chain)。l 由于参与这一系列催化作用的由于参与这一系列催化作用的酶酶和和辅酶辅酶及及中间传递体中间传递体在在膜（原核细胞膜、真核线粒膜（原
10、核细胞膜、真核线粒体内膜）上体内膜）上一个接一个地构成了链状反应，一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。（一）呼吸链（一）呼吸链ATPATP合成酶合成酶膜间隙膜间隙琥珀琥珀酸酸延胡索延胡索酸酸基质基质化学势差化学势差内碱内碱电势差电势差内负内负质子驱动力质子驱动力推动推动ATP合合成成内内膜膜外膜外膜SH2SNAD+NADH+HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-
11、Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）2、呼吸链种类、呼吸链种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种：种：NADH呼吸链：呼吸链：绝大部分分解
12、代谢的脱氢绝大部分分解代谢的脱氢 氧化反应通过此呼吸链完成氧化反应通过此呼吸链完成 FADH2呼吸链：呼吸链：只能催化某些代谢物脱只能催化某些代谢物脱 氢，氢，不能使不能使NADH或或NADPH脱氢脱氢 在电子传递过程中释放出大量的自由能，在电子传递过程中释放出大量的自由能，使使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，这是生物合成，这是生物合成ATP的的基本途径之一。基本途径之一。实际上，生物体中能量获得的本质正是氢实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。的氧化。3、呼吸链的组成、呼吸链的组成（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以NAD+或或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有为
13、辅酶的脱氢酶，已知的有200多种多种 该类酶均为该类酶均为不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶，即不以氧为直接，即不以氧为直接受氢体。在这类酶的作用下，代谢物脱下的氢被受氢体。在这类酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为其辅酶接受而转变为NADH或或NADPH；当有受；当有受H体存在时，体存在时，NADH或或NADPH上的上的H可被脱下而氧可被脱下而氧化为化为NAD+或或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。种还原酶。还还 原原氧氧 化化 该类酶也属该类酶也属不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶，催化代谢物脱下，催化代谢物脱下一对一对H原子，使原子，使FMN或或FAD还
14、原为还原为FMNH2或或FADH2。FMN和和FAD是比是比NAD+或或NADP+更强更强的氧化剂。的氧化剂。vFMNH2或或FADH2可进一步将电子转移给辅酶可进一步将电子转移给辅酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2H(3)铁硫蛋白类（简写为铁硫蛋白类（简写为Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)是一类与电子传递有关的非血是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，红素铁蛋白，其作用是借铁的化合价互变进行电其作用是借铁的化合价互变进行电子传递子传递:Fe3+e Fe2+因因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和
15、铁原子，故称铁硫中心。故称铁硫中心。铁硫蛋白在生物界广泛存在。在线粒体内膜铁硫蛋白在生物界广泛存在。在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素脱氢酶中，有的与细胞色素 b及及c1有关。有关。铁硫蛋白有几种不同的类型，可概括为铁硫蛋白有几种不同的类型，可概括为3类：类：FeS 2Fe 2S 4Fe 4S（4）辅酶）辅酶Q类类是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂
16、溶性醌类化合物，又名泛醌，脂溶性醌类化合物，又名泛醌，简写为简写为CoQ或或Q。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10CoQ分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。对苯二酚衍生物，故属于递氢体。但它不能从底但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体。物接受氢，而是一种中间传递体。Q(氧化型氧化型)半醌式中间体半醌式中间体QH QH2 还原型还原型 CoQ也是呼吸链中也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），不紧的传递体（辅酶），这使它在黄素蛋白类和这使它在黄素蛋白
17、类和细胞色素类之间能够作细胞色素类之间能够作为一种特殊灵活的电子为一种特殊灵活的电子载体起作用。载体起作用。（5）细胞色素类）细胞色素类一类含有血红素辅基的电子一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称传递蛋白的总称 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+e Fe2+的互变的互变起传递电子的作用。起传递电子的作用。线粒体电子传递链至少含有线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素：种细胞色素：a 、a3 、b、c、c1。各种细胞色素的辅基结构略有不同。各种细胞色素的辅基结构略有不同。a a3 、b、c1中卟啉中卟啉Fe与蛋白质非共价结合，与蛋白质非共价结合，c 的辅基与的辅基与蛋白质以硫醚键共价结
18、合。蛋白质以硫醚键共价结合。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b c1 c aa3 O2。Cyt a和和a3组成一个复合体，二者无法分开，除组成一个复合体，二者无法分开，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cyt a a3可以可以直接以直接以O2为电子受体，所以为电子受体，所以a a3又称细胞色素又称细胞色素c氧化酶。氧化酶。a与与a3之间的两个铜离子，起电子传递作用：发之间的两个铜离子，起电子传递作用：发生生Cu+Cu2+的互变，将的互变，将Cyt c所携带的电子传所携带的电子传递给递给O2。b、c1、c、a 卟啉卟啉F
19、e与环及与环及蛋白形成蛋白形成6个配个配位键：位键：4个与个与Fe，1个与个与His，1个与个与蛋白链中蛋白链中Met形成。形成。a3卟啉卟啉Fe与环及蛋白形成与环及蛋白形成5个配位键（不与个配位键（不与Met形成）形成）,空一个配位键与空一个配位键与O2，CO，CN等结等结合，其正常功能是与合，其正常功能是与O2结合结合。血红素血红素A血红素血红素C血红素血红素B细胞色素的附基NADH呼吸链顺序：NADH-FMN-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2FADH2呼吸链顺序：FADH2-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2或 琥珀酸-FAD-CoQ-Cytb-c1-c-aa3
20、-1/2O24.呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抑制剂：抑制剂：抗霉素抗霉素A氰化物，氰化物，CO,叠氮化合物叠氮化合物a.测定各电子传递体氧化还原电位的数值测定各电子传递体氧化还原电位的数值按氧化还原电位由低到高顺序排列；按氧化还原电位由低到高顺序排列；b.利用电子传递抑制剂确定其顺序；利用电子传递抑制剂确定其顺序；（1）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：电子传递抑制剂电子传递抑制
21、剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。各组分各组分E：低低 高高 电子迁移方向：低电位电子迁移方向：低电位 高电位高电位 G：逐步降低逐步降低 放能放能d.根据从线粒体中分离到的传递体复合物根据从线粒体中分离到的传递体复合物(4种种)。c.通过电子传递体体外重组实验加以验证；通过电子传递体体外重组实验加以验证；l简写为简写为NADH Q还原酶还原酶,即复合物即复合物I，其作用是其作用是催化催化NADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。是一种脱氢酶，也是一种还原酶。l NADH +Q +H+N
22、AD+QH2lNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。之一。lNADH Q还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有合物。最少含有34条多肽链，分别由核和线粒体两个基条多肽链，分别由核和线粒体两个基因组编码。它的活性部分含有辅基因组编码。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫中心。和铁硫中心。lFMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型原型FMNH2。还原型还原型FMNH2可通过铁硫中心进一步将可通过铁硫中心进一步将电子转移给电子转移给Q。NA
23、DH Q还原酶还原酶Fe-S复合物复合物I I基质（负）基质（负）膜间隙（正）膜间隙（正）基质基质臂臂FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18l琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在的中间产物，它在琥珀酸琥珀酸-Q还原酶（复合物还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过再通过QH2-Cyt c还原酶、还原酶、Cyt c和和Cyt c氧化酶将电子氧化酶将电子传递到传递到O2。l琥珀酸琥珀酸-Q还
24、原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物白复合物,比比NADH-Q还原酶的结构简单，由还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。l琥珀酸琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和化和Q的还原。的还原。CoQH2复合物复合物复合物复合物 2e膜间隙膜间隙（正）（正）基质基质(负负)琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸复合物复合物复合物复合物 2H+l简写为简写为QH2-Cyt c还原酶还原酶,即复合物即复合物III,它是线它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋
25、白复合物，其作用是粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型催化还原型QH2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c（Cyt c）的还原。的还原。l QH2-Cyt c 还原酶还原酶 QH2+2 Cyt c(Fe3+)Q +2 Cyt c(Fe2+)+2H+l QH2-Cyt c还原酶由还原酶由9个多肽亚基组成，个多肽亚基组成，活性部活性部分主要包括细胞色素分主要包括细胞色素b 和和c1，以及铁硫蛋白以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。）。Cyt b4H+Cyt c1瑞斯克瑞斯克 铁硫蛋白铁硫蛋白Cyt c膜间隙膜间隙(正正)基质基质(负负)复合物复合物IIIbL(562),bH(566)MH2N
26、ADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816l简写为简写为Cyt c 氧化酶，即复合物氧化酶，即复合物 IV，它是位于它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽个多肽亚基组成。活性部分主要包括亚基组成。活性部分主要包括Cyt a和和a3，两者两者组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。铜原子。Cyt a a3可以直接以可以直接以O2为电子受体。为电子受体。lFe2+Cu2+Cu+Fe3+l2Cu+1/2O2 2Cu2+O2-l在电子传
27、递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，将的互变，将Cyt c所携带的电子传所携带的电子传递给递给O2。复合物复合物+2H+Cyt cABC膜间隙（正）膜间隙（正）基质基质（负）（负）1(泵出泵出)(底物底物)4H+4H+复合物复合物膜间隙（外）膜间隙（外）基质（内）基质（内）琥珀酸琥珀酸延胡延胡索酸索酸MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2组成组成：F Fo o亚基亚基 +F+F1 1亚基亚基 F Fo o ：寡霉素敏感蛋白（寡霉素敏感蛋白（
28、oscposcp），镶嵌），镶嵌在线粒体内膜中的质子通道在线粒体内膜中的质子通道 F F1 1：（3 3 3 3）催化生成催化生成ATPATPATP合成酶合成酶基质侧基质侧膜间隙侧膜间隙侧四、氧化磷酸化四、氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)作用作用伴随着放能的氧化作用而进行的伴随着放能的氧化作用而进行的ATP合成。合成。ADP+Pi+能量能量 ATPAMP+PPi+能量能量 ATP（一）（一）ATP的生成的生成1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布
29、，形成底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用使磷酸了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用使磷酸基团转移到基团转移到ADP上形成上形成ATP的作用。的作用。底物水平磷酸化反应举例底物水平磷酸化反应举例X +ADP ATP+XPCOOCOO-C-OC-O P P CHCH2 2磷酸烯醇磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸 COOCOO-C=OC=OCHCH3 3丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶丙酮酸激酶ADPADP ATPATPCHHCCH2OPO3H2OH3-磷酸甘油醛O+H3PO4NAD+NADH+H+CHCCH2OPO3H2OHOOPO3H2ADPATP1
