生物化学：第六章+生物氧化

第六章生物氧化—电子传递与氧化磷酸化生物氧化概述电子传递链（呼吸链）氧化磷酸化其他末端氧化酶系统(自学)第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念二、生物氧化的特点三、氧化还原电位与自由能四、高能化合物

一切生命活动都需要能量，维持生命活动的能量主要有两个来源：

光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。

化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。一、生物氧化的概念1、概念有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在细胞内进行氧化分解产生CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化(biologicaloxidation)。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。原核生物中,生物氧化发生在细胞质膜上,而真核生物中生物氧化主要发生在线粒体内膜上。

2、生物氧化主要包括三方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2—CO2如何形成？脱羧反应（主要指氧化脱羧）

CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶复合体NAD+NADH+H+CoASH（2）H2O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+或FAD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

。NAD+

NADH+H+苹果酸脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2e-O=2H+草酰乙酸（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP—能量如何产生？氧化磷酸化底物水平磷酸化

生物氧化的过程

多糖脂肪蛋白质葡萄糖甘油＋脂肪酸氨基酸乙酰CoAO2H2O能量

生物氧化的三个阶段大分子降解成基本结构单位

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。HCO2TAC

释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失二、生物氧化的特点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化

体外燃烧细胞内温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放

三、生化反应的自由能变化自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量（1978年Gibbs提出的，亦称为Gibbs自由能）。自由能变化（ΔG）:AB

ΔG=GB-

GAΔG是衡量反应自发性的标准。

ΔG<0，放能，自发进行

ΔG=0，平衡状态

ΔG>0，吸能，非自发进行ΔG随温度和物质浓度而变化1、生化标准自由能变化(ΔG0)

指在标准条件下，即温度为25℃，参加反应的物质浓度为1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时，测定的自由能变化。单位为J/mol和KJ/mol过去曾用cal/mol;kcal/mol1kcal/mol=4.18KJ/mol

生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用k

表示。

ΔG0’=-RTlnk=-2.303RTlgk

标况下，T=298K,R=1.987cal/mol.k=8.314J/mol.k

2、自由能变化与平衡常数的关系ΔG=ΔG0’+2.303RTlgk酶促反应都是热力学上可以自发进行的反应.在一系列反应中,有的热力学不利的反应能够被热力学上有利的反应驱动.!!生化标准氧化还原电位（E0′）：生化标准条件下，发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。在氧化还原反应中，电子总是从E0值较小的物质转移到E0值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。

3、自由能变化与氧化还原电位差的关系氧还对：氧化还原反应中，参与反应的每一种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对。标准氢电极的氧化还原电位为零.

ΔE0’=E0′氧化剂-E0′还原剂

=E0′电子受体-E0'电子供体

ΔG0′=-nFΔE0′

其中n为转移的电子数，

F为法拉第常数，F=96.496kJ/v.mol=23.063kcal/v.mol

生化标准氧化还原电位差（ΔE0

）：ΔE0

’的单位为伏特（V）

糖、脂肪、蛋白质CO2+H2O+能量

生物氧化四、高能化合物（high-energycompound）ATP1、高能化合物的概念一般将水解时能够释放21kJ/mol（5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键*。高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5千卡/mol或以上能量的磷酸化合物

生物化学上的高能键不同于化学上的高能键，这里指水解放出较多的自由能来定义的，不稳定。而化学上指需要提供大量能量才能够打断的键，很稳定。

按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型

2、高能化合物的类型

（1）磷氧键型（—O-P)(A)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸(A)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（B）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸ADP（二磷酸腺苷）（C）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物（2）氮磷键型（如胍基磷酸化合物）磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质

（3）硫酯键型3-磷酸腺苷-5

-磷酰硫酸酰基辅酶ACOS

COACH2COOHCH2（4）甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸3、最重要的高能化合物—ATP（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系ΔG°′=-30.5千焦/摩尔

b、ATP水解产物具有更大的共振稳定性。

c、H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行（10-7mol/L）。

d、ADP的离子化作用，产物的水合程度较大,利于水解进行。

ATP水解时释放大量的自由能，原因主要有四方面：a、ATP分子结构存在不稳定因素：①ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。②ATP分子内存在相反共振现象.由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子的结构稳定性。ATP分子内共振杂化数少,不稳定;ADP生产后立即离子化,逆反应不利.另外,产物的水合作用使逆反应也不利进行.以无机磷酸为例说明几种能量近似的共振形式：总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使ATP水解释放大量能量。A、ATP是生物体通用的能量货币（是产能反应和需能反应的重要能量介质）。B、ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。

