生物氧化和氧化磷酸化

关于生物氧化和氧化磷酸化第1页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三生物氧化和氧化磷酸化生物氧化概述1生物能及其存在形式2电子传递链3氧化磷酸化和ATP合成4第2页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.1新陈代谢总论（一）新陈代谢的概念需要能量释放能量能量代谢新陈代谢

合成代谢（同化作用）

分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子生物大分子分解为生物小分子物质代谢1.生物氧化概述第3页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（二）生物系统中的能流化学能电能机械能热能太阳的光能光合作用化学能生物氧化能量通货ATP光合作用生物氧化氧化磷酸化NADPHFADH2

第4页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（三）生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]P246ΔG°=ΔH-TΔSΔG°=-2.303RTlgKΔG°=-nFΔE第5页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用光能（太阳能）:植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能(非活性生物能)。化学能：通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能(ATP)。生命能量来源1.2生物氧化概述糖、脂和蛋白质在O2作用下经过一系列分解反应生成CO2和H2O，并释放能量（ATP）的过程，称为生物氧化。第6页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.脱氢氧化反应A单纯脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶(从作用底物上以脱去一对氢)。单纯脱氢加水脱氢1.3生物氧化的方式和特点1.3.1生物氧化的方式（氧化还原反应）H++e_P234[脱氢方式]

第7页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

琥珀酸脱氢乳酸脱氢第8页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三B加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。最终结果是：底物分子上加上了来自水的氧原子P234第9页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三脱氢酶的作用是使代谢物上的氢活化、脱落、并传递给其他受氢体脱氢酶的分类(按照脱氢酶所含的辅基不同)以核黄素为辅基的脱氢酶(黄素酶)以烟酰胺为辅基的脱氢酶FMNFADNADNADP需氧黄酶：以氧为直接受氢体，直接与氧结合生成过氧化氢不需氧黄酶：不以氧为直接受氢体，代谢物脱氢后首先将氢交给中间体，最后传给分子氧生成水代谢物脱氢，由NAD与NADP接受又将氢交给中间体，最后传递给分子氧，而生成水第10页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三2.氧直接参加的氧化反应[氧化方式]加氧酶:能够催化氧分子直接加入到有机分子中例如:主要是羟化酶

甲烷单加氧酶

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶:主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子()，最后都是以这种形式进行氧化(和分子氧结合)的（一般是含Cu2+的结合蛋白质）。H++e_单加氧酶双加氧酶第11页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三3.单纯失电子常见的就是细胞色素类，辅基血红素中的二价铁离子

Fe

Fe+e2+3+_第12页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三生物体内并不存在游离的质子和电子，反应中脱去的质子和电子必须有另一物质接受如果只接受电子，这种物质称为“受电子体”如果既接受电子，又接受质子，这种物质称为”受氢体“如果只供出电子，这种物质称为“供电子体”如果既供出电子，又供出质子，这种物质称为”供氢体“任何一个生物氧化反应（氧化还原反应）供电子体和受电子体都是成对出现，供氢体和受氢体也是成对出现氧化反映和还原反映都是成对相偶联的第13页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三任何一个生物氧化反应（氧化还原反应）供电子体和受电子体都是成对出现，供氢体和受氢体也是成对出现氧化反映和还原反映都是成对相偶联的A+BA+Bn+m+(n+1)+(m-1)+供电子体受电子体还原剂氧化剂AH2+BA+BH2供氢体受氢体还原剂氧化剂第14页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三在生物氧化中，通常一种物质，它接受电子若又供出电子，这种物质称为”电子递体“在一个反应中是电子的受体，在另一个反应中是电子的供体同理：如果这种物质接受质子又供出质子，这种物质称为”氢递体“在一个反应中是质子的受体，在另一个反应中是质子的供体生物氧化中，铁硫蛋白和细胞色素类生物氧化中，NADH、NADPH、FADH2、FMNH2第15页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.3.2二氧化碳的生成方式A直接脱羧作用（单纯脱羧基）氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如氨基酸的脱羧。细胞呼吸产生的CO2是有机酸在酶催化下的脱羧作用产生的丙酮酸草酰乙酸乙醛丙酮酸丙酮酸脱羧酶草酰乙酸羧激酶第16页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.3.2二氧化碳的生成方式B氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。脱羧酶的辅酶第17页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.3.3水的生成方式生物氧化中生成的水是代谢物中的氢经脱氢酶作用脱下经过生物氧化作用与氧结合而成的。第18页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三一酶体系水的生成是在一种酶的催化下完成的第19页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

