《生物化学》教学课件：第8章 生物氧化.ppt

第第8章章 生物氧化生物氧化Biological oxidation4 生物氧化概述生物氧化概述4 电子传递电子传递4 氧化磷酸化氧化磷酸化本章主要内容本章主要内容重点难点重点难点l生物氧化的概念及特点生物氧化的概念及特点l呼吸链的组成及排列顺序呼吸链的组成及排列顺序l两条呼吸链电子传递的方向两条呼吸链电子传递的方向l氧化磷酸化的耦联机理氧化磷酸化的耦联机理第第1节节 生物氧化概述生物氧化概述 营营养养物物质质的的化化学学能能量量通通过过一一系系列列的的氧氧化化还还原原反反应应得得以以释释放放和和利利用用的的过过程程，，又又称称细胞呼吸或组织呼吸细胞呼吸或组织呼吸1 . 生物氧化生物氧化(1) 生物氧化的概念生物氧化的概念 (2) 生物氧化的特点生物氧化的特点①① 温和环境（温和环境（37C°中性）中性）②② 酶催化酶催化③③ 逐步释放能量逐步释放能量，以，以ATP 形式储存形式储存④④ 有机酸有机酸脱羧脱羧生成生成 CO2⑤⑤ 有机物脱氢经有机物脱氢经呼吸链呼吸链 生成生成 H2O三大营养物质最终经过三大营养物质最终经过TCATCA循环、生物氧化转变为循环、生物氧化转变为COCO2 2和水，和水，释放的能量以释放的能量以ATPATP形式储存。

形式储存ATP循环：循环： 通用货币通用货币 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 ~P ~P 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)ATP ADP (3) (3) 生物氧化与体外氧化生物氧化与体外氧化 通过通过脱氢、失电子、加氧脱氢、失电子、加氧，遵循氧化，遵循氧化还原反应的一般规律还原反应的一般规律 物质体内外氧化时所消耗的氧量、终物质体内外氧化时所消耗的氧量、终产物和释放能量均相同产物和释放能量均相同相同点：相同点：温和的环境、酶催化，温和的环境、酶催化，能量逐步释放能量逐步释放，并储，并储存于存于ATP中代谢物脱下的氢与氧结代谢物脱下的氢与氧结合产生合产生H2O，，有机酸脱有机酸脱羧产生羧产生CO2不同点：不同点：生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化高温或高压、干燥，高温或高压、干燥，能量突然释放能量突然释放物质中的碳和氢直物质中的碳和氢直接与氧结合接与氧结合生成生成CO2、、H2O 。

TCA循环中循环中CO2的生成的生成二次脱羧二次脱羧生成生成CO2•自由能：自由能： 也叫也叫Gibbs自由能，自由能，指在一个体系的总能指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能做功的那一部分能量量中，在恒温恒压条件下能做功的那一部分能量 标准自由能变化标准自由能变化 △△G° 实际自由能变化实际自由能变化 △△G 生物化学标准自由能变化生物化学标准自由能变化 △△G°’ 生物化学实际自由能变化生物化学实际自由能变化 △△G ’（（4）） 自由能自由能 （（Free energy））•标准状态标准状态：：溶液中进行的反应，反应物的浓度为溶液中进行的反应，反应物的浓度为1mol/L, 1mol/L, 温度为温度为25 25 o oC C自由能自由能, , 压力为压力为1 1个大气压个大气压 •标准自由能变化标准自由能变化△△G G°°：：标准状态下自由能的变化标准状态下自由能的变化 △△G G°°= -= -RTlnRTlnK Keqeq′′ ( (K Keqeq′′反应平衡常数）反应平衡常数） •实际自由能变化实际自由能变化△△G G：：实际非标准状态下自由能的变化实际非标准状态下自由能的变化 △ △G =G =△△G G°°+ + RTlnRTln（（[prod]/[react])[prod]/[react]) 标准自由能变化标准自由能变化△△G°  实际自由能变化实际自由能变化△△G生物化学标准自由能变化生物化学标准自由能变化 △△G  ’生物化学实际自由能变化生物化学实际自由能变化 △△G ’● 生物化学标准自由能变化生物化学标准自由能变化 △△G   标准体系中其他条件不变，标准体系中其他条件不变，[H+] =10-8 mol/L, 即即pH = 8.0时自由能的变化时自由能的变化 △△G G   = -= -RTlnRTlnK K  biobio ( (K K  biobio生化反应平衡常数）生化反应平衡常数） ● 生物化学实际自由能变化生物化学实际自由能变化 △△G   △△G G  = =△△G G   + + RTlnRTln（（[prod]/[react])[prod]/[react])l在化学反应中，只有自由能降低在化学反应中，只有自由能降低 (即即△△G<0)的反应才能自发地进行。