（2）ATP在能量转化中的作用ATP是通用的能量货币ATP将分解代谢的产能反应和合成代谢的需能反应偶联在一起，被生物界普遍用作“能量货币”。有机物氧化分解产生的能量并不直接用于活细胞的生理活动，而是将ADP磷酸化生成ATP.当ATP＋H2O→ADP+Pi时，释放出的自由能，为生命活动提供能量；即构成了ATP/ADP循环。

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。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。.磷酸基团转移势能（kcal/mol)246810121416ATPPEP1，3-二P甘油酸6-P葡萄糖3-P甘油ATP是磷酸基团转移反应的中间载体ATP的ΔG0’处于磷酸化合物的中间

化合物磷酸基团转移势能G

（千卡/摩尔）磷酸烯醇式丙酮酸14.81，3-二磷酸甘油酸11.8氨甲酰磷酸12.3磷酸肌酸10.3乙酰磷酸10.1磷酸精氨酸7.7ATP（ATP→ADP+Pi）7.3ADP（ADP→AMP+Pi）7.3AMP（AMP→腺苷+Pi）3.41-磷酸葡萄糖5.06-磷酸葡萄糖3.36-磷酸果糖3.81-磷酸甘油酸2.2

某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能

（3）ATP的其他功能：ATP可以转变为其他核苷三磷酸如：CTP（参与磷脂合成）；UTP（多糖的合成）；GTP（蛋白质的合成）ATP是某些酶和代谢途径的调节因子ATP断裂形成AMP和焦磷酸的特殊作用ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用ATP+H2OAMP+PPiPPi+H2O2PiΔG0’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)ΔG0’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)-61.028KJ/mol意义：萤火虫发光物质的形成由ATP降解为AMP+PPi来提供腺苷酸；为一些接近平衡的反应提供驱动力：

ATP+RCOOH+CoA-SHAMP+PPi+RCO-S-CoA

ΔG0’=0.2(Kcal/mol)=0.836(KJ/mol)（4）能荷(energycharge)ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗，ATP、ADP和AMP的转换率非常高。但他们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。

例如：一个静卧的人24小时内消耗约40公斤ATP。细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：能荷=[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]腺苷酸库能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1。高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。（同位素实验）[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=第一节概述

一、生物氧化的概念和特点二、生物化学反应中的自由能的变化三、高能化合物

按其分子结构特点及所含高能键的特征分高能化合物的类型高能磷酸化合物高能非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇式磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物胍基磷酸化合物A、ATP是生物体通用的能量货币。B、ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。ATP的其他功能：ATP可以转变为其他核苷三磷酸如：CTP（参与磷脂合成）；UTP（多糖的合成）；GTP（蛋白质的合成）ATP是某些酶和代谢途径的调节因子ATP断裂形成AMP和焦磷酸的特殊作用

ATP在能量转化中的作用第二节电子传递链

一、概念二、电子传递链的组成三、电子传递链的电子传递顺序四、呼吸链的电子传递抑制剂细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O第二节电子传递链

一、概念需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括NADH和FADH2(大部分来自线粒体基质中的TCA循环和脂肪酸氧化途径)通过电子传递途径被重新氧化。即还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称为电子传递链。由于消耗氧，故也叫呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后交给分子氧并生成水，这个氢和电子的传递体系称为电子传递链（eclctrontransferchain—ETC)线粒体内膜向内折叠形成嵴（cristae），扩大了内膜的面积。内膜表面含有执行氧化反应的电子传递链ATP合酶线粒体内膜转运蛋白线粒体的结构外膜、膜间隙、内膜和基质内膜的低通透性保证了ATP的合成动力工厂二、呼吸链的组成呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：

NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素还原酶细胞色素C细胞色素氧化酶O2琥珀酸-Q还原酶FADH2呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：NADH-Q还原酶（复合体Ⅰ）琥珀酸-Q还原酶（复合体II）细胞色素还原酶（复合体III）细胞色素氧化酶（复合体IV）