很多植物及蔬菜中如马铃薯、茄子、苹果等均含有很多氧化酶。当它们被切开时，其中所含的多元酚（如单宁）便会在酶的作用下氧化成为棕色直至黑色化合物。这就是某些果菜切开时逐渐变黑的原因。邻苯二酚邻苯二醌第20页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

代谢物中的氢一般是不活泼的，必须经脱氢酶作用才能脱落；进入体内的氧也必须在氧化酶作用下才可接受氢。在多数情况下，脱氢酶和氧化酶之间需一些传递体，才能把质子和电子传给氧结合成水。多酶体系以脱氢酶、传递体、氧化酶组成生物氧化体系催化水的生成第21页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.3.5

生物氧化的特点1、条件温和通常是在常温常压、生理pH及有水的环境下进行的（高温高压）2、多步酶促反应（自发进行）3、能量逐步释放（一步释放）4、释放的能量贮存于高能化合物如ATP中（无能量贮存形式）生物氧化和体外燃烧对比第22页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三2.生物能及其存在形式ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式生物能存在于高能化合物当中,生物体在利用这些高能化合物的反应时,与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。ΔG°=ΔH-TΔSΔG°=-2.303RTlgKΔG°=-nFΔE第23页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三高能化合物一般将水解时能够释放20.92kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，包含两个高能磷酸健，释放30.54KJ/mol能量高能键表示：~1，3-二磷酸甘油酸第24页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三高能化合物的分类高能化合物磷酸化合物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第25页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

1.磷氧键型（--O--P)(1)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔根据生物体内高能化合物键的特性高能化合物分为:5千卡/mol第26页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三(1)酰基磷酸化合物氨基甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第27页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第28页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第29页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三2.氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第30页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三3.硫酯键型腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A第31页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第32页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三ATP的结构与功能PH=7时，ATP的三个磷酸基团全部解离，以高负电荷存在ATP4-第33页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三ATP的结构与功能ATP很容易和二价的阳离子结合，形成稳定的可溶性络合物生物体中，不论是游离的ATP，还是和酶结合ATP都是和Mg离子结合存在的2+Mg2+Mg2+Mg2+（αβ）（βγ）（γγ）第34页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三MgATP2-中的作用：稳定ATP通过桥使ATP和酶进行正确的活性中心定位辅助催化作用和的不同结合方式，可以保证多种酶的催化Mg2+Mg2+Mg2+ATP4-第35页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三3.线粒体呼吸链（电子传递链）细胞内的线粒体内膜是生物氧化的主要场所物质在氧化分解过程中，代谢物上的氢在脱氢酶作用下激活脱落，以质子和电子的形式交给辅助因子NAD或FAD，使其成为NADH或FADH2。NADH和FADH2的氢以质子的形式脱去，电子则以一系列的传递体传递,最后传递给氧并结合质子而生成水，称为电子传递链或呼吸链。这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。

P237第36页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三单纯脱氢第37页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三线粒体的结构内膜脊膜P249第38页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.复合体Ⅰ（NADH-泛醌Q还原酶）组分:NADH脱氢酶+FMN＋2（Fe-S）+CoQ3.1主要的电子传递复合体(NADH脱氢酶)第39页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三(1)NADH－泛醌Q还原酶辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。第40页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三(2)铁硫蛋白铁硫蛋白(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,也称为“铁硫中心”。第41页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三铁硫蛋白结构（已发现9种）它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用其中铁和硫原子的数目是相等的,不同的铁硫蛋白,只是在对数上不同,其中硫和铁原子总是交叉排列第42页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三(3)NADH泛醌Q还原酶（NADH脱氢酶）简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及辅酶Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。存在于线粒体的内膜上的内在蛋白质，其活性中心在内膜的内侧，故它只能催化线粒体内膜内侧的NADH脱氢NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。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和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给辅酶Q。

NADHQ还原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第43页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三NADH泛醌还原酶（NADH脱氢酶）该酶还有质子泵功能,即FMNH2脱质子、电子后，电子传给后面的电子递体，质子则释放到了线粒体内膜外侧。第44页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三泛醌第45页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三2.复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌Q还原酶）（琥珀酸脱氢酶）