的反应才能自发地进行金属钠溶于水中金属钠溶于水中金属钠入水前金属钠入水前l一个热力学上不能进行的反应，可以由与它偶一个热力学上不能进行的反应，可以由与它偶联上容易进行的反应驱动，而能够进行自由联上容易进行的反应驱动，而能够进行自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和　能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和　 在标准条件下在标准条件下(pH 7，，25℃，，1mol/L) 发生发生水解时，可释放出大量自由能的化合物水解时，可释放出大量自由能的化合物 (能量能量大于大于20kJ/mol) 富能键富能键/高能键（高能键（energy-rich bond）用）用“～～”表示表示)2. 富能化合物（富能化合物（energy-rich compounds））富能化合物富能化合物 G( ) G Grxn =  Gprod -  Greact GReaction coordinateReactant stabilityProduct stability“High energy” compoundNon-“High energy” compound富能化合物的类型富能化合物的类型•酸酐类：酸酐类： ADP、、ATP、、GDP、、GTP•特殊酯类：特殊酯类：脂酰硫酯、烯醇酯脂酰硫酯、烯醇酯 •磷酰胺衍生物：磷酰胺衍生物：磷酸肌酸等磷酸肌酸等磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰硫酯乙酰硫酯（（1）磷酸酐键）磷酸酐键（（2）混合酐键）混合酐键 （（3）烯醇磷酸键）烯醇磷酸键 （（4）硫酯键）硫酯键（（5）磷酸胍键）磷酸胍键 高能磷酸键的类型高能磷酸键的类型 （（1）磷酸酐键：）磷酸酐键： 包括多磷酸核苷类化合物，如包括多磷酸核苷类化合物，如ADP、、ATP、、GDP、、GTP、、CDP、、CTP及及 PPi 等，水解后可等，水解后可释放出释放出 30.5 kJ/mol 的自的自 由能。

由能 高能磷酸键的类型高能磷酸键的类型 （（2）混合酐键）混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有形成的酐键，主要有1, 3-二磷酸甘油酸等化二磷酸甘油酸等化合物，水解可释放出合物，水解可释放出61.9kJ/mol的自由能的自由能 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 （（3）烯醇磷酸键）烯醇磷酸键 见于磷酸烯醇式丙酮见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解可释放出酸中，水解可释放出61.9 kJ/mol的自由能的自由能 （（4）硫酯键）硫酯键 如乙酰如乙酰CoA~ CoA （（5）磷酸胍键）磷酸胍键：：见于磷酸肌酸中，水解可释放出见于磷酸肌酸中，水解可释放出43.9kJ/mol的自由能的自由能 胍基胍基      分解代谢释放的能量并不能直接被分解代谢释放的能量并不能直接被细胞利用，必须经一类高能物质，其中细胞利用，必须经一类高能物质，其中最主要的是最主要的是 ATP暂时储存起来，然后用暂时储存起来，然后用于细胞生命活动的各个方面。

于细胞生命活动的各个方面 细胞直能接利用的仅仅是腺苷三磷细胞直能接利用的仅仅是腺苷三磷酸酸 ( ATP ) 中所储存的能量中所储存的能量3. ATP（腺苷三磷酸）（腺苷三磷酸）2HHOCCN-OHOHHHOHHOCH2OO-OOOP--POOOPOCNCHHCCNNNαβ γATPAMPADP（（A-P~P~P））～～～～ATPATP（腺苷三磷酸）（腺苷三磷酸） ATP是磷酸基团转移反应的中间载体是磷酸基团转移反应的中间载体 磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移能低的物质转移ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图作为磷酸基团共同中间传递体示意图4. 生物氧化发生的场所生物氧化发生的场所1948年，年，Eugene Kennedy和和Albert Lehninger发现发现:原核生物氧化的场所为细胞质膜原核生物氧化的场所为细胞质膜真核生物氧化的场所是线粒体真核生物氧化的场所是线粒体 5. 生物氧化的特点生物氧化的特点（（1）） 反应条件温和反应条件温和（（2）） 氧化的方式是氧化的方式是脱氢或失电子脱氢或失电子或加氧或加氧 （（3）） 需要酶和电子传递体参与需要酶和电子传递体参与（（5）） 能量主要转化为能量主要转化为ATP（（4）） 能量逐步释放能量逐步释放6. 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 2H 2H 呼呼吸吸链链 HH2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 TCATCATCATCA循环是三大物质的最终代谢方式，乙酰循环是三大物质的最终代谢方式，乙酰CoACoA是枢纽是枢纽（（1）生物氧化过程中，代谢物脱氢生成的还原型）生物氧化过程中，代谢物脱氢生成的还原型 辅酶（辅酶（NADH和和FADH2）如何经）如何经电子传递链电子传递链 被氧化。

被氧化2）电子传递过程如何与）电子传递过程如何与ATP的生成相偶联的生成相偶联生物氧化的关键两点：生物氧化的关键两点：第二节第二节 呼吸链呼吸链 ( respiratory chain)1 、、CO2和和H2O的生成的生成 2 、呼吸链的概念、呼吸链的概念3 、呼吸链的组成、呼吸链的组成4 、两条主要的呼吸链、两条主要的呼吸链①①  -直接脱羧直接脱羧　　　　　　　　 R-CH(NH2)-COOH RCH2NH2 CO2 氨基酸　　氨基酸　　 氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶 　胺　胺②②  -氧化脱羧氧化脱羧 CH3COCOOH+NAD++CoASH CH3COSCoA CO2 + NADH+H+　　　　　丙酮酸　　　　丙酮酸　　　 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系 　乙酰辅酶Ａ　乙酰辅酶Ａ（（1））CO2的生成：的生成：1、生物氧化中、生物氧化中CO2、、H2O的生成的生成 TPP磷酸吡哆醛或胺磷酸吡哆醛或胺③③  -直接脱羧直接脱羧 HOOCCO-CH2COOH 　　 CH3COCOOH+CO2　草酰乙酸　　　　草酰乙酸　　　(丙酮酸羧化酶）丙酮酸　丙酮酸羧化酶）丙酮酸　　　　　　　④④  -氧化脱羧氧化脱羧 HOOCCH2-CH(OH)COOH+NADP+ 　　（苹果酸）　　　（苹果酸）　 (苹果酸脱羧酶）苹果酸脱羧酶）　　　　　　　　　　　　　　　　　　CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+　　 （丙酮酸）（丙酮酸）生物素生物素（（2））H2O 的生成的生成　　 底物在酶的作用下，将脱下的氢经过底物在酶的作用下，将脱下的氢经过氢（电子）传递体，传给氧生成水。

氢（电子）传递体，传给氧生成水　　　　　　 底物上的底物上的H原子被脱氢酶激活脱落后，原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列的电子载体，将电子和质子经一系列的电子载体，将电子和质子(H+) 最最终传递给氧而生成水终传递给氧而生成水 由一系列酶和电子载体组成的多酶体系由一系列酶和电子载体组成的多酶体系称为称为呼吸链或电子传递系统（呼吸链或电子传递系统（electron transport system，，ETS）2、呼吸链、呼吸链 (Respiratory Chain)线粒体线粒体呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链NADH呼吸链呼吸链 FAD呼吸链呼吸链   线粒体线粒体ETS由五类电子载体组成由五类电子载体组成: (1) 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：NAD+/NADH  (2) 黄素蛋白类：黄素蛋白类：FMN或或FAD (3) 铁硫蛋白类：铁硫蛋白类：Fe2S2、、Fe4S4 (4) 辅酶辅酶Q (泛醌泛醌) (5) 细胞色素类：细胞色素类：Cyta、、Cytb、、Cytc（（1））NAD+/NADH  NAD+是许多脱氢酶的辅酶，也是氢是许多脱氢酶的辅酶，也是氢的传递体。

的传递体 （氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型） （氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）（（2）黄素蛋白）黄素蛋白 (flavoprotein)以黄素核苷酸以黄素核苷酸(FAD或或FMM)为辅基的蛋白质为辅基的蛋白质（（3）铁硫蛋白）铁硫蛋白 (iron-sulfur protein) Fe2S2, Fe4S4 通过通过Fe3+ 和和Fe2+变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用 （（4）辅酶）辅酶Q (CoQ) 辅酶辅酶Q又称泛醌又称泛醌(ubiquinone)，是，是脂溶性化合物，移动的电子载体脂溶性化合物，移动的电子载体CoQ的功能是作为氢传递体：的功能是作为氢传递体：　　　　 CoQ + 2H 　　　　　　CoQH2  辅酶辅酶Q既接受既接受NADH脱氢酶的氢，还接脱氢酶的氢，还接受线粒体其他脱氢酶（琥珀酸受线粒体其他脱氢酶（琥珀酸-Q还原酶）脱还原酶）脱下的氢，下的氢，在电子传递链中处于中心地位在电子传递链中处于中心地位氧化型氧化型还原型还原型 Fe原子处于血红素环中央，借助原子处于血红素环中央，借助Fe2＋＋/ Fe3＋＋传递电子。

传递电子5）细胞色素）细胞色素(Cytochrome：：Cyt) 以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，为三大类：以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，为三大类： Cyta ( a, a3 ) 、、Cytb、、 Cytc (c, c1)  3 电子传递系统：含电子传递系统：含4种复合体种复合体氧化呼吸链的组成氧化呼吸链的组成胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 Q 1/2O2+2H+ H2O ⅢⅠⅠ Ⅱ ⅣⅣ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ FMN; Fe-S NADH→CoQ两种辅基：两种辅基：FMN和和Fe-S（（1 1））复合体复合体I I（（NADH-CoQ还原酶）还原酶）（（2）复合体）复合体Ⅱ（琥珀酸（琥珀酸-Q还原酶）还原酶） FAD;Fe-S1; Cytb琥珀酸琥珀酸→→CoQ3种辅基：种辅基：FAD、、FeS、细胞色素、细胞色素b （（3））复合体复合体Ⅲ（细胞色素（细胞色素c还原酶）还原酶）辅基：辅基：Cyt、、 Fe-S Cytb; Fe-S; Cytc1QH2→ →Cyt c 辅基：辅基：Cyt、、Cu2＋＋ （（4））复合体复合体Ⅳ（细胞色素（细胞色素c氧化酶）氧化酶）CuA→Cyta→Cyta3→CuB 还原型还原型Cyt c →→ O2胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 Q 1/2O2+2H+ H2O ⅢⅠ Ⅱ Ⅳ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 4、、 线粒体内主要存在两条呼吸链线粒体内主要存在两条呼吸链 NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链呼吸链 FMN, Fe-SFAD,Fe-S,CytbCytb,Fe-S,Cytc1Cytaa3Cu复合体复合体I复合体复合体II复合体复合体III复合体复合体IVNADH呼吸链电子传递方向呼吸链电子传递方向NADH →复合体复合体Ⅰ→Q →复合体复合体Ⅲ→Cyt c →复合体复合体Ⅳ→O2FADH2呼吸链电子传递方向呼吸链电子传递方向琥珀酸琥珀酸 →复合体复合体Ⅱ →Q →复合体复合体Ⅲ→Cyt c →复合体复合体Ⅳ→O2两条呼吸链两条呼吸链的关系的关系 （（1）呼吸链拆开重组，鉴定排列顺序。

呼吸链拆开重组，鉴定排列顺序 从线粒体膜分离从线粒体膜分离4种复合物，人工重种复合物，人工重 组实验，观察电子的传递顺序组实验，观察电子的传递顺序 （（2）人工电子受体人工电子受体 人工电子加入到人工电子加入到ETS中，可以精确中，可以精确 定位发生反应的部位定位发生反应的部位 5 电子传递电子传递顺序的实验证据顺序的实验证据机理：阻断氢与电子的传递机理：阻断氢与电子的传递阿米妥阿米妥 抗霉素抗霉素A CN、、N3-鱼藤酮鱼藤酮 CO、、H2SNADH FMN Q b c1 c aa3 O2 Fe-S FAD(Fe-S)（（3 3））利用阻断剂研究分析利用阻断剂研究分析呼吸链的抑制剂（（4 4）电子载体的氧化还原状态）电子载体的氧化还原状态两两条条呼呼吸吸链链NADH氧化呼吸链氧化呼吸链FADH2氧氧化呼吸链化呼吸链 3个个质子泵质子泵2个质子泵个质子泵思考题思考题：n生物氧化的生物氧化的概念概念及其及其特点特点。