1、

NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体Ⅰ、亦是第一个质子泵)NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）(非血红素铁蛋白)是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。

FMNFMNH2

铁硫聚簇主要以（Fe-S）(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。铁硫聚簇（Fe-S中心）2Fe-2S\4Fe-4S是NADH-Q还原酶中的两种存在形式CysSSSCys

Fe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCys

Fe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e--e-铁硫聚簇通过Fe3+

Fe2+

变化，起传递电子的作用，每次传递一个电子.NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个氢转移到FMN辅基上，

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫络合物CoQe-e-MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+基质2H+NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧基质H+Fe-S中心是单电子载体,而NADH\黄素蛋白\Q10都是两个电子载体是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。是电子传递链中唯一的非蛋白组分。(哺乳动物含十个异戊二烯,Q10)

2、辅酶Q（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶)、如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等非哺乳动物只有6-8个异戊二烯单位.Q10有时书写时省去10.3、琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ

）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，琥珀酸-Q还原酶辅基包括FAD和Fe-S聚簇（细胞色素b??）。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇(2Fe-2S\3Fe-3S\4Fe-4S)传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。复合体Ⅱ不能使质子跨膜.新书中提到有细胞色素b存在？？？？4、细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）

有质子泵功能含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素C1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.c复合体Ⅲ

是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是铁-原卟啉Ⅳ，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。细胞色素主要是通过辅基中Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。细胞色素（cytochrome,cyt）与蛋白质以硫醚键相连5、细胞色素c在复合体III和Ⅳ之间传递电子。（细胞色素c交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）是唯一能溶于水的细胞色素，存在线粒体内膜外表面。类似于Q作为电子载体在不同复合物之间游动。细胞色素c是目前了解最清楚的蛋白质，其ＡＡ序列差异常作为生物系统发生关系的一个判断指标

由cyt.a和a3组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时Cu2+Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。也叫末端氧化酶。6、细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶）

有质子泵功能细胞色素氧化酶（10个亚基的多聚蛋白）O2+4H++4e-2H2O目前还不清楚4个电子如何聚集在一起去还原分子态氧第二节电子传递链

一、概念二、电子传递链的组成三、电子传递链的电子传递顺序四、呼吸链的电子传递抑制剂细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2OMMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2cytb2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Cytc12Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2cytaa32(Fe-S)2cytcH2O1/2O22H+2H+2H+2H+NADH呼吸链每个传递体的氧化还原循环每个分子氧被还原共需4个电子细胞色素bc1复合体（Ⅲ

）复合体ⅣNADH-Q还原酶三、呼吸链的电子传递顺序

呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：NADH+H+FMNFe-SCoQcytbFe-Scytc1cytccytaa3O2

Fe-S

FAD

琥珀酸-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶

FMNFeSCytbFe-Scytc1cytaa3Fe-SFADH2ⅠⅡⅢⅣNADH-Q还原酶关于电子传递顺序的实验验证呼吸链电子传递顺序的确定经历了半个多世纪的探索，最关键的实验概括如下：

测得每个电子传递体的氧化还原电位E0。

呼吸链中传递体的氧化还原电位排列或对电子的亲和力

用已经分离出来的电子传递体进行体外重组氧化还原反应只能在相邻的的传递体间发生用分光光度法测得各个传递体发生吸收光谱的变化

完整的线粒体当电子传递体处于氧化状态时，悬浮液浑浊，光吸收不能直接测出；但当之处于还原态时，即可以氧化态为对照测出。游离的线粒体在有氧下进行电子传递时，NADH一端还原性最强，而靠近氧一端电子传递体几乎处于氧化态，由此判断电子的流向。当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次是cytC-cytC1-cytb-…..NADH。DADH（340nm）；NAD+（260nm）

从线粒体中分离出传递体的复合物。四、呼吸链的电子传递抑制剂

1、概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。

电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化-还原状态可以测出）2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在NADH-Q还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递，所以阻断电子由QH2向cytC1的传递。（3）氰化物（CN-）、硫化氢（H2S）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。

抗霉素A是从灰色链球菌中分离出来的抗生素.