组分:琥珀酸脱氢酶+2（Fe-S）琥珀酸延胡索酸第46页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三琥珀酸-泛醌Q还原酶琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-泛醌Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给CoQ。琥珀酸-泛醌Q还原酶：是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-泛醌Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和两个铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和辅酶Q的还原。第47页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三琥珀酸-泛醌Q还原酶（琥珀酸脱氢酶）

琥珀酸脱氢酶无质子泵的功能。反应中FADH2质子是释放在线粒体基质中。第48页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三辅酶Q（泛醌Q）（CoQ）脂溶性化合物QQH·QH2

CoQ在呼吸连中可转移质子和电子，是一个递氢体。电子传递链中唯一的非蛋白组分，是一个十分灵活的载体第49页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三3.复合体Ⅲ（泛醌Q-细胞色素c还原酶）

组分:2Cytb+CytC1+（2Fe-2S）QH2带的一个电子通过铁硫蛋白，传递给Cyt.C1，本身形成半醌式（QH）,2H+泵到线粒体内膜外侧；另一个电子则传递给Cyt.b。还原型Cyt.b可以将QH

还原成QH2（醌式）。结果:通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给Cyt.C。一次循环一般每次需要两次循环，两个QH2，把2个电子交给CytC第50页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三复合体Ⅲ(泛醌细胞色素c还原酶)

QH2+2CytC(Fe3+)====Q+2CytC(Fe2+)+2H+

泛醌泵到线粒体内膜外侧简写为CoQH2-CytC还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素C（CytC）的还原。QH2-CytC还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和C1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。QH2-CytC还原酶第51页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三复合体Ⅲ(泛醌细胞色素C还原酶)

有质子泵的功能第52页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），CytC，CytC1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。电子传递链中的细胞色素包括五种：CytbCytC1CytCCytaa3细胞色素类（蛋白质）第53页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

Cytb和C1都是线粒体内膜上的嵌入蛋白，这两种细胞色素是以复合体的形式存在，这个复合体也存在一个铁硫蛋白。细胞色素bC1（Cyt.bCytC1）第54页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三细胞色素C（Cyt.C）

独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜外周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1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中，Cytc通过Fe3+

Fe2+

的互变起电子传递中间体作用。第55页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

CytC是电子传递链中唯一的外周蛋白，它位于线粒体内膜外侧，含有104个氨基酸，分子量13000。大多数细胞色素的铁卟啉是以非共价键和酶蛋白结合，细胞色素C的血红素则是通过卟啉上乙烯基的C和酶蛋白的半胱氨酸的巯基通过硫醚键而连接的（唯一性）。作用：可接受细胞色素C1（复合体Ⅲ

）传来的电子而交给细胞色素aa3（复合体Ⅳ）第56页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）（Cyta＋Cyta3）

组分:Cyta(Cu2+)+Cyta3(Cu2+)+Fe-S

第57页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三复合体Ⅳ(细胞色素c氧化酶)简写为Cyt.C氧化酶，即复合物IV所含的不是血红素，而是血红素A（2位上不是一个乙烯基，而是一个17碳的烯烃链；8为不是一个甲基，而是一个甲酰基；铁原子不是6配位，而是5配位）1Cyta和Cyta3第58页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三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。活性部分主要包括Cyta和Cyta312个亚基可分为三个大亚基，和三个小亚基，其中三个大亚基由线粒体自身的基因组编码，三个小亚基由核DNA编码第59页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三Cyta和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有两个铜(Cu2+)原子。cytaa3可以直接以O2为电子受体。

Cyta的活性中心位于线粒体的内膜外侧，可接受细胞色素C传过来的电子，然后转移给Cu2+

，Cu2+又将电子转移给细胞色素Cyta3，Cyta3的活性中心在线粒体的内膜内侧，可将电子交给分子氧而生成水。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。有质子泵的功能CytaCyta3第60页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三bc1aa3第61页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

3.2呼吸链成分的排列顺序

第62页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

美国Green实验室成功地将呼吸链分成4个复合体和CoQCytC摆渡者摆渡者四个复合体是运动的，平均速度为40nm/ms，而CoQ，CytC的移动速度是复合体的10倍第63页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三摆渡者摆渡者复合体III要接受复合体III的电子，而复合体III是双电子载体，而复合体III是单电子载体，那如何保证复合体III能顺利的转移电子呢？复合体IIIIV的量要远远大于复合体III，而QCytC的量又远远大于复合体的数量第64页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（一）电子传递链的种类按照接受代谢物脱下的氢的受体不同，典型的电子传递链有两种:

