1、第六章第六章 生物氧化生物氧化电子传递电子传递和氧化磷酸化作用和氧化磷酸化作用(Biological oxidation electron transport and oxidative phosphorylation)一、电子传递和氧化呼吸链一、电子传递和氧化呼吸链二、氧化磷酸化作用二、氧化磷酸化作用呼吸和能量呼吸和能量在生物化学中在生物化学中发生发生的最复杂的代谢途径的最复杂的代谢途径-线粒线粒体电子传递系统及其相关的体电子传递系统及其相关的ATP合酶。合酶。电子传输链通过电子传输链通过一系列一系列结合结合在膜上的在膜上的载体载体发生发生，跨膜质子梯度，合成跨膜质子梯度，合成ATP（O2消
2、耗）消耗）细胞需要能量来进行各种活动细胞需要能量来进行各种活动以产生并保持其高度有序的结构（大分子的以产生并保持其高度有序的结构（大分子的生物合成）。生物合成）。进行各种运动进行各种运动形成膜上的离子和电视梯度形成膜上的离子和电视梯度维持体温维持体温某些动物耗能量来发光某些动物耗能量来发光我们理解氧化磷酸化一些我们理解氧化磷酸化一些过程过程 1930s:发现丙酮酸通过三羧酸循环完全氧化成发现丙酮酸通过三羧酸循环完全氧化成 CO2(消耗消耗 O2).1930s:NAD+和和 FAD 被发现是代谢过程和氧化链被发现是代谢过程和氧化链之间的电子传递载体之间的电子传递载体.1930s:ATP的作用和磷
3、酸化作用在生物能量中的的作用和磷酸化作用在生物能量中的重要性被发现重要性被发现.1950s:分离线粒体发现了分离线粒体发现了 ADP的磷酸化是和电子从的磷酸化是和电子从NADH转移到转移到 O2 的过程相偶联的。的过程相偶联的。1961,“电子电子传递传递和和ADP磷酸化磷酸化的过程是偶联的的过程是偶联的”这一假说被发表这一假说被发表（在两过程拆分在两过程拆分的现象和完整性要的现象和完整性要求的求的基础上基础上）1960s,从线粒体了发现了从线粒体了发现了ATP合酶合酶 CO2CO2的生成的生成 方式方式：生物氧化过程中生成的CO2并不是代谢物上的碳原子与吸入的氧直接化合的结果，而是有机酸脱羧
4、作用生成的。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成CO2。根据所脱羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为脱羧和脱羧；又根据反应的同时是否伴有氧化反应，分为单纯脱羧和氧化脱羧。类型类型：-脱羧和脱羧和-脱羧（从脱羧的位置）脱羧（从脱羧的位置）氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧 （脱羧方式）（脱羧方式）直接脱羧直接脱羧-direct decarboxylationCH2CCOOHO丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶H3CCOCOOH+CO2HOOC草酰乙酸丙酮酸-direct decarboxylationH3CCCOOHO-酮酮酸酸脱脱羧羧酶酶Mg2+TPPH3CC
5、OH+CO2 氧化脱羧氧化脱羧-oxidative decarboxylationH3CCCOOHO丙丙酮酮酸酸氧氧化化脱脱羧羧酶酶系系H3CCO+CoASH+NAD+乙酰辅酶SCoA+NADH+H+CO2-oxidative decarboxylationCH2CHCOOHOH苹苹果果酸酸酶酶H3CCOCOOH+CO2+NADPH+H+HOOC苹果酸丙酮酸+NADP+H H2 2O O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（NAD+、NADP+、FAD、FMN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H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇
6、脱氢酶乙醇脱氢酶12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+生物氧化生物氧化由由细胞内细胞内的的酶催化。氧化的目的是获得能酶催化。氧化的目的是获得能量。量。电子转移电子转移:由还原型辅酶携带的电子由还原型辅酶携带的电子(NADH 或或FADH2)通过由蛋白和酶构成的氧化还原链通过由蛋白和酶构成的氧化还原链(所以称为电子传递链所以称为电子传递链)依次传递给依次传递给 O2.氧化磷酸化氧化磷酸化:偶联电子传递偶联电子传递(氧化氧化)和和 ATP 合成合成(磷酸化磷酸化).上面的过程都发生在线粒体内和线粒体内膜上面的过程都发生在线粒体内和线粒体内膜上上(真核细胞中真核细胞中)线粒体线
7、粒体 外膜具有很高的通透性外膜具有很高的通透性 内膜只对具有特定载体的物质具有通透性 对NADH 和FADH2不通透 -对丙酮酸通透 具有分隔作用具有分隔作用 三羧酸循环和-氧化发生在线粒体中 糖酵解发生在细胞质中大多数能量都是通过氧化获得的大多数能量都是通过氧化获得的 通过代谢途径电子被传递给通过代谢途径电子被传递给NAD 和和FAD 糖酵解 发生在细胞基质中 产生 2 NADH 丙酮酸脱羧反应 在线粒体基质中 2 NADH/葡萄糖 三羧酸循环 在线粒体机制中 6 NADH 和 2 FADH2/葡萄糖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 线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在
8、这里氧化所产生的NADH和FADH2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，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。呼吸链。柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。电子传递链的概念电子传递链的概念电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化 电子传递和氧化磷酸化再氧化NADH和FADH2并把释放的能量储存在ATP里。在真核生物中，电子传递和氧化磷酸化作用发生在线粒体内膜中，而在原核细胞中发生的过程在质膜。电子传递链的组成电
9、子传递链的组成 呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体蛋白质复合体组成，在线粒体内膜上有4种参与电子传递的蛋白质复合体，分别为 NADHQ还原酶（还原酶（NADH-Q reductase）琥珀酸琥珀酸Q还原酶（还原酶（succinate-Q reductase）细胞色素还原酶（细胞色素还原酶（cytochrome reductase）细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）洋地黄皂苷洋地黄皂苷各种辅基在呼吸链中作为中间电子载体各种辅基在呼吸链中作为中间电子载体呼吸链的组成呼吸链的组成1.1.黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.2.铁铁-硫蛋白
10、类硫蛋白类（ironsulfur proteins)3 3.辅酶辅酶（ubiquinone,亦写作亦写作CoQ）4 4.细胞色素类细胞色素类（cytochromes）5.5.血红素血红素 (hemes)6.6.铜离子铜离子（Cu）NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（FAD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）电子传递的方向电子传递的方向 在电子传递链中，有一系列电子传递体，在电子传递链中，有一系列电子传递体，这些电子传递体的排列顺序是根据它们
11、的电极这些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位决定的。呼吸链中的电子传递有着严格的电位决定的。呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。流向氧分子。NADH和和FADH2的的电子电子通过许多中间电子载体转移给通过许多中间电子载体转移给O2NADHNADH呼吸链呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 复合物复合物 复合体复合体 I I复合物复
12、合物 NADHNADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素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 Q还原酶还原酶FADHFADH2 2呼吸链呼吸链NADHNADH呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c-c1-aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c1-c-a
13、a3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸延胡索酸2e电子传递链各个成员电子传递链各个成员1.NADHQ还原酶还原酶 NADHNADHQ Q还原酶又称为还原酶又称为NADHNADH脱氢酶，简称为复脱氢酶，简称为复合体合体。该酶含有。该酶含有FMNFMN辅基和辅基和Fe-SFe-S聚簇，催化反聚簇，催化反应时，先将应时，先将NADHNADH的电子传递到的电子传递到FMNFMN上，再传给上，再传给Fe-SFe-S聚簇，最后传给辅酶聚簇，最后传给辅酶Q Q。Fe-SFe-S聚簇有几种类聚簇有几种类型，型，含有含有Fe-SFe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白，又，又称为称为非
14、血红素铁蛋白非血红素铁蛋白。Fe-SFe-S聚簇通过其中的聚簇通过其中的FeFe2+2+和和FeFe3+3+的变化来传递电子。的变化来传递电子。铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。铁与无机硫原子或是蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合，常见的铁硫蛋白有三种组合方式（a）单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。（b）两个铁原子、两个无机硫原子组成（2Fe-2S），其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。（c）由4个铁原子与4个无机硫原子相连（4Fe4S），铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个
15、铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。铁硫蛋白中的铁可以呈两价（还原型），也可呈三价（氧化型），由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。铁硫中心（Fe-S）是含1-4个铁原子的辅基铁硫中心只转移一个电子，即使它们包含两个或更多的铁原子。铁硫中心（铁硫中心（簇簇）FeFeSSSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCysIron-Sulfur Centers 简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子
16、和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHNADH Q Q还原酶还原酶 NADH +Q +HNADH +Q +H+=NAD =NAD+QH +QH2 2复合物 1含有 NADH 结合位点NADH还原酶活性NADH-NAD+NADH-FMN-FeS-氧化型辅酶Q氧化性辅酶Q-还原型辅酶Q4 H+被转移到膜间隙/NADH2.2.辅酶辅酶Q 辅酶辅酶Q(Coenzyme Q)又称泛醌（又称泛醌（ubiquinone），），有时简称为有时简称为Q Q或或UQUQ，是一种脂溶性物质，它可以接，是一种脂溶性物质，它可以接受受1 1个电子还原成个电子还原成半醌中间体半醌
17、中间体，再接受，再接受1 1个电子还原个电子还原成成对苯二酚对苯二酚形式。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳形式。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的是具有动物中最常见的是具有1010个个异戊二烯异戊二烯单位的侧链，单位的侧链，简写为简写为Q Q1010，在非哺乳动物中这个侧链可能只有，在非哺乳动物中这个侧链可能只有6-86-8个异戊二烯单位。由于其脂溶性强，可以在线粒体个异戊二烯单位。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩散。内膜中扩散。辅酶辅酶Q Q的结构和氧化还原态的结构和氧化还原态3.3.琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶 琥珀酸Q还原酶又称为复合体复合体，完整的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢
18、酶，琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子质量约140103，含有一个以FADFAD为辅基的黄素蛋白为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白铁硫蛋白和一个细胞色素细胞色素b b。其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物复合物只能传递电子，而只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。不能使质子跨膜输送。复合物 II琥珀酸-FAD还原酶Q包含辅酶QFADH2 结合位点FAD 还原酶活性 FADH2-FAD复合物复合物 II:琥珀酸辅酶琥珀酸辅酶Q还原酶还原酶4.4.细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细胞色素还原酶又称复合体细胞色素还原酶又称复合体、辅酶、辅酶Q Q细胞色素细胞色素c
19、c还原酶。还原酶。它的作用是将还原型辅酶它的作用是将还原型辅酶Q Q的电子传递给细胞色素的电子传递给细胞色素c c。细胞色素还原酶中细胞色素还原酶中含有细胞色素含有细胞色素b b，也含有，也含有2Fe-2S2Fe-2S聚簇。聚簇。细胞色素（细胞色素（cytochrome)cytochrome)细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。称为细胞色素。还原型细胞色素具有明显的可见光吸收，可以看到、和三个吸收峰，其中峰峰的波长随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来区分不同的细胞色素。氧化型细
20、胞色素在可见光区看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别称为细胞色素细胞色素a a、b b和和c c，同一种细胞色素血红素因结合的蛋白质不同，其吸收峰的波长会发生小的变化，如细胞色素还原酶中含有的细胞色素b就分为b bH H（b b562562）和）和b bL L（b b566566）两种。）两种。几种细胞色素的最大吸收峰几种细胞色素的最大吸收峰波长波长/nm/nm细胞色素细胞色素a600439bL566bH562532429c550521415c1554524418细胞色素细胞色素 传递电子机理传递电子机理：+e +e Fe3+Fe2+Cu2+Cu+e e 特点：特点：以血红素为辅基，血
21、红素的主要成份为铁卟啉。以血红素为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别类别:根据吸收光谱分成根据吸收光谱分成a a、b b、c c三类，呼吸链中含三类，呼吸链中含5 5种（种（b b、c c、c c1 1、a a和和a3)a3)，cytbcytb和和cytc1cytc1、cytccytc在呼吸链中的中为电子在呼吸链中的中为电子传递体，传递体，a a和和a3a3以复合物物存在，称以复合物物存在，称细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，其分子，其分子中除含中除含FeFe外还含有外还含有CuCu，可将电子传递给氧，因此亦称其为，可将电子传递给氧，因此亦称其为末末端氧化酶端氧化酶。甲酰基甲酰基多聚异戊二烯长链
22、多聚异戊二烯长链 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素易溶于水。它与细胞色素c c1 1含有相同的辅基，含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，中，cyt.ccyt.c通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起电子的互变起电子传递中间体作用。传递中间体作用。5.5.细胞色素细胞色素c c 复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜中自由扩散，还原型辅酶Q（氢醌）将一个电子交给Fe-
23、S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。Q Q循环循环是指在线粒体内膜中电子传递链上QH2分别传递一个电子到细胞色素中，即共使2个细胞色素得到电子，从而被氧化。复合物 III还原型辅酶Q 氧化型辅酶Q 而细胞色素 C 被还原也包括细胞色素 b质子泵 4H+添加到梯度8 H+/NADH 4 H+/FADH2 简写为cyt.c 氧化酶，即复合物IV，它的作用是将还原型细胞色素c的电子传递给分子O2，生成H2O。
24、它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。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cyt.c所携带的电子传递给O2。6.6.细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 复合物（细胞色素氧化酶）由6-13条多肽链组成，总的相对分子质量约60103-170103，以二聚体形式存在。每个单体包括细胞色素aa3和含铜蛋白。其作用是催化电子从还原型细胞色素c传递给氧分子，同时发生质子的跨膜移位。所以复合物既是电子传递体，又是质子移位体。移位体。复合物 IV 还原氧分子
25、细胞色素氧化酶 色素 a+a3 red-氧化状态 氧-水 2 H+2 e-+O2-2 H2O 一次传递一个电子给氧 蹦出 2H+总共 10 H+/NADH 总共 6 H+/FADH2电子传递链 氧化还原蛋白质组氧化还原蛋白质组 在线粒体内膜上 NADH 和FADH2 结合位点 在膜的内侧 电子转移给氧化还原蛋白 NADH 氧化成 NAD+FADH2 氧化成 FAD4 种复合物具有特定序列的蛋白质具有特定序列的蛋白质按特定的顺序转移按特定的顺序转移 2 个电子个电子蛋白在复合物中蛋白在复合物中蛋白嵌入膜中易于电子转移电子最终电子最终还原还原氧氧生成生成水水2 H+2 e-+O2-H2ONADH进
26、入NADH脱氢酶（NADH：泛醌氧化还原酶或NADH-Q还原酶）。琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADH2 的黄素蛋白把电子转移给辅酶Q，没有 H+泵出.(复合物复合物 III)细胞色素 bc1 复合物 把 2e-从1个 QH2传递给 2 细胞色素c在复合物 III中通过 Q 循环进行e-转移和 H+泵出 (对于每个还原型辅酶Q，在 P侧进行2 e-转移,4H+释放 s同时 2H+从N 侧产生)复合物复合物 IV:细胞色素 c 氧化酶,氧化链的最后一个酶,包含3 个Cu 和2 个血红素 A 作为电子载体电子载体的顺序根据它们的氧化还原电位是可以预测的电子载体的顺序根据它们的氧化还原电位是可以预测的电
27、子传递的抑制效应电子传递的抑制效应 凡是能够阻断电子传递链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂电子传递抑制剂，由于阻断部位物质的氧化还原状态能被测定，所以利用电子传递抑制剂是研究电子传递顺序的重要方法，下面列举了若干种常见的重要的电子传递抑制剂。1 1、鱼藤酮等鱼藤酮等 阻断从阻断从NADHNADH向向CoQCoQ的传递的传递 鱼藤酮（鱼藤酮（rotenone）、安密妥（）、安密妥（amytal）、）、杀粉蝶菌素（杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑）等。它们的作用是抑制复合物制复合物I，阻断电子由，阻断电子由NADH向向CoQ的传递，但的传递，但不影响不影响FADH2到
28、到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。毒的植物毒素，常用作杀虫剂。2 2、抗霉素抗霉素A A 阻断复合物阻断复合物的电子传递的电子传递 抗霉素抗霉素A（antimycin A），它是从灰色链球菌），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素）到细胞色素c1的传递。的传递。3 3、氰化物、叠氮化物、氰化物、叠氮化物、COCO、H H2 2S S 阻断复合
29、物阻断复合物IVIV向向O O2 2的传递的传递 氰化物（氰化物（cyanide,CN）、叠氮化物（）、叠氮化物（azide,N3）、一氧化碳（）、一氧化碳（carbon monoxide,CO）和硫）和硫化氢化氢(hydrogen sulphide)，这些抑制剂均能阻断，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至至O2的电子传递，其中氰化物（的电子传递，其中氰化物（CN）和叠氮化物）和叠氮化物（N3）能与血红素）能与血红素a3的高铁形式（的高铁形式（ferric form）作用而形成复合物作用而形成复合物,而一氧化碳（而一氧
30、化碳（CO）则抑制血红素）则抑制血红素a3的亚铁形式（的亚铁形式（ferrous form）。）。电子传递链中的抑制剂电子传递链中的抑制剂 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATPATP（即（即ADP+PADP+Pi iATPATP）,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别：底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+Pi ATP+H ATP+H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能二二.氧化磷
31、酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化概念概念氧化磷酸化是伴随着通过一系列电子载体氧化磷酸化是伴随着通过一系列电子载体从从 NADH 或或 FADH2到到O2进行电子传递，生进行电子传递，生成成ATP的过程的过程.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化 柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅酶，包括酶，包括NADHNADH和和FADHFADH2 2，将其携带的电子经过电子，将其携带的电子经过电子传递，最终交给分子传递，最终交给分子O O2 2，形成，形成H H2 2O O。在电子传递过。在电子传递过程中释放出大量的自由能，这些自由能被用来推程中释放出大量
32、的自由能，这些自由能被用来推动动ATPATP的合成。在呼吸电子传递链中，总反应式为的合成。在呼吸电子传递链中，总反应式为 NADH+H+1/2 O2 NAD+H2O G0=220.07 kj/mol FADH2+1/2 O2 FAD+H2O G0=181.58 kj/mol 还原型辅酶中的能量还原型辅酶中的能量 在糖酵解和柠檬酸循环中，在糖酵解和柠檬酸循环中，1 1分子葡萄糖完分子葡萄糖完全氧化可以生成全氧化可以生成1010个个NADHNADH和和2 2个个FADHFADH2 2，它们氧化，它们氧化后可以释放出的自由能为后可以释放出的自由能为 10220.07+2181.58=2563.86
33、kj/mol 1 1分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为2870.23 kj/mol 还原型辅酶中贮存的能量比例为：还原型辅酶中贮存的能量比例为：（2563.86/2870.23）100%=89.3%氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/OP/O比比 磷氧比（磷氧比（P PO O）是指一对电子通过呼吸链传是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生递到氧所产生ATPATP的分子数。的分子数。近年来很多实验结果都证明，以近年来很多实验结果都证明，以NADHNADH作为电作为电子供体时，测得的子供体时，测得的P/OP/O比值大于比值大于2,2,所以所以P/OP/O比值不比值不一定是整数。
34、例如，一定是整数。例如，-羟丁酸经过羟丁酸经过NADHNADH途径的途径的P/OP/O比值为比值为2.42.42.62.6，产生的，产生的ATPATP数目为数目为2.52.5；而；而琥珀酸经过琥珀酸经过FADH2FADH2的的P/OP/O比值为比值为1.71.7，产生的，产生的ATPATP数数目为目为1.51.5。目前被广泛接受的观点是：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。每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。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分子ATP就需要4个质子的流动。
35、因此，如果一对电子通过因此，如果一对电子通过NADHNADH电子传递链电子传递链可泵出可泵出1010个质子，则可形成个质子，则可形成2.5 2.5 个分子个分子ATPATP；如果一对电子通；如果一对电子通过过FADHFADH2 2电子传递链有电子传递链有6 6个质子泵出，则可形成个质子泵出，则可形成1.51.5个个ATPATP分子。分子。底物水平磷酸化底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合 物直接将磷酸基团转移给物直接将磷酸基团转移给ADPADP，使之，使之 磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。氧化磷酸化氧化磷酸化：NADHNADH或或FADHFADH
36、2 2将电子传递给将电子传递给O O2 2的过程与的过程与ADPADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于出的能量用于ATPATP的生成。氧化磷酸化的的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成需氧生物合成ATPATP的主要途径。的主要途径。20世纪世纪30年代包括德国生物化学家、诺贝年代包括德国生物化学家、诺贝尔奖获得者尔奖获得者Meyerhof&Warburg在内的许多在内的许多生化学家对代谢过程中能量的产生和利用作了深生化学家对代谢过程中能量的产生和利用作了深入研究，发现无论在糖酵