呼吸链的电子传递抑制剂图示

NADH

NADH-Q还原酶

鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素

CoQ

cytb

抗霉素A

cytc1cytc

cytaa3

氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物

O2FADH2琥珀酸-Q还原酶第三节氧化磷酸化一、概念二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比三、氧化磷酸化机理四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂五、线粒体穿梭系统六、氧化磷酸化的调控

有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP?一、概念生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要由三种方式：

氧化磷酸化底物水平磷酸化光合磷酸化

底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物（PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。

1、底物水平磷酸化特点：ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有

O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)。这是需氧生物合成ATP的主要途径。真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。2、氧化磷酸化1、P/O比：

1940年，SOchoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生成的关系，为此提出P/O比的概念。（同位素实验）当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为P/O比。线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2经呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比

2、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有3处，即复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，这3个部位就是ATP合成的部位，称为偶联部位。

关于论证ATP形成部位的实验证据：（1）ΔG0’=-nFΔE0’（2）

琥珀酸氧化P/O=1.5，苹果酸氧化P/O=2.5

表明在NADH——CoQ有一次磷酸化作用

（3）A.Lehninger用抗坏血酸使电子从细胞色素C进入呼吸链，测得P/O=1，说明由cytaa3——O2有一次磷酸化（4）使用专一性电子传递链抑制剂亦可测出ATP的形成部位即复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

，这3个部位就是

ATP合成的部位（这三个部位均具有质子泵功能）能量计算：NADH+H+被分子氧氧化生成水，总反应为：NADH+H++1/2O2NAD++H2O求此反应的ΔG0’

：因为：1/2O2+2H++2e-H2OE0’=0.82vNAD++2H++2e-NADH+H+

E0’=-0.32v所以：ΔE0’=0.82-(-0.32)=1.14V

ΔG0’=-2X23.063X1.14=-52.6(Kcal/mol)=-220(KJ/mol)3ADP+Pi3ATP+3H2OΔG0’=3X7.3=21.9(Kcal/mol)=91.6(KJ/mol)3个ATP的形成共截获的能量为41%1、有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说

化学渗透假说（公认）三、氧化磷酸化作用的机理

电子传递过程中将产生一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生能量来驱动ATP的合成。(1)、化学偶联假说（1953）

－chemicalcouplinghypothesis

EdwardSlater

（2）构象偶联假说（1964）

conformationalcouplinghypothesis

认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。

PaulBoyer

（3）化学渗透假说（1961）

chemiosmotichypothesis

1961年由英国生物化学家PeterMitchell最先提出。认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。PeterMitchellNADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的作用，将H+

从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。化学渗透假说示意图获得1978年的诺贝尔化学奖p187支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+OH-K+Cl-都是不通透的。破坏H+

浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+

从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能蛋白存在形式。

H+如何通过电子传递链“泵”出的？2、关于H+通过电子传递链“泵”出的两种假设

（一般了解：质子梯度的形成）氧化-还原回路机制

(Mitchell提出）：线粒体内膜呼吸链的各个氧-还中心即FMNCoQCytC以及Fe-S中心的排列可能即执行电子转移又能转移基质的质子。但是在电子传递链中，（H+e-）载体只有两个即FMNCoQ，则三个ATP合成部位中还缺少一个（H+e-）载体，假设CoQ发挥两次作用。（Q循环）