NADH脱氢酶呼吸链琥珀酸脱氢酶呼吸链

1、NADH脱氢酶呼吸链（或NADH电子传递链）苹果酸NADHFP1(FMN·FeS)CoQCytb(Fe-S)Cytc1CytcCyta·a3(Cu2+)O2P240第65页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

2、琥珀酸脱氢酶呼吸链（FADH2电子传递链)（一）电子传递链的种类FP2（FAD）琥珀酸FADH2CoQCytb(Fe-S)Cytc1CytcCyta·a3(Cu2+)其中FP2代表琥珀酸脱氢酶O2在呼吸链中各个电子传递体的排列顺序,是由各氧化还原电对的标准氧化还原电位大小决定的。电子在呼吸链中运动的动力是电位梯度。第66页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三（二）电子传递链的组分顺序和氧化还原电位电子是从低的氧化还原电势流向高的氧化还原电势NADHFP1(FMN·FeS)CoQCytb(Fe-S)-0.32-0.30+0.045+0.07鱼藤酮0.045–(-0.3)=0.345V+0.82CytcO2+0.23+0.25+0.385抗霉素A氰化物、一氧化碳Cytc1Cyta·a3(Cu2+)0.25+0.07=0.32V0.82-0.385=0.435V第67页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.氧化磷酸化和ATP合成

氧化磷酸化作用：指生物氧化的放能过程与ATP合成的需能过程相偶联而合成ATP的过程。氧化磷酸作用分为：底物水平磷酸化、电子传递链氧化磷酸化直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。P252第68页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三底物水平磷酸化见于下列三个反应：⑴3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

⑶琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP第69页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三ATPATPATP电子从NADH、FADH2经电子传递链传递给氧生成水时，电子传递的放能过程与ATP合成的需能过程相偶联而合成ATP的过程，称为电子传递链磷酸化。第70页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0'=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。

FAD

↓

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04

+0.07+0.22+0.25

+0.29+0.82

ATP

ATP

ATP第71页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三第72页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三第73页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.1氧化磷酸化的偶联部位氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。第74页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三序号底物电子受体抑制剂电子传递的组分P/O12NADH琥珀酸

O2O2

复合体ⅠQ复合体Ⅲ复合体Ⅳ32不同底物的P/O比值复合体ⅡQ复合体Ⅲ复合体Ⅳ复合体Ⅳ复合体ⅠQCytb抗霉素A铁氰化物铁氰化物抗霉素A琥珀酸NADH45复合体ⅡQCytb10Cytc(red)3O2

1第75页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.2氧化磷酸化的偶联机制目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过质子泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合成酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。机理：化学偶联学说，构像偶联学说，化学渗透学说第76页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三化学渗透假说的要点a.线粒体内膜是完整的膜b.线粒体内膜的电子传递链具有质子泵的功能；c.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；d.在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。第77页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三化学渗透学说示意图第78页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三第79页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.2.1质子梯度的形成机制

质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原反应来完成。第80页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三质子梯度的形成第81页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.2.2ATP的合成机制当质子从线粒体膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP。第82页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三ATP合成酶系统（F1-F0复合体）线粒体内膜上的球状体具有合成ATP的功能。第83页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三F1F0OSCP+F6ATP合成酶系统的结构

（F1-F0复合体）第84页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三F1因子-是ATP的合成部位，因而又称为ATP合成酶。F0因子是疏水性蛋白；它完全与内膜结合在一起，其功能一是作为整个复合体的基底部，二是作为质子通道。连接F1、F0的柄部蛋白称为OSCP(赋予寡霉素敏感性蛋白）；即在寡霉素（氧化磷酸化抑制剂）存在时，F1合成ATP的活性受到了抑制。偶合因子F6＋赋予寡霉素敏感性蛋白OSCP

第85页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.3氧化磷酸化的影响因素A.ATP/ADP比值ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，则氧化磷酸化速度加快；ATP/ADP比值升高，则氧化磷酸化速度减慢。

B.甲状腺激素甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。第86页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三1.呼吸链的抑制剂能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂

C.药物和毒物

O2P259第87页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三能够抑制第一位点的有：异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有：抗霉素A、二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有：CO、H2S和CN-、N3-。CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+第88页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三2.解偶联剂不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂主要的解偶联剂有：2,4-二硝基酚(DNP)、双香豆素C.药物和毒物