30、，3-二磷酸甘油酸CHCCH2OPO3H2OHOOH3-磷酸甘油酸2.电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化 当电子从当电子从NADH或或FADH2经过电子传递体经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为磷酸化为ATP，这一全过程称为，这一全过程称为电子传电子传递体系磷酸化递体系磷酸化。底物水平磷酸化是捕获能量的一种方式，在底物水平磷酸化是捕获能量的一种方式，在发酵作用（发酵作用（无氧呼吸无氧呼吸）中是进行生物氧化取得能）中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在与否无关，在底物水平磷酸化和氧的存在与否
31、无关，在ATP 生成中没有氧分子参与，也不经过电子传递生成中没有氧分子参与，也不经过电子传递链传递电子。链传递电子。（1）概念）概念ADP ATP底物底物产物产物FAD FADH2NAD NADHH2O电子传递体系电子传递体系磷酸化：磷酸化：能量能量1ATP合成酶 电子传递体系磷酸化是需氧生物获得电子传递体系磷酸化是需氧生物获得ATP 的一的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，需要氧分子的参与。真核生物氧化磷酸化过程在需要氧分子的参与。真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜上进行。线粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜上进行。P
32、/O比：比：是指物质氧化时，每消耗是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数（或的无机磷酸的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成摩尔数），即生成ATP的摩尔数。的摩尔数。NADH呼吸链：呼吸链：P/O比值接近比值接近3，FADH2呼吸链：呼吸链：P/O比值接近比值接近2，故推断从故推断从NADH到分子氧、到分子氧、FADH2到分子氧的呼到分子氧的呼吸链上释放的能量，可分别用于吸链上释放的能量，可分别用于3个、个、2个个ATP。电子传递过程中的自由能电子传递过程中的自由能1 复合物复合物I:NADHCoQ,E0=0.360V，G0=-69.5kJ/mol 复合物复合物
33、III:CoQ Cytc,E0=0.190V，G0=-36.7kJ/mol 复合物复合物IV:Cytaa3 O2,E0=0.580V，G0=-112kJ/mol 复合物复合物II:（FAD与酶结合后与酶结合后E升高到升高到0-0.03）FADH2 CoQ,E0=0.085V，G0=-16.4kJ/mol 可见，当一对电子相继经过可见，当一对电子相继经过复合物复合物、和和时，每一步都释放出足以合成一分子时，每一步都释放出足以合成一分子ATPATP的自的自由能，即泵出由能，即泵出4 4个个H H+的能量；的能量；但当一对电子经过但当一对电子经过复合物复合物时，释放的能量时，释放的能量不足以合成不足
34、以合成ATPATP，其作用仅仅是将电子由，其作用仅仅是将电子由FADHFADH2 2注注入电子传递链。入电子传递链。最近的研究表明：复合物最近的研究表明：复合物、和和不能直接不能直接合成合成ATP，但能螯合通过电子传递所产生的自由，但能螯合通过电子传递所产生的自由能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形成跨膜的质子梯度。成跨膜的质子梯度。跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATPATP合合成的驱动力。成的驱动力。跨膜质子转移跨膜质子转移膜间膜间隙隙1基质基质琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸电化学电化学梯度梯度（二）胞液中（二）
35、胞液中 NADH 的氧化磷酸化的氧化磷酸化 在细胞质中经糖酵解产生的在细胞质中经糖酵解产生的 NADHNADH，不能，不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。只能通过两种精妙的只能通过两种精妙的“穿梭穿梭”系统系统解决解决 NADH NADH 的再氧化问题。一种称为的再氧化问题。一种称为甘油甘油-磷酸穿梭系磷酸穿梭系统统，另一种称为，另一种称为苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统。NADH+H+线粒体内膜线粒体内膜甘油甘油-磷酸穿梭作用磷酸穿梭作用甘油甘油-磷酸磷酸FAD二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸FADH2NADHFMNCoQbc1caa
36、3O2二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2ONAD+甘油甘油-磷酸磷酸CH2OHCHOHCH2O胞液胞液甘油甘油-磷酸脱氢酶；磷酸脱氢酶；线粒体线粒体甘油甘油-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶黄素蛋白脱氢酶)肌肉和神经组织中细胞浆酵解酵解NADH草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸草酰乙酸NADH天冬氨酸天冬氨酸NADH呼吸链呼吸链苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH转氨酶转氨酶转氨酶转氨酶细胞质细胞质线粒体线粒体细胞质苹果酸脱氢酶细胞质
37、苹果酸脱氢酶线粒体苹果酸脱氢酶线粒体苹果酸脱氢酶线粒体内膜线粒体内膜心、肝、肾 化学偶联假说化学偶联假说构象偶联假说构象偶联假说化学渗透假说化学渗透假说1.化学偶联假说化学偶联假说 1953年年Edward Slater 最先提出。认为电子最先提出。认为电子传递产生一种高能共价中间物，它随后的裂解释传递产生一种高能共价中间物，它随后的裂解释放能量驱动放能量驱动ATP合成。但在电子传递体系磷酸化合成。但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。（三）氧化磷酸化作用机制（三）氧化磷酸化作用机制 氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶氧化作
38、用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说：假说：l2.构象偶联假说构象偶联假说l 1964年年Paul Boyer最先提出。认为电子沿呼最先提出。认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，而形成一种高能形式，这种高能形式通过将能量而形成一种高能形式，这种高能形式通过将能量提供给提供给ATP合成而恢复其原来的构象。但至今未合成而恢复其原来的构象。但至今未能找到有力的实验证据。能找到有力的
39、实验证据。l3.化学渗透假说（化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）l 1961年英国生物化学家年英国生物化学家Peter Mitchell首先提首先提出，出，1978年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。l 基本要点：基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自电子经呼吸链传递时释放出的自由能，可将质子（由能，可将质子（H H+）从线粒体内膜的基质侧泵从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H H+浓浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动顺浓度梯度回流
40、时驱动ADPADP与与PiPi生成生成ATPATP。化学渗透假说要点分述：化学渗透假说要点分述：1.呼吸链中递氢体和电子传递体在线粒体内呼吸链中递氢体和电子传递体在线粒体内膜中是间隔交替排列的，并且都有特定的位置，膜中是间隔交替排列的，并且都有特定的位置，催化反应是定向的。催化反应是定向的。2.递氢体有氢泵的作用递氢体有氢泵的作用,可将其中的电子可将其中的电子（2e）传给位于其后的电子传递体）传给位于其后的电子传递体,而将而将H+质子质子从内膜泵出到膜外侧。从内膜泵出到膜外侧。?氧化磷酸化作用的关键因素是质子（氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H H+）梯梯度和完整的线粒体内膜。度和完整的线粒体
41、内膜。3.内膜对内膜对H+不能自由通过，泵出膜的外侧不能自由通过，泵出膜的外侧H+不能自由返回膜内侧，因而使线粒体内膜外不能自由返回膜内侧，因而使线粒体内膜外侧的侧的H+浓度高于内侧，造成浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，浓度的跨膜梯度，此此H+浓度差使外侧的浓度差使外侧的pH 较内侧的较内侧的pH 低低1.0 单位单位左右，并使原有的外正内负的跨膜电位增高，此左右，并使原有的外正内负的跨膜电位增高，此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量，电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量，好象电池两极的离子浓度差造成电位差含有电能好象电池两极的离子浓度差造成电位差含有电能一样。这种一样。这
42、种H+质子梯度和电位梯度就是质子返质子梯度和电位梯度就是质子返回内膜的一种动力。回内膜的一种动力。G=2.3 RT pH+Z F ,pH=pH(内内)pH(外外),Z 是质子电荷是质子电荷(包括符号包括符号)，F是法拉第常数是法拉第常数，是膜电位差是膜电位差 4.利用线粒体内膜上的利用线粒体内膜上的ATP 合成酶的特点，合成酶的特点，将膜外侧的将膜外侧的2H+转化成膜内侧的转化成膜内侧的2H+，与氧生成，与氧生成水，即水，即H+通过通过ATP 酶的特殊途径，返回到基质，酶的特殊途径，返回到基质，使质子发生回流。由于使质子发生回流。由于H+浓度梯度所释放的自浓度梯度所释放的自由能，偶联由能，偶联
43、ADP 与无机磷酸合成与无机磷酸合成ATP，质子的，质子的电化学梯度也随之消失。电化学梯度也随之消失。由上述分析可以看出，由上述分析可以看出，Mitchell的理论认为：的理论认为：电子传递释放的自由能和电子传递释放的自由能和ATP合成是与一种跨线合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。粒体内膜的质子梯度相偶联的。细细 胞胞 质质膜间隙膜间隙基基 质质由于泵出质子，使得基质外侧的质子由于泵出质子，使得基质外侧的质子浓度高于内侧浓度高于内侧流动的电子载体流动的电子载体ATP ATP 合合 成成 酶酶膜结合蛋白膜结合蛋白 复合体复合体来自来自NADH NADH 的电子的电子来自来自FADHFA
