生物氧化与氧化磷酸化课件

第七章 生物氧化与氧化磷酸化第一节 生物氧化概述第二节 电子传递链（呼吸链）第三节 氧化磷酸化第七章 生物氧化与氧化磷酸化第一节 生物氧化概述1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、生化反应的自由能变化四、高能化合物第一节 生物氧化概述一、生物氧化的概念2n 有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成内进行氧化分解而生成COCO2 2和和H H2 2O O并释放出能量并释放出能量的的过程称为过程称为生物氧化生物氧化(biological oxidation)。生物生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用呼吸作用。1、概念一、生物氧化的概念糖、脂肪和蛋白质 CO2+H2O+能量1、概念一、生物氧化的概念糖、脂肪和蛋白质 32、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。糖糖、脂脂、蛋蛋白白质质等等有有机机物物转转变变成成含含羧羧基基的的中中间间化合物，然后在酶催化下化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。糖、脂肪和蛋白质糖、脂肪和蛋白质 COCO2 2+H+H2 2O+O+能量能量CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH2、生物氧化主要包括三方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化4 代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体（NADNAD+、NADPNADP+、FADFAD、FMNFMN等等）所所接接受受，再再通通过过一一系列递氢体或递电子体系列递氢体或递电子体传递给氧而生成传递给氧而生成H H2 2O O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O。代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、5（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP。底物水平磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化6脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环电子传递及磷酸化彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、7 释放的能量转化成释放的能量转化成ATP被利用被利用 转换为光和热，散失转换为光和热，散失二、生物氧化的特点v生物氧化生物氧化和有机物在和有机物在体外氧化（燃烧）体外氧化（燃烧）的实的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成氧气，都生成COCO2 2和和H H2 2O O，所释放的能量也相同。，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧温和条件温和条件 高温或高压、干燥条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性（常温、常压、中性pH、水溶液）、水溶液）逐步氧化放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放能量爆发释放 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8v自由能变化（自由能变化（GG）:A B A B G=GG=GB B-G GA AG G是衡量反应自发性的标准。是衡量反应自发性的标准。G0G0G0，吸能，非自发进行，吸能，非自发进行三、生化反应的自由能变化v自由能（自由能（G G）:指在一个体系的总能量中，在恒温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。恒压条件下能够做功的那一部分能量。G G随温度和物质浓度而变化随温度和物质浓度而变化自由能变化（G）:三、生化反应的自由能变化自由能（G）:指91、生化标准自由能变化(G0)v 指在标准条件下，即温度为指在标准条件下，即温度为2525，参加反应，参加反应的物质浓度为的物质浓度为1mol/L,1mol/L,若有气体，则为若有气体，则为1 1个大气个大气压，压，pHpH为为7 7时，测定的自由能变化。单位为时，测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/molJ/mol,KJ/mol 1、生化标准自由能变化(G0)指在标准条件下，即温度为10生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用k 表示。表示。G0=-RTlnk =-2.303RT lgk 标况下，T=298K,R=1.987 cal/mol.k =8.314 J/mol.k 2、自由能变化与平衡常数的关系2、自由能变化与平衡常数的关系11v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v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。