生物化學(xué)（下）：24 生物氧化

1、第九單元第九單元 生物能學(xué)與生物氧化生物能學(xué)與生物氧化l第第20章章 生物能學(xué)（生物能學(xué)（P23）l第第24章章 生物氧化生物氧化 電子傳遞和氧化磷酸化作用電子傳遞和氧化磷酸化作用(P114)Biochemistry第第2424章章 生物氧化生物氧化 電子傳遞和氧化磷酸化作用電子傳遞和氧化磷酸化作用生物氧化生物氧化(biological oxidation) ： 糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)氧化分解生糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)氧化分解生成二氧化碳和水并放出能量形成成二氧化碳和水并放出能量形成ATP的過程。的過程。l一、氧化一、氧化還原電勢還原電勢l二、電子傳遞和氧化呼吸鏈二、電子傳遞和氧

2、化呼吸鏈l三、氧化磷酸化作用三、氧化磷酸化作用Biochemistry一一、氧化氧化還原電勢還原電勢l 生物氧化生物氧化實質(zhì)上就是指實質(zhì)上就是指氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,是是NADH和和FADH2上的電子通過一系列電上的電子通過一系列電子傳遞載體傳給子傳遞載體傳給O2,伴隨伴隨NADH和和FADH2的再氧化，將釋放的再氧化，將釋放的能量使的能量使ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP的過程。的過程。l凡是反應(yīng)中有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學(xué)反凡是反應(yīng)中有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)稱為應(yīng)稱為氧化氧化-還原反應(yīng)還原反應(yīng)（oxidat

3、ion-reduction reactions）。l提供電子的分子稱為提供電子的分子稱為還原劑還原劑（reducing agent或或reductant）,接受電子的分子稱為接受電子的分子稱為氧化劑氧化劑（oxidizing agent或或oxidant）。l物質(zhì)失去電子后，稱為物質(zhì)失去電子后，稱為氧化型氧化型，氧化型再得到電子又成為，氧化型再得到電子又成為還原型。還原型。？不是實不是實質(zhì)而是質(zhì)而是主要主要l(一一)氧化氧化還原電勢還原電勢 l(二二)生物體中某些重要的氧化生物體中某些重要的氧化還原電勢還原電勢 ( 見見P117表表24-1 )l(三三)電勢和自由能的關(guān)系電勢和自由能的關(guān)系 l

4、(四四)標(biāo)準(zhǔn)電動勢和平衡常數(shù)的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)電動勢和平衡常數(shù)的關(guān)系一一、氧化氧化還原電勢還原電勢(一一)氧化氧化-還原電勢還原電勢(P115)l氧化還原電勢：氧化還原電勢： 還原劑失去電子的傾向或氧化劑獲得電子的傾向。還原劑失去電子的傾向或氧化劑獲得電子的傾向。l 發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為陰極或負(fù)極。發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為陰極或負(fù)極。l 發(fā)生還原反應(yīng)的電極為陽極或正極。發(fā)生還原反應(yīng)的電極為陽極或正極。(三)電勢和自由能的關(guān)系電勢和自由能的關(guān)系（P117） G = Wmax = - n F E其中其中 Wmax為最大功為最大功 G為體系自由能的變化，為體系自由能的變化，自發(fā)反應(yīng)為負(fù)值自發(fā)反應(yīng)為負(fù)值 E 為相

5、應(yīng)反應(yīng)的電勢差為相應(yīng)反應(yīng)的電勢差 n為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目 F為法拉第常數(shù)為法拉第常數(shù) = 23.062 kcal/Vmol = 96.49 kJ/Vmol(四四)標(biāo)準(zhǔn)電動勢標(biāo)準(zhǔn)電動勢 和平衡常數(shù)和平衡常數(shù)(Keq)的關(guān)系的關(guān)系(P118) R T Eo = lnKeq n FR R是氣體常數(shù)（是氣體常數(shù)（8.314J/L8.314J/L. .mol)mol)，T T是絕對溫度是絕對溫度(298K(298K）。見）。見P P2929二二、電子傳遞和氧化呼吸鏈電子傳遞和氧化呼吸鏈l(一一)電子傳遞過程電子傳遞過程 l(二二)呼吸鏈概念的建立呼吸鏈概念的建立l

6、(三三)電子傳遞鏈電子傳遞鏈 l(四四)電子傳遞鏈各個成員電子傳遞鏈各個成員 l(五五)電子傳遞的抑制劑電子傳遞的抑制劑 Biochemistry(一一)電子傳遞過程電子傳遞過程 l 電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一系列按系列按電子親和力遞增電子親和力遞增順序排列的電子載體所順序排列的電子載體所構(gòu)成的構(gòu)成的電子傳遞鏈電子傳遞鏈傳遞到氧的過程。傳遞到氧的過程。l這些電子載體都具有氧化這些電子載體都具有氧化- 還原作用。還原作用。Biochemistryl 據(jù)計算，據(jù)計算，還原性輔酶（還原性輔酶（NADH+H+)所釋放的自由能超過所釋放的自由能超過3個個

7、ATP的自由能含量，這有利于推動電子的轉(zhuǎn)移，有利于的自由能含量，這有利于推動電子的轉(zhuǎn)移，有利于ADP形成形成ATP,有利于形成并維持跨膜電勢。有利于形成并維持跨膜電勢。l NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O + G G = - n F E =-223.062 0.815-(-0.32) = - 52.35kcal （1個個ATP按按 7.3 kcal 計）計）l原核細(xì)胞：原核細(xì)胞：電子傳遞鏈存在于質(zhì)膜上。電子傳遞鏈存在于質(zhì)膜上。l真核細(xì)胞：真核細(xì)胞：電子傳遞鏈存在于線粒體內(nèi)膜上。電子傳遞鏈存在于線粒體內(nèi)膜上。見見P P117117 表表24-1 24-1 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電