第89页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三在pH7的环境下，2,4-二硝基苯酚的酚羟基解离，分子以负离子形式存在，这种形式因其不溶于脂，故不能透过膜。在酸性环境下。2,4-二硝基苯酚接受质子变为脂溶性，易透过膜，同时将一个质子带入膜内。这样在内膜外侧，因质子浓度大，DNP结合质子，然后过膜在内膜内侧，由于质子浓度低，DNP放出质子，多个DNP过膜，则瓦解了内膜两侧的质子电化学梯度。DNP第90页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三3.氧化磷酸化的抑制剂能直接抑制ATP形成的物质称为氧化磷酸化抑制剂,如:寡霉素这类物质既抑制氧的利用，又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子的传递常见的氧化磷酸化抑制剂：寡霉素C.药物和毒物

可堵塞ATP合成酶系的FO

的质子通道第91页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.5线粒体外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。主要包括:A.磷酸甘油穿梭系统：NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP。B.苹果酸穿梭系统：NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子可生成3分子ATP。

第92页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油脱氢酶：以两种状态存在：一种是可溶性的，存在与细胞质中，酶的辅基是NAD+一种是膜蛋白，存在于线粒体内膜上，酶的辅基是FAD，其活性中心在内膜外侧。外源NADH经过此系统进入电子传递链，直接将电子传递给辅酶Q，生成2ATP第93页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三苹果酸穿梭作用第94页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三线粒体外的NADPH的氧化与穿梭

异柠檬酸穿梭系统线粒体内生成的NADPH转氢酶NADH呼吸链线粒体外生成的NADPH合成其他物质提供还原力进入线粒体内氧化放能NADPH+H+NADP+α-酮戊二酸异柠檬酸α-酮戊二酸异柠檬酸NADHNAD+异柠檬酸脱氢酶（以NADP+为辅酶）异柠檬酸脱氢酶（以NAD+为辅酶）细胞质线粒体基质线粒体内膜P256CO2

CO2

第95页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.6ATPADP和无机磷的运输ATP的合成主要在线粒体中进行,而利用ATP的场所主要在线粒体外的其他细胞器,ATP必须不断运送到线粒体外,而合成ATP的材料ADP和磷酸必须又不断运送到线粒体内.(1)ATPADP的运输ATP和ADP通过一个交换体进行运输,称为ATP/ADP交换体,也称为腺苷酸载体.这种载体在膜上以二聚体的形式存在,若解离成单体则没有运输能力.这种交换是一个主动运输的过程,每运输出一个ATP,运输进入一个ADP,相当于把一个负电荷带到了内膜的外侧,就会中和一个膜外的正电荷,而减小质子的电化学梯度.ATP4-ADP3-第96页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三4.6ATPADP和无机磷的运输(2)磷酸的运输在线粒体内膜上存在磷酸载体,可使内膜外侧的H2PO4-和内侧的OH-离子进行交换.这种交换也是主动运输,每输出一个OH-离子,就中和膜外一个H+从而减小质子的电化学梯度.第97页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三

5.细胞内ATP含量的调节

能荷：是指总的腺苷酸系统中所负荷的ATP的比例由于ATP含有两个高能磷酸键，ADP含有一个高能磷酸键，所以1molADP只相当于1/2molATP。细胞内存在三种形式的腺苷酸即ATP、ADP、AMP称为腺苷酸库这三种腺苷酸在细胞中的相对含量，代表着细胞的能量状态Atkinson（1968年）提出“能荷”表示细胞的能量状态第98页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三能荷的数值在0－1之间。大多数细胞的能荷在0.8,变动范围为0.8－0.95。细胞中能荷的大小，对细胞的代谢活动有重要的调节作用。在正常状态下，能荷值很高，即ATP含量相对很高而ADP含量非常低，此时ATP合成受抑制。当能荷降低时，即ATP分解速度加大，ADP含量升高，此时就加快合成ATP的速度，使之回到正常水平。可见能荷的高低，有效地调节着合成和消耗ATP的许多过程。第99页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三第100页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三6.ATP的利用(1)ATP的直接利用供能ATP是生物界普遍的直接供能体,大部分的生理反应都需要ATP如:肌肉收缩鳗鱼放电萤火虫发光等第101页，讲稿共113页，2023年5月2日，星期三6.ATP的利用(2)ATP的间接利用ATP也可以转化成其他的核苷三磷酸间接供能体内一些反应不能直接利用ATP,而是以其他核苷三磷酸为能量供应体(NTP)如:多糖的合成,需要UTP磷脂合成,需要CTP