n呼吸链呼吸链及组成呼吸链的及组成呼吸链的5 5类电子载体类电子载体n四种复合体的四种复合体的名称及辅基名称及辅基第第3节节 氧化磷酸化氧化磷酸化l底物磷酸化底物磷酸化 (substrate level phosphorylation)l氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 (Oxidative phosphorylation ) 1. 底物磷酸化底物磷酸化 底底物物脱脱氢氢或或脱脱水水等等作作用用，，使使能能量量在在分分子子内内部部重重新新分分配配，，形形成成高高能能磷磷酸酸化化合合物物，，然然后后将将高高能能磷磷酸酸基基团团转转移移到到ADP形成形成ATP的过程 最常见的底物水平磷酸化：最常见的底物水平磷酸化： 1）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 3磷酸甘油酸磷酸甘油酸 2）丙酮酸激酶：）丙酮酸激酶： 磷酸稀醇式丙酮酸磷酸稀醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 3）琥珀酰硫激酶：）琥珀酰硫激酶： 琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A 琥珀酸琥珀酸 3-磷酸甘油醛氧化成磷酸甘油醛氧化成1.3－二磷酸甘油酸－二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶 1，，3-二磷酸甘油酸生成二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 生产生产1分子分子ATP（底物水平磷酸化）（底物水平磷酸化）（（3）琥珀酰）琥珀酰CoA转化成琥珀酸转化成琥珀酸琥珀酰硫激酶琥珀酰硫激酶TCA循环中唯一循环中唯一底物水平磷酸化反应底物水平磷酸化反应 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化 电子沿着呼吸链的传递过程中，伴随电子沿着呼吸链的传递过程中，伴随将将ADP磷酸化而形成磷酸化而形成ATP的过程。

的过程 电子传递与电子传递与ATP形成相偶联的机制形成相偶联的机制 氧化磷酸化作用：氧化磷酸化作用：ATP的生成与呼吸的生成与呼吸链电子传递链电子传递相偶联相偶联的磷酸化作用的磷酸化作用区区 别：别： 底物水平磷酸化作用：通过酶的催化，底物水平磷酸化作用：通过酶的催化，能量在分子内重排能量在分子内重排，，形成的高能磷酸基团形成的高能磷酸基团直接转移生成直接转移生成ATP 当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，也消耗无当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，也消耗无机磷酸（机磷酸（Pi）消耗消耗P原子的摩尔数与原子的摩尔数与O原子的摩尔原子的摩尔数之比称为数之比称为P/O比比 NADH 呼吸链的呼吸链的P/O为为3 ：一对电子传递给：一对电子传递给O2，有，有3 次磷酸化反应次磷酸化反应 ADP + Pi ATPFADH2呼吸链的呼吸链的P/O为为2：： 一对电子传递给一对电子传递给O2，有，有2 次磷酸化反应次磷酸化反应（（1））P/O比值：比值：氧化氧化呼吸链呼吸链P/O by Old measurement P/O in 1991NADH chain32.5FADH2 chain21.5（（2）氧化磷酸化的偶联部位）氧化磷酸化的偶联部位——ATP的产生部位的产生部位 当电子从一个氧化还原电位当电子从一个氧化还原电位较低的较低的还原型还原型递体转移到递体转移到较高电位的氧化型较高电位的氧化型递递体时，就有体时，就有负自由能负自由能变化，即能量的释变化，即能量的释放。

放电子的传递方向和释放的能量电子的传递方向和释放的能量可能推动形成可能推动形成ATPATP的部位的部位-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL推动推动ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP所需的所需的 标准自由能大约在标准自由能大约在-30.56kJ/molADP生成生成ATP的部位的部位 在在NADH 呼吸链上，呼吸链上，在在 NADH—CoQ，，Cytb—c1 和和 Cyta, a3—O2 之间释放的能量之间释放的能量足以实现磷酸化足以实现磷酸化 在在FADH呼吸链，则在呼吸链，则在Cytb—c1和和 Cyta, a3—O2 之间（（3）氧化磷酸化机理）氧化磷酸化机理l 化学偶联假说化学偶联假说 形成一个高能共价中间物形成一个高能共价中间物形成一个高能共价中间物形成一个高能共价中间物l 构象偶联假说构象偶联假说 蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能形蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能形式式l 化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说 电子经呼吸链传递时，可将电子经呼吸链传递时，可将H+从线粒从线粒体内膜的基质侧泵到内膜空间，产生膜内体内膜的基质侧泵到内膜空间，产生膜内外质子外质子电化学梯度储存能量电化学梯度储存能量。