8、勢標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O + G G = - n F E = -223.062 0.815-(-0.32)= - 52.35kcal （1個ATP按 7.3 kcal 計）(三三)電子傳遞鏈或呼吸鏈電子傳遞鏈或呼吸鏈 電子傳遞鏈或呼吸鏈電子傳遞鏈或呼吸鏈 本書定義：本書定義：電子從電子從NADH到到O2的傳遞所經(jīng)過的途徑。的傳遞所經(jīng)過的途徑。 代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體遞體,最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的全部體系稱為最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的全部體系稱為

9、電子傳遞鏈或呼吸鏈電子傳遞鏈或呼吸鏈。 在有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種：在有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種： NADH呼吸鏈呼吸鏈 和和 FADH2呼吸鏈呼吸鏈 呼吸鏈主要由呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，大致分組成，大致分4個部分：個部分： NADH-Q還原酶還原酶 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶 細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶 細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶NADH+H+FADH2NADH-Q還原酶還原酶(FMN) 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶CoQ細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原酶還原酶(b,c1）細(xì)胞色素細(xì)胞色素c細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶氧化酶(aa3)n電子傳遞鏈中電子載體及其順序

10、：電子傳遞鏈中電子載體及其順序： O2復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體IVIV(NAD+,FMN,Fe-S,CoQ)(FAD, Fe-S, CoQ)(Cyt-b,Fe-S,Cyt-c1 1)(Cyt-a,a3)基質(zhì)基質(zhì)復(fù)合體復(fù)合體胞液胞液FAD呼吸鏈呼吸鏈 (一一)電子傳遞過程電子傳遞過程 l 電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一系列按系列按電子親和力遞增電子親和力遞增順序排列的電子載體所順序排列的電子載體所構(gòu)成的構(gòu)成的電子傳遞鏈電子傳遞鏈傳遞到氧的過程。傳遞到氧的過程。l這些電子載體都具有氧化這些電子載體都具有氧化- 還原作用。還原作用

11、。Biochemistry呼吸鏈中傳遞體的順序呼吸鏈中傳遞體的順序 aaaa3 3ADP+PiADP+PiADP+Pi G為自由能的變化，放能反應(yīng)為負(fù)值為自由能的變化，放能反應(yīng)為負(fù)值, , E 為相應(yīng)反應(yīng)的電勢差，為相應(yīng)反應(yīng)的電勢差， n為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目 F為法拉第常數(shù)為法拉第常數(shù) = 23.062 kcal/Vmol = 96.49 kJ/Vmol G = - n F E (四四)電子傳遞鏈各個成員電子傳遞鏈各個成員 l1、NADH-Q還原酶還原酶()l2、輔酶、輔酶Ql3、琥珀酸、琥珀酸-Q還原酶還原酶()l4、細(xì)胞色素還原酶、細(xì)胞色素還原酶()

12、l5、細(xì)胞色素、細(xì)胞色素cl6、細(xì)胞色素氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶(IV)1、NADH-Q還原酶還原酶 NADH-Q還原酶還原酶又稱為又稱為NADH脫氫酶脫氫酶，簡稱為，簡稱為復(fù)合體復(fù)合體，是一個具有相對分子質(zhì)量，是一個具有相對分子質(zhì)量88000的大蛋白質(zhì)分子，至的大蛋白質(zhì)分子，至少包含有少包含有34條多肽鏈。該酶是條多肽鏈。該酶是電子傳遞鏈中電子傳遞鏈中3個質(zhì)子泵中個質(zhì)子泵中的第一個的第一個（包括（包括NAD + 、FMN、鐵硫聚簇鐵硫聚簇和和 CoQ ） 。 該酶的作用是先與該酶的作用是先與NADH結(jié)合并將其上的兩個高勢能結(jié)合并將其上的兩個高勢能電子轉(zhuǎn)移到電子轉(zhuǎn)移到FMN輔基上，使輔基上，使N

13、ADH氧化，并使氧化，并使FMN還原，還原，反應(yīng)如下：反應(yīng)如下： NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+ NAD+ + 2H NADH + H+ FMN + 2H FMNH2 FeFe3+ 3+ + e = Fe+ e = Fe2+2+ 因其活性部分含有兩個活潑的硫和兩個鐵原子因其活性部分含有兩個活潑的硫和兩個鐵原子, , 故稱鐵硫聚簇故稱鐵硫聚簇. .NADH-QNADH-Q還原酶還原酶含有含有NADNAD+ +、FMNFMN、 Fe-S Fe-S 和和 CoQCoQ. . NADH-Q NADH-Q還原酶輔基還原酶輔基FMNHFMNH2 2上的電子又轉(zhuǎn)移到上的電子又轉(zhuǎn)移到

14、鐵鐵硫聚簇硫聚簇（Fe-SFe-S）上。它是）上。它是NADH-QNADH-Q還原酶的第二種還原酶的第二種輔基。輔基。鐵鐵硫硫聚聚簇簇2、輔酶輔酶Q類類（泛醌）（泛醌）（半醌中間物）（半醌中間物）（氧化型）（氧化型）（還原型）（還原型） 輔酶輔酶Q(CoQ)Q(CoQ)又稱泛醌，是脂溶性輔酶。又稱泛醌，是脂溶性輔酶。負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)FMNHFMNH2 2到到Cyt bCyt b的電子轉(zhuǎn)移（的電子轉(zhuