生物化学：第21章 氧化磷酸化和光合磷酸化作用

自养生物异养生物第21章氧化磷酸化和光合磷酸化作用分解代谢与合成代谢一、生物氧化(一）生物氧化的概念和特点概念:

糖、脂、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2和H2O及其它小分子物质，并释放出能量，这个过程称生物氧化。生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。2.生物氧化特点：1)细胞内的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液、pH中性、常温常压）；2)水是许多生物氧化反应的氧供体，通过加水脱氢作用；3)碳的氧化和氢的氧化是非同步进行。氧化过程脱下来的质子和电子，经各种载体传递到氧并生成水。4)分阶段的酶促反应，能量逐步释放，既避免了能量骤然释放对机体的损害，又使得生物体充分、有效地利用释放的能量；5)释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用，贮存于高能磷酸化合物（如ATP）。（二）生物氧化的方式:生物氧化是在一系列氧化还原酶催化下分步进行的。1.脱氢氧化反应（1）脱氢：醇脱氢氧化成醛

R-CH2OH→R-CH=O+2H++2e-（2）加水脱氢：醛加水氧化成酸

R-CHO+H2O→R-COOH+2H++2e-2.氧直接参加的氧化反应：（1）加氧反应：CH4+NADH+O2→CH3OH+NAD++H2O（2）生成水的反应:在各种脱氢反应中产生的质子和电子2cytC（Fe2+）+2H++1/2O2→2cytC（Fe3+）+H2O3.生成CO2的氧化反应：（1）直接脱羧：CH3COCOOH→CH3CHO+CO2（2）氧化脱羧：HOOC-CHOH-CH2-COOH+NADP+→HOOC-CO-CH3+CO2+NADPH+H+电子传递净结果，还原型辅酶借助氧分子氧化:

生物氧化的结果细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O及其它小分子物质和能量（ATP）。其中CO2主要是在三羧酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。

电子传递过程和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化ATP产生的两种方式1.底物磷酸化：将高能磷酸化合物的能量转移给ADP形成ATP。如:1,3-二磷酸甘油酸

磷酸烯醇丙酮酸2.氧化磷酸化:电子传递偶联的氧化磷酸化（氧化磷酸化占总生成能量的90%以上）。真核细胞的生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。（三）线粒体电子传递体系—呼吸链1.电子传递的概念生物氧化途径中生成的还原型辅酶（NADH、NADPH、FADH2）的氢以质子形式脱下，其电子沿一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上生成H2O；传递过程中释放出的能量使ADP和磷酸结合生成ATP。此过程称为电子传递。线粒体结构氧化-还原电势氧化总是和还原偶联在一起。还原剂失去电子被氧化，同时伴随着氧化剂得到电子而被还原。氧化还原反应的本质就是电子从还原剂转移到氧化剂的过程，这个过程是可逆的。氧化-还原电动势：ε=E=E正极-E负极体现反应物供出或得到电子的趋势，与自由能的变化相关。带“-”号，还原能力强；带“+”号，氧化能力强呼吸链相关电子载体的标准还原势：电子传递的实质：标准还原势由低到高的成员，通过一系列链式氧化还原反应，将代谢底物脱下的H和电子传到O2生成水。IIIIIIV2.电子传递过程概述(Animation)由NADH到O2的电子传递链主要包括FMN、辅酶Q，CoQ）细胞色素b、c1、c、a、a3及一些铁硫蛋白组成的四大复合体。电子传递链（呼吸链）伴随电子传递的结果：跨膜（质子梯度的形成）电子传递链的各成员-电子载体及其功能（1）复合体I—NADH-Q还原酶NADH+H++QNAD++QH2辅基：NAD+FMN铁-硫聚簇CoQNAD+NADH图FMN铁-硫聚簇IronatomscyclebetweenFe2+(reduced)andFe3+(oxidized).4Fe-4S2Fe-2SFe-S辅酶Q（泛醌）

(2)酶复合体II--琥珀酸-Q还原酶(FADH2脱氢酶)FADH2+QFAD

+QH2辅基：FAD铁-硫聚簇琥珀酸CoQ(3)复合体III--细胞色素还原酶辅基：血红素b-562,b-566,c1,Fe-S细胞色素是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉结构的中心，构成血红素,是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。血红素The1stQH2The2ndQH2复合体IIIQH2+2cytc1(氧化型）+2H+

内Q+2cytc1(还原型）+4H+外

(4)复合体IV--细胞色素c氧化酶4cytc1(还原型）+8H+

内+O24cytc1(氧化型)+4H+外+2H2O辅基：血红素a,a3；CuA,CuB

3.电子传递链的电子流和能量变化

(1)鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：可阻止电子从NADH向CoQ传递。

(2)抗菌素A：抑制电子从Cytb向CytC1

传递。

(3)氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO：阻断电子从Cytaa3向O2传递。4.电子传递链的抑制剂课后思考讨论：H＋是如何“泵”到膜间隙的？（1）氧化磷酸化：伴随电子从底物到氧的传递过程，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程。NADH+H++2.5ADP+2.5Pi+1/2O2---->NAD++4H2O+2.5ATP1.氧化磷酸化与ATP的形成Animation:TheCouplingofElectronTransportandATPSynthesis（四）氧化磷酸化作用的机制(1)能量偶联学说化学偶联假说（高能中介物？）结构偶联假说（膜蛋白组分构象变化？）(2)化学渗透假说（PeterMichell,1961.1978’sNobelPrice)2.氧化磷酸化作用的机制化学渗透假说机制：电子传递促使H+从线粒体基质跨内膜运到间隙，从而形成跨内膜的质子动力势（protonmotiveforce)。质子动力势所蕴藏的自由能成为ATP合成的动力。氧化磷酸化作用机制——化学渗透假说氧化磷酸化作用机制——化学渗透假说ATP合成机制