44、DH2 2 的电子的电子电子传递电子传递 产生能量将质子泵出产生能量将质子泵出 形成跨膜浓度梯度形成跨膜浓度梯度ATPATP合成合成 利用质子返回膜内驱动利用质子返回膜内驱动ATPATP产生产生线线 粒粒 体体 外外 膜膜内内 膜膜质子泵质子泵膜间隙（正）膜间隙（正）基质（负）基质（负）生理物质的氧化在多个位点（生理物质的氧化在多个位点（复合物复合物、和和）为跨膜质子梯度做贡献，而该梯度只在）为跨膜质子梯度做贡献，而该梯度只在一个部位即一个部位即FoF1-ATP酶处消减酶处消减(合成合成ATP)。基质侧基质侧膜间隙侧膜间隙侧 根据最新的进展情况，从呼吸链中电子传递根据最新的进展情况，从呼吸链中
45、电子传递的过程可以看出：的过程可以看出：每对电子通过复合物每对电子通过复合物、和和可导致可导致10个个（442）质子从基质泵出；质子从基质泵出；来自复合物来自复合物中的中的FADH2的电子绕过复合物的电子绕过复合物进入电子传递链只能导致进入电子传递链只能导致6个（个（42）质子跨膜质子跨膜移动。移动。大多数实验测量表明：每合成大多数实验测量表明：每合成1分子分子ATP大约大约需要需要3个质子通过个质子通过FoF1-ATP酶；同时，从细胞质转酶；同时，从细胞质转运合成运合成ATP所需的所需的Pi至线粒体基质要消耗至线粒体基质要消耗1个质子。个质子。故故每合成每合成1个个ATP需消耗需消耗4个质子
46、。个质子。因此，因此，1对对H(即即2e)经经NADH呼吸链生成呼吸链生成2.5个个ATP，经，经FADH2呼吸链生成呼吸链生成1.5个个ATP。The binding-changeModel proposed byPaul Boyerl1、F1复合物由3个与腺苷结合能力不等的位点，亚基对，l2、在某一时刻，3个亚基一个ATP结合构象（紧密结合）-ATP，一个与ADP Pi结合构象-ADP（ATP松散结合），一个是ATP释放态构象-empty（空的）；l3、在质子流的推动下，F1复合物中轴（）旋转，（图中箭头方向），连续与亚基对接触，导致-ATP构象改变为-empty，ATP释放，-ADP构象
47、改变为-ATP，-empty构象改变为-ADP后结合从基质中进入的ADP Pi用荧光显微镜观察和c亚基的旋转试验分子马达腺苷酸腺苷酸 移位酶移位酶 (反向运输反向运输)膜间隙膜间隙基质基质ATP ATP 合成酶合成酶磷酸移位酶磷酸移位酶(同向运输同向运输)3H+3H+（四）氧化磷酸化解偶联（四）氧化磷酸化解偶联l 1.解偶联作用：只抑制解偶联作用：只抑制ATP 的形成过程，的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变为热能。由能都变为热能。l 2.解偶联剂解偶联剂：引起解偶联作用的物质称为：引起解偶联作用的物质称为解偶联剂，如解偶联剂，如2.
48、4-二硝基苯酚，双羟香豆素、二硝基苯酚，双羟香豆素、碳酰氰三氟甲氧苯腙等。碳酰氰三氟甲氧苯腙等。l 3.作用机制：作用机制：2.4-二硝基苯酚二硝基苯酚破坏跨破坏跨膜电位膜电位 2,4-二硝基苯酚（二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol，DNP）是最早发）是最早发现的也是最典型的化学解偶联剂。它是一种亲脂性弱酸，现的也是最典型的化学解偶联剂。它是一种亲脂性弱酸，在不同的在不同的pH 环境中可释放环境中可释放H+或结合或结合H+：在：在pH 7.0 的环境的环境中，中，DNP 以解离形式存在，不能透过线粒体膜；在酸性以解离形式存在，不能透过线粒体膜；在酸性环境中，解离的环境中，解离的DN
49、P 质子化，变为脂溶性的非解离形式，质子化，变为脂溶性的非解离形式，能透过膜的磷脂双分子层，同时把一个质子从膜外侧带入能透过膜的磷脂双分子层，同时把一个质子从膜外侧带入到膜内侧，因而破坏电子传递形成的跨膜质子梯度，使氧到膜内侧，因而破坏电子传递形成的跨膜质子梯度，使氧化磷酸化与电子传递解偶联，抑制化磷酸化与电子传递解偶联，抑制ATP 的形成。的形成。基质基质 高高pHpH胞液胞液 低低pHpH 生物的一切活动都需要能量。能量来自体内有生物的一切活动都需要能量。能量来自体内有机物的氧化作用生物氧化。机物的氧化作用生物氧化。生物能学的基础概念，符合自然界中普遍的生物能学的基础概念，符合自然界中普遍
50、的运动规律，即能量守恒与转化定律。运动规律，即能量守恒与转化定律。物质中储存物质中储存能量的释放主要通过代谢物脱下能量的释放主要通过代谢物脱下2H，经呼吸链中，经呼吸链中多种酶和辅酶逐步传递最终与多种酶和辅酶逐步传递最终与O2结合生成结合生成H2O完完成的。成的。体内存在两条典型的呼吸链：体内存在两条典型的呼吸链：NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链。呼吸链。提提 要要 从线粒体内膜的呼吸链可分离得到四种功能复合物：从线粒体内膜的呼吸链可分离得到四种功能复合物：NADH Q还原酶（还原酶（I）、琥珀酸）、琥珀酸-Q还原酶（还原酶（II）、）、QH2-Cyt c还原酶（还原酶（III)、Cy