生化标准氧化还原电位（E0）：生化标准条件下，发生氧化还原12 E E0 0=E=E0 0氧化剂氧化剂-E-E0 0还原剂还原剂 GG0 0=-nF =-nF EE0 0 其中其中n n为转移的电子数，为转移的电子数，F F为法拉第常数，为法拉第常数，F=96.496kJ/v.molF=96.496kJ/v.mol =23.063kcal/v.mol =23.063kcal/v.mol v生化标准氧化还原电位差（E0）：E0=E0氧化剂-E0还原剂生化标13四、高能化合物l一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21kJ/mol21kJ/mol（5 5千卡千卡/mol)/mol)及以上自由及以上自由能（能（G G-21kJ/mol-21kJ/mol）的化合物称为）的化合物称为高能化合物高能化合物。l高能磷酸化合物：高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放水解每摩尔磷酸基能释放5千卡千卡/mol或或以上能量的磷酸化合物以上能量的磷酸化合物l在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活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泼共价键称为高能键高能键。1、概念生物氧化过生物氧化过程涉及高能程涉及高能化合物产生化合物产生四、高能化合物1、概念生物氧化过程涉及高能化合物产生14磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型2、高能化合物的类型据分子结构据分子结构特点及所含特点及所含高能键的特高能键的特征征磷氧键型2、高能化合物的类型据分子结构特点及所含高能键的特征15 1、磷氧键型（OP)(1)(1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物乙酰磷酸乙酰磷酸10.1千卡千卡/摩尔摩尔1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸11.8千卡千卡/摩尔摩尔氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸 1、磷氧键型（OP)(1)酰基磷酸化合物乙酰磷酸10.16（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物焦磷酸焦磷酸ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）7.3千卡千卡/摩尔摩尔（2）焦磷酸化合物焦磷酸ATP（三磷酸腺苷）7.3千卡/摩尔17（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩摩尔尔（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔182、磷氮键型磷酸肌酸磷酸肌酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔磷酸精氨酸磷酸精氨酸7.7千卡千卡/摩尔摩尔磷磷酸酸肌肌酸酸是是易易兴兴奋奋组组织织（如如肌肌肉肉、脑脑、神神经经）唯唯一一的的能能起起暂时储能作用的物质。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磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质 2、磷氮键型磷酸肌酸10.3千卡/摩尔磷酸精氨酸7.7千卡/193、硫酯键型3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酸硫磷酸硫酸酸酰基辅酶酰基辅酶A3、硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A204、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸21在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-）3 3、ATPATP的的特点及其特殊作用特点及其特殊作用（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系ATP4-不稳定，具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJmol-1水解反应在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个22 ATP是生物体通用的能量货币。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。（2）ATP在能量转化中的作用 ATP是生物体通用的能量货币。（2）ATP在能量转化中24ATP是通用的能量货币ATP将分解代谢的产能反应和合成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，被生物代谢的需能反应偶联在一起，被生物界普遍用作界普遍用作“能量货币能量货币”。ATP/ADP循环是生物体系中能量交换的基本形式。有机物氧化分解产生的能量并不直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，而是将接用于活细胞的生理活动，而是将ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP当当ATPH2O ADP+Pi时，释时，释放出的自由能，为生命活动提供能放出的自由能，为生命活动提供能量；即构成了量；即构成了ATP/ADP循环循环。