质子顺浓度梯度回流时驱动质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP 化学渗透偶联假说化学渗透偶联假说 (chemiosmotic coupling hypothesis)线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图ü膜对膜对H+是不通透的是不通透的;ü膜的内外侧产生了跨膜膜的内外侧产生了跨膜pH梯度和电位梯度梯度和电位梯度;ü电化学梯度是电子传递过程和电化学梯度是电子传递过程和ATP合成过合成过 程偶联的中间媒介程偶联的中间媒介A H+和电子传递体和电子传递体按一定顺序排列按一定顺序排列 粒体内膜上，有利于氧化磷酸化进行粒体内膜上，有利于氧化磷酸化进行 化学渗透假说的要点化学渗透假说的要点B 释放出来的能量驱动膜内侧的释放出来的能量驱动膜内侧的H+迁移迁移 到膜外侧，膜内外侧产生了到膜外侧，膜内外侧产生了跨膜质子跨膜质子 梯度和电位梯度梯度和电位梯度 C 在膜内外势能差的驱动下，膜外高能在膜内外势能差的驱动下，膜外高能 质子沿着一个质子沿着一个特殊通道特殊通道，，跨膜回到膜跨膜回到膜 内侧内侧, 释放的能量直接驱动释放的能量直接驱动ATP合成合成 。

ⅢⅠ Ⅱ Ⅳ 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 H+ H+ H+ 膜间腔膜间腔 基质侧基质侧+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图ATP合成合成酶复合体酶复合体催化催化ATPCyt还原酶还原酶Cyt氧化酶氧化酶高高pH值值低低pH值值　　　FOF1-ATP酶酶膜外质子返回膜内膜外质子返回膜内的通道的通道催化催化ATP合成合成（与（与 亚基结合的亚基结合的 亚基）亚基）疏水部分疏水部分亲水部分亲水部分 3 3Mechanism of ATP synthase Synthase Mechanism - A ATP Synthase Mechanism. Outside. Cytoplasm. Produced by Sumanas, Inc. for. Slonczewski and Foster, Microbiology: An Evolving Science, First ...（（4）氧化磷酸化控制机理）氧化磷酸化控制机理①① 呼吸作用的控制呼吸作用的控制②② 能荷能荷③③ 解偶联剂解偶联剂④④ 抑制剂抑制剂①① 呼吸作用的控制呼吸作用的控制(respiratory control) 大多数生理条件下，大多数生理条件下，ATP的合成与呼吸作用和的合成与呼吸作用和ETS的运转偶联，的运转偶联， ATP的合成依赖于电子流动。

除非的合成依赖于电子流动除非ADP被磷酸化被磷酸化成成ATP，否则电子不会正常流过，否则电子不会正常流过ETS，这种现象被称，这种现象被称为为呼吸控制呼吸控制受受ADP浓度的调控：浓度的调控： ADP/ATP↑：氧化磷酸化：氧化磷酸化↑ ADP/ATP↓：氧化磷酸化：氧化磷酸化↓ ②② 能能 荷荷 细胞内存在三种腺苷酸：细胞内存在三种腺苷酸：ATP、、ADP、、AMP，称为，称为腺苷酸库腺苷酸库，，在某一定时间的相对数量控制着在某一定时间的相对数量控制着细胞的代谢活动细胞的代谢活动 能荷：能荷：细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，ATP驱动化学反应的能力驱动化学反应的能力, 依赖于依赖于ATP、、ADP、、AMP的相对浓度的相对浓度能荷＝能荷＝[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]均以均以ATP存在，能荷为存在，能荷为1均以均以ADP存在，能荷为存在，能荷为0.5均以均以AMP存在，能荷为存在，能荷为0能荷可以作为细胞产能和需能代谢间的调节信号：能荷可以作为细胞产能和需能代谢间的调节信号：能荷高：能荷高：抑制抑制ATP生成，生成，ATP的利用过程被激发。

的利用过程被激发能荷低：能荷低：促进促进ATP生成相对相对速率速率ATP的利用的利用ATP的生成的生成能荷能荷0.8-0.9 使电子传递与使电子传递与ATP的生成（磷酸化）分离的生成（磷酸化）分离解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制ATP的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递过程中生成的自由能转变为热能如解偶联剂过程中生成的自由能转变为热能如解偶联剂2，，4—二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）③③ 解偶联剂解偶联剂2，，4-二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）：）： 呈弱酸性和脂溶性呈弱酸性和脂溶性 中性环境，不解离在酸性环境下，中性环境，不解离在酸性环境下，DNP质子化，质子化，变成脂溶性，穿过脂质双分子层，变成脂溶性，穿过脂质双分子层，把质子从膜外带到膜把质子从膜外带到膜内，破坏跨膜质子电化学梯度，抑制内，破坏跨膜质子电化学梯度，抑制ATP的生成离子载体：离子载体： 脂溶性物质，能够穿过线粒体内膜的双层，结合脂溶性物质，能够穿过线粒体内膜的双层，结合阳阳离子，离子，增加阳离子的通透性，增加阳离子的通透性，消除了膜的电位梯度，消除了膜的电位梯度，如如短杆菌肽（短杆菌肽（Na、、K离子）、缬氨霉素（离子）、缬氨霉素（K离子）。

离子） 阻止质子从阻止质子从F0通道回流，抑制通道回流，抑制ATP生成生成 寡霉素寡霉素(oligomycin)解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织）Ⅲ Ⅲ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ F F0 0 F F1 1 Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+ + H H+ + ADP+Pi ATP 3. 胞浆中胞浆中NADH的氧化机制的氧化机制 — NADHNADH从胞液转入线粒体的两种穿梭作用从胞液转入线粒体的两种穿梭作用从胞液转入线粒体的两种穿梭作用从胞液转入线粒体的两种穿梭作用l 磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 (glycerophosphate shuttle）） l 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-aspartate shuttle)（（1）磷酸甘油穿梭系统）磷酸甘油穿梭系统 主要存在于主要存在于脑和骨骼肌脑和骨骼肌中 NADH通过此穿梭系统带一对氢通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体转变为原子进入线粒体转变为FADH2，经琥，经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，产珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，产生生2分子分子ATP。

 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 基质基质磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD+ FAD  -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮  -磷酸甘油磷酸甘油 NADH+H+  -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶（（2）苹果酸穿梭系统）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 NADH通过此穿梭系统带一对氢原通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，经子进入线粒体，经NADH氧化呼吸链进氧化呼吸链进行氧化磷酸化，可生成行氧化磷酸化，可生成3分子分子ATP 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- -酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 胞液胞液 基质基质 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸  -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 NADH呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 苹果酸－天冬氨酸穿梭系统苹果酸－天冬氨酸穿梭系统苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶思考题思考题1. 呼吸链及其组成。

呼吸链及其组成2. 两条主要的呼吸链及其传递方向两条主要的呼吸链及其传递方向3. 呼吸链中呼吸链中ATP生成及抑制剂作用部位生成及抑制剂作用部位4. 两种穿梭作用两种穿梭作用5. 底物磷酸化和氧化磷酸化底物磷酸化和氧化磷酸化6. 化学渗透学说的内容化学渗透学说的内容 生物体把能量用在生命活动的各个方面生物体把能量用在生命活动的各个方面 1953年由年由Edward Slater最先提出最先提出 电子传递和电子传递和ATP生成的偶联是通过一生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个系列连续的化学反应形成一个高能共价中高能共价中间物间物，这个中间物随后又裂解将其能量供，这个中间物随后又裂解将其能量供给给ATP的合成 ①① 化学偶联假说化学偶联假说(chemical coupling hypothesis) 1964年由年由P.D.Boyer提出 电子传递体蛋白质有两种构象：电子传递体蛋白质有两种构象：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电子传递的结果使低能构象转变为构象转变为高能构象高能构象，后者再将能量传递，后者再将能量传递给给F0-F1-ATP合成酶，使之也发生构象变合成酶，使之也发生构象变化，从而推动化，从而推动ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP。

该假说有一定的实验根据，在电子沿该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呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速速的的物物理理变变化化，，但但由由于于测测定定构构象象比比较较困困难难，，支持这个假说的实验太少支持这个假说的实验太少 ②② 构象偶联假说构象偶联假说(conformational coupling hyopthesis) 英国生物化学家英国生物化学家Peter D Mitchell 1961年年提出，是目前解释氧化磷酸化偶联机理最为提出，是目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说公认的一种假说   Peter D Mitchell因提出该假说而获得了因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖年的诺贝尔化学奖 ③③ 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)                     复合体复合体ⅠⅠ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ均有质子泵作用均有质子泵作用质子的流向质子的流向Q循环：循环：2次质子转运次质子转运电子的流向电子的流向。