37、解或三羧酸循环等代谢入研究，发现无论在糖酵解或三羧酸循环等代谢过程中，都有伴随着过程中，都有伴随着ATP磷酸根的放出或磷酸根的放出或ADP得到磷酸根的变化这类化学能量高效率的传递方得到磷酸根的变化这类化学能量高效率的传递方式，指出腺苷三磷酸（式，指出腺苷三磷酸（ATP）是代谢中能量产生）是代谢中能量产生和利用的关键化合物。和利用的关键化合物。1941年年Fritz Lipmann引入引入“高能磷酸键高能磷酸键(P)”的概念。的概念。1949年美国生化学家年美国生化学家Eugene Kennedy和和Albert Lehninger发现线粒体含有三羧发现线粒体含有三羧酸循环和呼吸链所需要的全部酶
38、系统，并且发现生酸循环和呼吸链所需要的全部酶系统，并且发现生物氧化与物氧化与ADP磷酸化相偶联构成了氧化磷酸化。但磷酸化相偶联构成了氧化磷酸化。但是，是，NADH的氧化和电子传递过程是如何与的氧化和电子传递过程是如何与ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP反应偶联起来一直不清楚。反应偶联起来一直不清楚。氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理 1、线粒体线粒体ATP合酶合酶（mitochondrial ATPase）2、能量偶联假说、能量偶联假说 1953年年 Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说 1964年年 Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 1961年年 Peter
39、 Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说3、质子梯度的形成、质子梯度的形成4、ATP合成的机制合成的机制19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖ATPATP的合成部位的合成部位 线粒体内膜上有许多球形突起，称为线粒体内膜上有许多球形突起，称为内膜内膜球体球体（inner membrane sphere）。这些球体通过一。这些球体通过一个柄连接到内膜中的基座上，我们把个柄连接到内膜中的基座上，我们把球体和柄球体和柄合称为合称为F1F1，基座称为，基座称为FoFo，F1F1和和FoFo合称复合体合称复合体。在离体条件下，这种复合体有水解在离体条件下，这种复合体有水解ATPATP的活性，
40、的活性，所以开始称它为所以开始称它为ATPATP酶，后来发现在完整的线粒酶，后来发现在完整的线粒体中它的功能是合成体中它的功能是合成ATPATP，现在称它为，现在称它为ATPATP合酶。合酶。线粒体线粒体ATPATP合酶合酶超声波超声波胰蛋白酶或尿素胰蛋白酶或尿素 ATPATP产生的部位都是有大的电位差变化的产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，地方，例如，NADHNADH呼吸链生成呼吸链生成ATPATP的三个的三个部位是：部位是：E0E0值在此三个部位有大的值在此三个部位有大的“跳跳动动”，都在，都在0.20.2伏以上。伏以上。ATPATP产生的部位产生的部位电子传递链标准氧还电势、自
41、由能变化电子传递链标准氧还电势、自由能变化和和ATPATP形成部位示意图形成部位示意图电子传递形成跨膜的质子梯度电子传递形成跨膜的质子梯度 在电子传递过程中，还伴随有在电子传递过程中，还伴随有H H+从线粒体从线粒体内膜的内膜的基质基质侧，向内膜的侧，向内膜的外侧外侧运输，结果造成运输，结果造成跨线粒体内膜的质子梯度跨线粒体内膜的质子梯度，这样在膜内外既造，这样在膜内外既造成质子的浓度梯度，又造成电势梯度，这种电成质子的浓度梯度，又造成电势梯度，这种电化学势梯度贮存有能量，当化学势梯度贮存有能量，当质子由膜的外侧向质子由膜的外侧向内侧内侧运动时，推动运动时，推动ATPATP合成。合成。ATP的
42、生成 依赖质子的ATP合酶 利用质子梯度生成 ATP 质子通过酶上的通道泵出 通过膜内泵到膜外 4 H+/ATP 被称为化学渗透理论比较著名的假说有三个：比较著名的假说有三个：化学偶联假说化学偶联假说 构象偶联假说构象偶联假说 化学渗透学说化学渗透学说目前得到公认的是目前得到公认的是“化学渗透学说化学渗透学说”。氧化磷酸化氧化磷酸化-能量偶联的机理能量偶联的机理 这个假说是1953年由Edward Slater最先提出。假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种活泼的高能共价中间物活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生的能量来驱动ATP的合成。这一假说完全是依据底物水平磷酸化机
43、理提出的，例如在糖酵解中，由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应就产生了一种活泼且具有高能磷酸基转移势能的酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油，随后其分子中的高能磷酸基团在磷酸甘油酸激酶的作用下被转移到ADP生成ATP。虽然在糖酵解过程中存在这种例证，但是人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间物。化学偶联假说化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis 这个假说是1964年由P.D.Boyer提出。该假说认为作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能低能构象和高能构象构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象转变为高能构象，后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成