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25v磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的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。物质向势能低的物质转移。v磷酸基团转移势能在数值上等于其水解磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的反应的G G0 0。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体已糖激酶：Glc+ATPG-6-P+ADP甘油激酶：甘油+ATP3-磷酸甘油+ADPATP是磷酸基团转移反应的中间载体已糖激酶：Glc+ATP26 化合物化合物 磷酸基磷酸基团转移移势能能 G （千卡（千卡/摩摩尔尔）磷酸磷酸烯醇式丙醇式丙酮酸酸 14.81，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 11.8氨甲氨甲酰磷酸磷酸 12.3磷酸肌酸磷酸肌酸 10.3乙乙酰磷酸磷酸 10.1磷酸精氨酸磷酸精氨酸 7.7ATP（ATPADP+Pi）7.3ADP（ADPAMP+Pi）7.3AMP（AMP腺苷腺苷+Pi）3.41-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 5.06-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 3.36-磷酸果糖磷酸果糖 3.81-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 2.2 某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能 化合物 276v ATPADP+Pi）G0=7.3，居中 故ATP是磷酸基团转移反应的中间载体磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能（kcal/mol)24810121416ATPPEP1，3-二二P甘油酸甘油酸6-P葡萄糖葡萄糖3-P甘油甘油丙酮酸激酶：丙酮酸激酶：PEP+ADP丙酮酸丙酮酸+ATP已糖激酶：已糖激酶：Glc+ATPG-6-P+ADP6磷酸基团转移势能（kcal/mol)2481012141628（3）能荷（energy charge)v 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，处于动态平衡中:ADP ATP，ATP ADP AMP v即细胞内存在 ATP、ADP和AMP这三种形式的腺苷酸，细胞所处的能量状态可用能荷来表示。v能荷指总的腺苷酸库中所负荷的ATP的比例当细胞内所有的腺苷酸全当细胞内所有的腺苷酸全部转变为部转变为AMPAMP时时,能荷值为能荷值为0 0，当腺苷酸全部转变为，当腺苷酸全部转变为ATPATP时，能荷值为时，能荷值为1 1。大多。大多数细胞的能荷处于数细胞的能荷处于0.8-0.8-0.950.95之间。之间。ATP+1/2ADPATP+ADP+AMP能荷=（3）能荷（energy charge)ATP是生命活动中29v能荷调节主要是通过ATP、ADP、AMP作为一些调节酶的变构效应物而起作用的。v 如糖酵解中磷酸果糖激酶的调控：高浓度的ATP是该酶的变构抑制剂，ATP的抑制作用可被AMP解除。能荷调节v能荷可调节代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质的合成代谢；能荷低，促进物质分解代谢，抑制物质的合成代谢。能荷能荷相相对对速速率率ATP的利用途径的利用途径 ATP的的生成途径生成途径能荷对能荷对ATP的生成途径和的生成途径和ATP的利用途径相对速率的的利用途径相对速率的 影响影响能荷能荷可调节代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质的合30第七章 生物氧化第一节 生物氧化概述第二节 电子传递链（呼吸链）第三节 氧化磷酸化细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O第七章 生物氧化第一节 生物氧化概述细胞怎样利用分子氧将有机31第二节 线粒体电子传递链 一、概念 二、电子传递链的电子传递顺序 三、电子传递链的各成员 四、电子传递链的电子传递抑制剂第二节 线粒体电子传递链 一、概念32v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（eclctron transfer chain)。由于消耗氧，故也叫呼吸链。v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。一、概 念在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列按一定顺序排列的氢33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合成酶线粒体内膜转运蛋白线粒体的结构外膜、膜间隙、内膜和基质外膜、膜间隙、内膜和基质线粒体内膜向内折叠形成嵴（cristae），扩大了内膜的面积34复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体在线粒体内膜上主要有两条在线粒体内膜上主要有两条电子传递链电子传递链电子传递链由一系列的氢传电子传递链由一系列的氢传递体和电子传递体组成递体和电子传递体组成二、电子传递链的电子传递顺序复合体复合体复合体复合体在线粒体内膜上主要有两条电子35NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE =-296.50.82-(-0.18)=-193.0千 焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应：FADH2+137复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体三、电子传递链的各成员复合体复合体复合体复合体三、电子传递链的各成员38v复合体是一个大的蛋白质复合体,包括以FMN为辅基的黄素蛋白和以铁硫中心为辅基的铁硫蛋白1、复合体(NADH-Q还原酶)作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；n由辅基FMN和（Fe-S）负责传递电子。1、复合体(NADH-Q还原酶)作用：催化NADH氧化，39nFMN或FAD通过氧化还原变化传递氢。NADH+HNADH+H+FMN FMNH+FMN FMNH2 2+NAD+NAD+NADH+H+FMN 40v铁硫中心主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在铁硫中心2Fe-2S4Fe-4S铁硫中心主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式41Cys S S S Cys Cys S S S Cys Fe Fe3+3+Fe Fe3+3+Cys S S S CysCys S S S CysCys S S S Cys Cys S S S Cys Fe Fe3+3+Fe Fe2+2+Cys S S S CysCys S S S Cys+e-e-v铁硫中心通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用，每次传递一个电子.Cys S S 42 FMNHFMNH2 2 2(Fe-S)2(Fe-S)CoQCoQ 2e-2e-M MH2NAD+NADHFMNFMNH2 2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2 CoQ基质基质2H+复合体基质基质H+FMNH2 2(Fe-S)432、辅酶Q（泛醌)2、辅酶Q（泛醌)44脂溶性醌类化合物，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/酚的互变传递氢电子传递链中唯一的非蛋白组分。氧化型氧化型还原型还原型辅酶Q（泛醌)脂溶性醌类化合物，分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏45 FMNHFMNH2 2 2(Fe-S)2(Fe-S)CoQCoQ 2e-2e-M MH2NAD+NADHFMNFMNH2 2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2 CoQ H+基质基质2H+复合体基质基质H+FMNH2 2(Fe-S)46以FAD和Fe-S中心为辅基。3、复合体（琥珀酸-Q还原酶 or琥珀酸脱氢酶）（2）FADH2又将电子传递给又将电子传递给Fe-S中心，最中心，最 后电子后电子 由由 Fe-S中心传递给中心传递给CoQ。（1）以FAD和Fe-S中心为辅基。3、复合体（琥珀酸-Q还474、复合体（细胞色素bc1复合体 or细胞色素还原酶）n含有两种细胞色素（b、c1）和一个铁硫蛋白。n关于细胞色素(下页)n作用：将电子从QH2转移到细胞色素c4、复合体（细胞色素bc1复合体 or细胞色素还原酶48细胞色素血红素辅基血红素辅基v是以铁卟啉（血红素）为辅基的色素蛋白v根据吸收光谱分成a、b、c三类 v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v细胞色素主要是通过辅基中 Fe3+Fe2+的互变传递电子。v一个细胞色素每次传递一个电子。细胞色素血红素辅基是以铁卟啉（血红素）为辅基的色素蛋白 49MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+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)2cytcH2O1/2O2H+2H+H+2H+2cytb 铁硫中心 2cytc12e-2e-MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+505、细胞色素cn在复合体和之间传递电子。n是一个分子质量较小的球形蛋白质，它处于线粒体内膜外侧，是电子传递链中唯一的外周蛋白质。5、细胞色素c在复合体和之间传递电子。51MMH2NAD+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)2cytcH2O1/2O2H+2H+2H+2H+细胞色素cMMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2526、复合体（细胞色素氧化酶）由 cyta和a3 组成，催化电子从cytc分子O2形成水6、复合体由 cyta和a3 组成，催化电子从cytc分53v复合体还含有2个铜原子（CuA，CuB），铜离子可在+1和+2价之间变化cyt.c CuA Cyta cyt.a3-CuB O2(cyt.a3-CuB上有 O2结合位点)复合体 也叫末端氧化酶cyt.c CuA Cyta cyt.a3-C54MMH2NAD+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)2cytcH2O1/2O2 H+2H+H+2H+复合体还原还原1 1个氧原子需个氧原子需2 2个电子，生成个电子，生成1H1H2 2O OMMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe255四、呼吸链的电子传递抑制剂 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。1、概念四、呼吸链的电子传递抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物562、常用的几种电子传递抑制剂 及其作用部位鱼藤酮、安密妥、杀蝶素鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A阻断电子在复合体内的传递，即阻断电子由NADH向CoQ的传递抗霉素抗霉素A阻断电子从cytb向cytc1的传递氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物能与cytaa3结合形成复合物，抑制其活力，阻断电子由cytaa3向分子氧的传递2、常用的几种电子传递抑制剂鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A阻断电子57第七章 生物氧化第一节 生物氧化概述第二节 电子传递链第三节 氧化磷酸化有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP?第七章 生物氧化第一节 生物氧化概述有机物被氧化成CO2和H58第三节 氧化磷酸化oxidative phosphorylation一、概念二、氧化磷酸化机理三、ATP合成机制四、氧化磷酸化的解偶联和抑制五、细胞质NADH的再氧化第三节 氧化磷酸化oxidative phosphoryl59一、概念生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要有三种方式：氧化磷酸化 底物水平磷酸化 光合磷酸化（植物)一、概念生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要有三种方式：60v 在底物氧化过程中形成了某些高能中间代谢物，再通过磷酸基团转移反应生成ATP，即为底物水平磷酸化。1、底物水平磷酸化磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶1，3-二P甘油酸+ADP 3-P甘油酸+ATP丙酮酸激酶丙酮酸激酶PEP+ADP 丙酮酸+ATPATP琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶琥珀酰CoA+GDP+Pi 琥珀酸+GTP+CoAv TCA循环中：v 糖酵解过程中：1、底物水平磷酸化磷酸甘油酸激酶1，3-二P甘油酸+ADP 61v 是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即电子从NADH或FADH2经电子传递链传给O2生成H2O,是逐步释放能量的过程，所释放的自由能用于ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。v 这是需氧生物合成ATP的主要途径。v 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 是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即电子从NADH或FAD62 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说二、氧化磷酸化机理电子传递如何促使ADP磷酸化？化学偶联假说二、氧化磷酸化机理电子63 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）chemical coupling chemical coupling hypothesishypothesis Edward Slater 1、化学偶联假说（1953）Edward Slat64ADPATPATP磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶依据：底物水平磷酸化3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶依据：底物水平磷酸65 认为电子传递过程中，线粒体内认为电子传递过程中，线粒体内膜上的蛋白质组分发生了构象变化，膜上的蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。这种高能形转变成一种高能形态。这种高能形态通过将能量转移到态通过将能量转移到ADP合成合成ATP后，又得以恢复其原来的构象。后，又得以恢复其原来的构象。未找到有力证据，但未找到有力证据，但ATP合成过合成过程中，存在不同形式的构象偶联现程中，存在不同形式的构象偶联现象。象。2、构象偶联假说（1964）conformational coupling hypothesis conformational coupling hypothesis Paul Boyer 2、构象偶联假说（1964）Paul Boyer66认为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+电化学梯度，这个梯度的电化学电势驱动ATP的合成。