了解ATP合酶复合体与质子流的偶联模型ATP分子结构

TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)SubunitsofFoThegsubunitofF1abb-ATPb-ADPb-emptyThebinding-changeModelproposedbyPaulBoyerggg(五）氧化磷酸化的解偶联和调控1.氧化磷酸化的解偶联和抑制

解偶联剂：2-4-二硝基苯酚，破坏H+跨膜梯度形成抑制ATP的形成，电子传递不受影响，生热！

氧化磷酸化抑制剂：如寡霉素，抑制氧化利用和ATP的形成。离子载体抑制剂：如缬氨霉素结合K+，通透性透过膜，破坏正常的K+的跨膜梯度。氧化磷酸化的调控[ATP/ADP]自学理解：ADP对氧化磷酸化的调节--呼吸控制（六）质子动力为主动转运提供能量（2）

ATP合成的能量来源（即电子传递的三处“放能”部位）：NADH---->CoQ--->Cytc---->O2

酶复合体：I

IIIIVFADH2II

P/O比

NADH→2.5ATPFADH2→1.5ATP

P/O比：一对电子通过呼吸链传至氧所产生ATP的分子数。注意：有的书的P/O比仍用了传统的数值

(七）P/O比（八）NADH/FADH2来源：A）源于线粒体膜上的反应，直接进入氧化磷酸化B）源于胞质中产生的NADH/NADPH，需线粒体穿梭进入线粒体例：糖酵解中GAP脱氢生成的NADH；磷酸戊糖途径氧化阶段生成的NADPH。NADH的苹果酸穿梭NADH的甘油磷酸穿梭（少见）NADPH/NADH的线粒体穿梭胞液内：α-酮戊二酸+CO2+NADPH+H+

异柠檬酸+NADP+

线粒体内：异柠檬酸+NAD+

α-酮戊二酸+CO2+NADH+H+磷酸戊糖途径进入呼吸链电子传递和ATP形成的偶联关系是相辅相成的：

ATP的生成必须以电子传递为前提，呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递，只有当无机磷酸和ADP都充分时电子传递速度才能达到最高水平。

[ATP]/[ADP]之比在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用，同时对还原型辅酶的积累和氧化也起调节作用。ADP作为关键物质对氧化磷酸化作用的调节称为呼吸控制。（九）氧化磷酸化作用的调节葡萄糖彻底氧化的总结算思考：葡萄糖经磷酸戊糖途径彻底氧化生成ATP数（假定其产生的NADPH全进入呼吸链）电子传递与氧化磷酸化：学习要点1.生物氧化的概念2.电子传递链的主要过程及四个复合体组成。3.化学渗透假说（会描述）4.质子动力势与ATP生成5.电子传递链抑制剂及部位、解偶联剂Review:

AnimationOxidativephosphorylation二、光合磷酸化作用（photophospharylation)生物界所利用的自由能最根本的来源是太阳光能。绿色植物（也包括光合细菌）利用自身的光合色素（叶绿素等）吸收光能，在叶绿体内经过一系列酶的催化，将无机的CO2和H2O转变成糖类，同时将光能转化成化学能贮存于糖中。自养生物异养生物(一）光合作用CO2+H2O→(CH2O)+O2还原氧化（二）叶绿体的结构光反应和暗反应（三）捕获光的叶绿素及其它色素1.捕光色素藻红素辅助色素扩展光吸收的范围叶绿素的光学特性叶绿素的吸收光谱叶绿素在膜上被组织成光合单位2.光系统1)光合细菌只有一个光化学作用中心紫色细菌反应中心的模型2)高等植物和藻类具有两个光系统P700和P680分别是两个光系统的作用中心色素放氧光合生物光作用中心的结构PSII680PSI700D·P·A→D·P*·A→D·P+·A-→D+·P·A-P(P680orP700)：作用中心色素分子P*：激发态色素分子D：原初电子供体A：原初电子受体继续传递光化学反应电子传递脱镁叶绿素（四）真核光合电子传递链（Z链）水的光解与放氧PSI和PSⅡ在类囊体膜上的定位叶绿体利用光能使ADP+Pi生成ATP的反应。（五）光合磷酸化--光驱动的ATP合成光系统Ι的循环磷酸化作用

Calvin循环，即光合作用的碳素同化途径（还原的戊糖途径），最初产物为3-磷酸甘油酸，也称C3途径。（六）