生物氧化呼吸链与氧化磷酸化

生物氧化呼吸链与氧化磷酸化第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第七章生物氧化

序言第一节线粒体的结构与功能第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解,最终生成CO2和H2O并释放出能量的作用称为生物氧化(biologicaloxidation)。第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日生物氧化的特点生物氧化的能量是逐步释放的；生物氧化过程中产生的能量储存在高能化合物（主要是ATP）中；生物氧化具有严格的细胞内定位：

原核生物细胞膜真核生物线粒体节首章首第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日高能磷酸化合物举例第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日

生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是以还原型辅酶NADH和FADH2形式贮存的；本章将重点讨论这些还原型辅酶被氧化、生成ATP的过程，即电子传递和氧化磷酸化（electrontransportandoxidativephosphorylation）。

第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日氧化磷酸化作用：

与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使ADP形成高能ATP的作用。底物水平磷酸化作用：

从一个高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸），将磷酰基转移给ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷酰基转移相耦联。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成ATP的机制。第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日

在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，相关的酶嵌入线粒体内膜。线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密偶联的过程构成的：线粒体的NADH和FADH2通过呼吸电子传递链（respiratoryelectrontransportchain）被氧化；质子浓度梯度可作为自由能库。

第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第一节线粒体的结构与功能第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日一、线粒体的基本特征

真核生物中，氧化磷酸化在线粒体中进行。外膜含蛋白相对较少，容许分子量小于10000的离子和水溶性代谢物跨膜扩散；内膜含有丰富的蛋白质，向线粒体腔内高度皱褶形成“嵴”，使得表面积大大增加。内膜容许不带电荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的极性分子和离子不能自由通透，需要特殊的跨膜转运蛋白协助才行；线粒体内膜和外膜之间的空隙称为“膜间隙”，膜间隙中含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及ATP合成酶复合物都嵌在内膜中。线粒体基质中含有丙酮酸脱氢酶、及催化柠檬酸循环和脂肪酸氧化的大多数酶。第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日二、线粒体的跨膜转运系统在线粒体外反应产生的NADH不能直接通过呼吸链进行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脱氢反应和乳酸脱氢反应产生的NADH；线粒体外的NADH不能自由通过线粒体内膜，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能进行电子传递，这就是所谓穿梭机制。体内主要有两种穿梭机制。第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日

在哺乳动物的肝脏和其它的某些组织，存在着活跃的苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。

第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日

主要存在于哺乳动物的肌肉和脑组织中。

第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二节电子传递链（呼吸链）

线粒体的内膜中有5种与氧化磷酸化有关的蛋白质复合物，每种复合物都催化能量转换过程中的某一部分反应。I至IV复合物含有很多辅助因子，它们参与电子传递，而复合物V是ATP合成酶。标准还原电位（单位为伏特）与标准自由能的变化（单位为kJ/mol）有直接的关系：

第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日NADH氧化呼吸链

是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶：返回第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日琥珀酸氧化呼吸链

由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b：返回第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链返回第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日线粒体呼吸链的组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（CoQ）细胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）节首章首第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。

NAD＋和NADH结构示意图返回第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日

返回第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日铁硫蛋白（铁硫中心）

分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。返回第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日泛醌

是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，故也属于递氢体。返回第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日细胞色素细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：

2CytFe3++2e－2CytFe2+细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。细胞色素c的结构示意图返回第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第三节氧化磷酸化

一、化学渗透理论

Mitchell在1961年提出了氧化磷酸化的机制－化学渗透理论（chemiosmotictheory）。

Mitchell认为：还原型辅酶的氧化可以产生跨膜（线粒体内膜）的质子浓度梯度，而这一质子梯度又可以进一步驱动ATP的形成。

第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日化学渗透理论主要包括以下几点内容：

偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度，使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的H＋浓度升高。位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的质子转移驱动反应中催化ADP磷酸化。

第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日二、ATP合成机制

1979年PaulBoyer提出了ATP合成的结合-变换机制（binding-changemechanism），他认为：

ATP合成酶含有3个催化部位，在任一给定时间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧缩。所有3个催化部位都依次经历上述3种构象变化。第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日ATP的形成和释放主要涉及以下几个步骤：

一分子的ADP和Pi结合在开部位。质子跨过线粒体内膜进入基质，引起3个催化部位发生构象变化。开构象（含有新结合的ADP和Pi）转变为松弛部位，已被ADP和Pi填充的松弛部位转变为紧缩部位，载有ATP的紧缩部位转变为开部位。ATP从开部位被释放出来，同时在紧缩部位ADP和Pi缩合形成ATP。第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日三、P/O比

指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分子数。ATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATP合成伴随着质子浓度梯度的下降。三个电子复合物I、III和IV传递大约导致线粒体内的10个H＋转移到膜间隙（复合物I转移4个H＋；复合物III转移4个H＋；复合物IV转移2个H＋）。经ATP合成酶流回线粒体基质可以驱动2.5个ATP的合成。第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日而象那样从支路复合物II进入电子传递链的电子经复合物III传递到复合物IV，只能驱动6个质子的转移。而象对二（二甲氨基）苯二胺那样直接提供2个电子给复合物IV可以使2个质子转移到膜间隙。

第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日四、氧化磷酸化抑制剂

氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。一、呼吸抑制剂这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种：第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：专一抑制NADH→CoQ的电子传递。2、抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQ→Cytc的电子传递。3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S：抑制细胞色素c氧化酶。第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日二、磷酸化抑制剂这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定会抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可与F0的OSCP(p189)结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。

第五十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日三、解偶联剂(uncoupler)

解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成。解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化。第五十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。新生儿和动物棕色脂肪组织线粒体中有独特的解偶联蛋白，使氧化磷酸化处于解偶联状态，这对于维持他们的体温十分重要。常用的解偶联剂有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。第五十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日习题1.化学渗透学说要点是什么？2.2,4-二硝基苯酚的解偶联机制是什么？3.注射2,4-二硝基苯酚到动物体内可能引起什么现象？为什么？4.简述ADP对呼吸链的调控