Peter Mitchell3 3、化学渗透学说、化学渗透学说（19611961）chemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesis认为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67Chemiosmotic model膜电位梯度膜电位梯度()HH浓度梯度浓度梯度浓度梯度浓度梯度(pH);pH);Chemiosmotic model膜电位梯度()H浓68机械破坏内膜或解偶联剂实验证据机械破坏内膜或解偶联剂实验证据69人工建立膜两侧质子浓度和电位梯度（没有呼吸底物，没有电子传递，照样产生ATP)人工建立膜两侧质子浓度和电位梯度（没有呼吸底物，没有电子传递70复合体，起质子泵的作用，利用电子传递释放的大部分能量将H+泵出线粒体内膜质子转移假说复合体，起质子泵的作用，利用电子传递释放的大部分能71三、ATP合成机制ATPATP合酶合酶三、ATP合成机制ATP合酶72ATP合酶结构示意图F F0 0F F1 1 3 3当膜外的质子经F0质子通道到达F1时便推动ATP的合成。ATP合酶结构示意图F0F133当膜外的质子经F073质子流如何驱动AP合成？Boyer提出旋转催化假说解释ATP酶作用机理。Walker获得F1的晶体结构支持了Boyer的假说。质子流如何驱动AP合成？Boyer提出旋转催化假说解释AT74“O”状态：有利于ATP释放的构象“”状态：松弛结合ADP和Pi“”状态：催化，紧密结合AP旋转催化假说有与有与有与有与ADPADP与与与与PiPi结合的构象结合的构象结合的构象结合的构象有与有与有与有与ATPATP生成的构生成的构生成的构生成的构象象象象无核苷酸结合无核苷酸结合无核苷酸结合无核苷酸结合的开放状态的开放状态的开放状态的开放状态“O”状态：有利于ATP释放的构象 旋转催化假说有与ADP75X-ray crystallographyX-ray crystallographyThe three The three subunits subunits of Fof F1 1 indeed assume indeed assume three three different different conformationconformations s subunitJohn Walker,1994John Walker,1994X-ray crystallographyThe three77p299-302.p299-302.Fluorescence microscopyFluorescence microscopyDirect observationDirect observationof the rotation ofof the rotation ofthe the subunit subunitp299-302.Fluorescence microsco78p299-302.p299-302.No rotation if ATP is absent or inhibitors of FNo rotation if ATP is absent or inhibitors of F1 1-ATPase-ATPaseis present!is present!Recorded rotation of the actin filament using a CCD cameraRecorded rotation of the actin filament using a CCD camerap299-302.No rotation if ATP is79n即每两个电子经呼吸链传给氧的过程中，消耗的磷原子数与消耗的氧原子数之比（P/O比）。n1940年，（Ochoa S）通过放射性同位素标记实验最先测定，NADH呼吸链P/O 为2-3，FADH2呼吸链P/O 为1-2每一对电子通过呼吸链传递给氧产生的ATP数？即每两个电子经呼吸链传给氧的过程中，消耗的磷原子数与消耗的氧80n研究显示：一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个，通过FADH2呼吸链有6个泵出。n每合成1个ATP需要3个通过ATP合酶，同时，把ATP从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个，所以每形成1mol ATP就需要4个的流动。n因此一对电子通过NADH电子传递链P/O比 2.5（2.5ATP）；一对电子通过FADH2 P/O比 1.5（1.5ATP）研究显示：一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个，81 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联和抑制 解偶联剂四、氧化磷酸化的解偶联和抑制82v 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。v解偶联剂不抑制电子传递。化学解偶联剂：2，4-二硝基苯酚解偶联蛋白、解偶联剂 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832，4-二硝基苯酚（DNP)NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外2，4-二硝基苯酚（DNP)NO2NO2O-NO2NO84解偶联蛋白解偶联蛋白85、氧化磷酸化抑制剂v 直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成的一类化合物。如寡霉素v间接抑制电子传递、氧化磷酸化抑制剂 直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP863.离子载体抑制剂n是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子结合，并作为它们的载体使它们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。