44、酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定的实验根据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化，但由于测定构象比较困难，支持这个假说的实验太少。构象偶联假说构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis 英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出化学渗透假说，他认为电子传递释放出的自由能及他认为电子传递释放出的自由能及ATPATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是说，电子传递释放的自由能驱动。也就是说，电子传递释放的自由能驱动H+H+从线
45、粒体从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的的H+H+电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATPATP合成合成。由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且Peter Mitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。化学渗透学说化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesisChemiosmotic hypothesisThe Nobel Prize for Chemistry in 1978Peter Mitchel
46、l(1920-1992)氧化磷酸化氧化磷酸化偶联偶联机制机制假说认为假说认为1961年年,Peter Mitchell 提提出了一种新颖的想法出了一种新颖的想法-内内膜的质子梯度可以用来驱膜的质子梯度可以用来驱动动ATP合成。合成。由上述化学渗透假说可知，该模型必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和呼吸链和ATPATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化起，并定向地传递质子、电子和进行氧
47、化磷酸化反应。反应。化学渗透假说的实验证据化学渗透假说的实验证据 氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+、OH、K+、Cl等离子都是不通透的。破坏H+H+浓度梯度浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体内膜上的电子传递能够将H H+从基质运从基质运输到膜间隙。输到膜间隙。人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和F1Fo ATP合酶后，在照光时有ATP的合成。质子泵出是需能过程质子泵出是需能过程 一个质子逆电化学梯度跨过一个质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的自由能变化可以用线粒体内膜的自由能变化可以用下式表示下式表示G=2.3RT pH(膜内膜内)pH(膜外膜
48、外)ZF 式中，式中，是膜电势，即膜内外是膜电势，即膜内外的电势差的电势差。=(膜外膜外)(膜内膜内)Z：质子上的电荷：质子上的电荷F：法拉第常数：法拉第常数质子转移的两种假设机制质子转移的两种假设机制（1 1）氧化还原回路机制）氧化还原回路机制 该机制由Mitchell提出。他认为电子传递链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可以结合H+，当它们被还原时，在膜内侧结合H+，而被氧化时，在膜外侧释放H+，这样就把H+从膜内运到了膜外。（2 2）质子泵机制）质子泵机制 这个机制的内容是，电子传递导致复合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+，构象变化后在膜外侧释放H+，从而把H+从膜内侧运到膜
49、外。合成合成ATPATP与跨膜质子的数量关系与跨膜质子的数量关系 在生理条件下合成1个ATP所需的自由能大约为4050kj/mol。至少需要两个质子跨膜回流释放的能量才够合成1个ATP。因为转移出膜外的质子有一部分漏回膜内，测定的结果表明，每合成1 1个个ATPATP需要泵出需要泵出2 23 3个质子个质子。电子传递过程通过质子梯度的形式捕获能量电子传递过程通过质子梯度的形式捕获能量DyDy=0.15-0.2 V比比P-侧侧pH 高高0.75 l10 个质子被泵出个质子被泵出,节省大约节省大约200千焦千焦/摩尔（摩尔（NADH）的电）的电化学电势化学电势能能l当质子又回到膜内的时候产生了当质
50、子又回到膜内的时候产生了 ATP的合成过程的合成过程 质子泵质子泵复合物 I,III,和 IV 把质子从线粒体基质空间“泵”到间隙.当一对电子传递时复合物 I 泵4个,复合物 III 泵4个,复合物 IV 泵2个 质子.质子动力势质子动力势电子传递链产生了跨线粒体膜的质子梯度。这是储存在电势中的和由 ADP 和Pi产生ATP过程偶联的能量.F1F1和和FoFo的亚基组成的亚基组成 F1由5种肽链组成，33。Fo由3种疏水亚基组成，a1b2c9-12。Fo形成跨膜的管道，质子通过此管道流回到膜内侧时驱动ATP合成。F1的、和亚基分别由510、482、272、146和50个氨基酸残基组成，F1的总