质子泵机制：电子传递导致复合体的构象变化，而造成AA侧链pK的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外侧（交替变化），从而使质子发生移位。两种假设目前都没有获得完整的实验证据线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复合体或ATP合酶，是ATP合成的场所。FO是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP合成的部位，当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成。3、ATP的合成机制—FOF1-ATP合酶ATP合酶结构示意图F0F133当膜外的质子经F0质子通道到达F1时便推动ATP的合成。膜间隙膜内基质是一个多亚基复合体，它由F0,F1两个主要部分组成，其中F0（含质子通道）含有4种多肽链，镶嵌到内膜中。F1呈球状，它由、、、、五种亚基共9条多肽链构成，即33，与F0结合伸向膜内基质，是催化ATP合成的部位。催化部位在亚基上1.头部:该部是由内膜伸出的基本颗粒，呈亲水性，很容易分离下来，叫F1偶联因子，简称F1因子。F1因子是依赖于Ca2+和Mg2+的ATP酶，由10条多肽链组成。这些肽链分为5种，即3、3、、和，其分子量依次为:56、52、32、21和11.5kDa。根据酶的活性分析，这5种多肽有一定的排列次序。如果把这些多肽亚基彼此分开，单独存在则均无酶活性，而和亚基结合后，则表现出ATP酶活性。2.膜部:构成膜部的成分称为F0因子(70kDa)，含有的多条多肽链，多属疏水性，嵌插在膜脂中。其中有一种小的脂蛋白(proteolipid)，是F0因子的寡霉素敏感成分，寡霉素和DCCD(N’-N环已基二亚胺)等ATP合成抑制剂，只有同此脂蛋白结合才起抑制作用。F0因子的功能和传递质子有关，它是H+载体，可专一性地传递质子。当去掉F1因子时，膜便对质子具有高度通透性，质子泄漏到基质中。F1结合到膜上后，则可堵住质子的泄漏，这说明，F0因子中含有质子穿膜到达F1因子的通道。ATP合成酶是一种具有双向作用的偶联装置。通常它利用顺电化学梯度的H+流势能合成ATP。反之，它也可利用水解ATP释放出的能量起质子泵作用，将H+抽到内膜外(膜间隙)。究竟向着哪个方向运转要决定于净自由能(G)：当具有足够的电化学梯度时，G支持H+运进基质合成ATP；当电化学梯度降低到一定程度、G不足以支持H+运进基质合成ATP时，ATP反而被ATP酶水解，向膜间隙运输H+，以恢复梯度。FO有三种abc蛋白组成ATP合酶结合变化和旋转催化假说

-----在构象偶联假说的基础上产生利于ADP与Pi结合的构象利于ATP生成的构象无核苷酸结合的开放状态ATP合酶的催化作用犹如一部分子水轮机认为F1的３个亚基分别处于３个不同的构象状态，一种处于开放的（O

）状态，对底物亲和力极低，一种构象(L）与底物结合松弛，对底物没催化能力，一种构象(T)与底物紧密结合，并有催化能力，可使结合的ADP和Pi合成ATP。F1中部的亚基在质子推动力的驱动下相对33作旋转，由于３个亚基与亚基的不称接触，使其依次进行上述三种构象的交替变化，Ｌ（结合ADP和Pi）→Ｔ（催化ADP和Pi合成ATP）→Ｏ（ATP释放）。质子流如何驱动AＴP合成？Boyer提出旋转催化假说解释ATP合酶作用机理。Walker获得F1的晶体结构支持了Boyer的假说。3人获得1997年诺贝尔化学奖英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。亚线粒体结构证明FOF1-ATP合酶中FOF1的功能1960年，E.Racker的氧化磷酸化的重组实验：超声波胰蛋白酶或尿素重组

亚线粒体囊泡Submitochondrialvesicles有电子传递能力但不能使ADP磷酸化具备氧化磷酸化能力根据当前最新测定,H+经NADH-Q还原酶（复合体I）、细胞色素bc1复合体（Ⅲ）、细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ）从基质泵到膜外时，一对电子泵出的质子数依次为4、2、4，而合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动。多出的H+可能用于ATP运出线粒体。所以每形成1molATP就需要4个Ｈ＋的流动。所以电子从NADH传至O2，共产生的ATP分子数是2.5个（P/O=2.5）若从琥珀酸传递至O2，只有两个偶联部位，产生1.5个ATP(P/O=1.5)。每一对电子通过呼吸链传递给氧产生的ATP数？1、解偶联剂（uncouplers）某些化合物能消除跨膜的质子电化学梯度，使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物称为解偶联剂。

解偶联剂不抑制电子传递。不抑制底物水平的磷酸化。解偶联剂主要有：

化学解偶联剂：2、4-二硝基苯酚解偶联蛋白：不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同，据此将它们分成三大类：四、氧化磷酸化的解偶联和抑制化学解偶联剂：2、4-二硝基苯酚

（2、4-dinitrophenol,DNP）

DNP在pH=7的环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称质子载体。中性环境酸性环境

－2，4-二硝基苯酚（DNP)NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外DNP在中性环境中以解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。解偶联蛋白（产热素）是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然解偶联剂。它们能形成质子通道，让膜外的H+通过通道返回膜内，消除跨膜质子浓度梯度。如：动物的褐色脂肪组织，其产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。

人、新生无毛的哺乳动物以及冬眠的哺乳动物。直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成的一类化合物。由于影响（降低）O2的利用率，从而间接抑制电子传递。（区别于电子传递链抑制剂）寡霉素、双环己基碳二亚胺（抑制FOF1某些蛋白的活性）2、氧化磷酸化抑制剂寡霉素等对利用氧的抑制作用可被DNP解除。离子载体（离子载体抑制剂）是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子结合，并作为他们的载体使他们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。缬氨霉素（K+）短杆菌肽（K+Na+）

真核细胞细胞液中产生的NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成ATP.

磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭外NADH脱氢酶五、线粒体穿梭系统1、磷酸甘油穿梭（P/O=1.5）NAD+NADH+H+P-甘油P-二羟丙酮P-甘油P-二羟丙酮3-P甘油脱氢酶（胞液）FAD

FADH23-P甘油脱氢酶（内膜）CoQFe-SFP1cytb胞液外膜膜间空间内膜动物的骨骼肌、脑及昆虫飞行肌细胞溶胶NADH利用此穿梭2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（P/O=2.5）苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+天冬氨酸谷氨酸α-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸α-酮戊二酸ⅠⅡ1243胞液膜间空间外膜内膜基质1、胞液的苹果酸脱氢酶2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶3、胞液的天冬氨酸转氨酶4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶Ⅰ、苹果酸-α酮戊二酸反向交换载体

Ⅱ天冬氨酸-谷氨酸反向交换载体1动物心脏及肝脏胞质溶胶内NADH利用此穿梭3、外NADH脱氢酶（真菌和高等植物）

NADH脱氢酶（复合物Ⅰ）内膜内侧，朝向基质

催化线粒体内部的NADH脱氢交给其辅基FMN

将氢传递给CoQ

外NADH脱氢酶内膜外侧，朝向膜间空间是一种以FAD为辅基的黄素蛋白，催化细胞液的NADH脱氢交给其辅基FAD将氢传递给CoQ，不经过复合物Ⅰ，P/O比1.5外膜内膜膜间空间胞液基质NADH+H+NADH+H+NAD+NAD+FPextFPintFe-SCoQcytbNADH+H+NAD+真菌和高等植物的胞液NADH进入呼吸链氧化的途径（P/O=1.5）FADFMN葡萄糖彻底氧化的能量计算：原核生物真核生物：不同组织EMP的能量计算也需考虑部位。六、氧化磷酸化的调控(了解)ADP是关键物质。ADP作为关键物质对于氧化磷酸化作用的调节称为呼吸控制（respiratorycontrol）

当细胞利用ATP做功时，ADP含量上升，又促进氧化磷酸化作用合成ATP。完整MT（mitochondrion）的呼吸控制值可达10，而受损伤或衰老的MT其呼吸控制值可降为1。悬浮的线粒体在无底物和ADP时,氧的利用率很低,为状态I;氧耗尽后线粒体的呼吸停止,为状态V.电子显微镜观察表明：状态III时，MT的超微结构为“紧缩态”，ATP生成系统处于“活动”状态。状态IV时，MT的超微结构为“常态”，ATP生成系统处于“静止”状态。常态紧缩态状态IV时既无ADP;状态III时既有底物和ADP.电子传递链的组分1.黄素脱氢酶2.铁-硫蛋白3.辅酶Ｑ4.细胞色素复合体Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合体Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶复合体Ⅲ：细胞色素还原酶复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶复习化学渗透假说示意图NADH+H+H+H+ADP+PiATP高质子浓度H2O+++++++++__________2e-4H+4H+2H+4H+2H+质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

复习1分子葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段：2ATP

2

1NADH2ATP22.5ATP三羧酸循环：2

1GTP

2

3NADH

21FADH221ATP27.5ATP21.5ATP兑换率1：2.5兑换率1：1.5丙酮酸氧化：2

1NADH兑换率1：2.522.5ATP32ATP

2

1NADH22.5（1.5）ATP?3-磷酸甘油穿梭系统苹果酸-天冬氨酸穿梭系统32ATP30ATP30或32ATP第四节活性氧(自学)

概念产生机制活性氧种类和作用清除活性氧的机制三、氧化还原电位与自由能1、氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用E表示。

氧化还原反应—指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。

标准氢电极——是指在25C、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活度为1质量摩尔浓度的