缬氨霉素（K+）短杆菌肽（K+、Na+）3.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87五、细胞质NADH的再氧化 线粒体穿梭系统 真核细胞胞液中产生的真核细胞胞液中产生的NADH?NADH?外外膜膜内膜内膜膜间空间膜间空间胞液胞液基质基质NADH+H+NADH+H+FPintFe-SCoQcytbNADH+H+NAD+?五、细胞质NADH的再氧化 真核细胞胞液中产生的NADH88v真核细胞胞液中产生的真核细胞胞液中产生的NADHNADH不能过线粒不能过线粒体内膜，必须经一定穿梭机制才能进入体内膜，必须经一定穿梭机制才能进入经呼吸链氧化。经呼吸链氧化。外外NADHNADH脱氢酶脱氢酶 磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 苹果酸穿梭苹果酸穿梭 真核细胞胞液中产生的NADH不能过线粒体内膜，必须经一定穿梭891、外NADH脱氢酶（真菌和高等植物）NADHNADH脱氢酶脱氢酶（复合物（复合物）n内膜内侧，朝向基质内膜内侧，朝向基质 n催化线粒体内部的催化线粒体内部的NADHNADH脱氢交给其辅基脱氢交给其辅基FMN FMN n将氢传递给将氢传递给CoQCoQ 外外NADHNADH脱氢酶脱氢酶n内膜外侧，朝向膜间空间内膜外侧，朝向膜间空间n是一种以是一种以FADFAD为辅基的黄为辅基的黄素蛋白，催化细胞液的素蛋白，催化细胞液的NADHNADH脱氢交给其辅基脱氢交给其辅基FADFADn将氢传递给将氢传递给CoQCoQ，不经过，不经过复合物复合物，P/OP/O比为比为1.51.51、外NADH脱氢酶（真菌和高等植物）NADH脱氢酶（复90外外膜膜内膜内膜膜间空间膜间空间胞液胞液基质基质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）外膜内膜膜间空间胞液基质NADH+H+NADH+H+NAD+912、磷酸甘油穿梭（P/O=1.5）NAD+NADH+H+P-甘油甘油P-二羟二羟 丙酮丙酮P-甘油甘油P-二羟丙酮二羟丙酮3-P甘油脱氢酶甘油脱氢酶 （胞液）（胞液）FAD FADH23-P甘油脱氢酶甘油脱氢酶 （内膜）（内膜）CoQFe-SFP1 cytb胞液胞液外膜外膜膜间空间膜间空间内膜内膜动物的骨骼肌、脑及昆虫飞翔肌细胞溶胶动物的骨骼肌、脑及昆虫飞翔肌细胞溶胶NADH利用此穿梭利用此穿梭2、磷酸甘油穿梭（P/O=1.5）NAD+NADH+H+P-923、苹果酸穿梭（P/O=2.5）苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NADH+H+苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NADH+H+天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸1243胞液胞液膜间空间膜间空间外膜外膜内膜内膜基质基质1、胞液的苹果酸脱氢酶、胞液的苹果酸脱氢酶 2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶、线粒体基质的苹果酸脱氢酶3、胞液的天冬氨酸转氨酶、胞液的天冬氨酸转氨酶 4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶、苹果酸、苹果酸-酮戊二酸反向交换载体酮戊二酸反向交换载体 天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸反向交换载体谷氨酸反向交换载体1动物心脏及肝脏动物心脏及肝脏胞质溶胶内胞质溶胶内NADH利用此穿梭利用此穿梭3、苹果酸穿梭（P/O=2.5）苹果酸草酰乙酸NAD+NAD93非线粒体氧化系统非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统非线粒体氧化系统，其特点是从底，其特点是从底物脱氢到物脱氢到H2O的生成的生成不是经呼吸链传递到氧，而不是经呼吸链传递到氧，而是经过是经过其它末端氧化酶完成的。其它末端氧化酶完成的。植物体内主要的非线粒体氧化系植物体内主要的非线粒体氧化系统：统：1 1、多酚氧化酶系统、多酚氧化酶系统2 2、抗坏血酸氧化酶系统、抗坏血酸氧化酶系统3 3、植物抗氰氧化酶系统、植物抗氰氧化酶系统非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧94多酚氧化酶系统多酚氧化酶系统酚酚醌醌醌还原酶醌还原酶多酚氧化酶多酚氧化酶与植物木质素的合成有关与植物木质素的合成有关多酚氧化酶系统酚醌醌还原酶多酚氧化酶与植物木质素的合成有关95抗坏血酸氧化酶系统抗坏血酸氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶是一种含酮的氧化酶抗坏血酸氧化酶是一种含酮的氧化酶参与细胞内氨基酸氧化脱羧，糖氧化成酸等反应参与细胞内氨基酸氧化脱羧，糖氧化成酸等反应 抗坏血酸氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶是一种含酮的氧化酶96植物抗氰氧化酶系统植物抗氰氧化酶系统NADHFPCoQCytbCytcCytaa3O2电子不经过电子不经过Cytc Cytaa3，而直接由，而直接由Cytb传给传给O2，有抗氰氧化酶催化，生成有抗氰氧化酶催化，生成H2O2，P/O=1。天南星科海芋属植物具有抗氰呼吸天南星科海芋属植物具有抗氰呼吸植物抗氰氧化酶系统NADHFPCoQCytbCytc97生物氧化与氧化磷酸化课件98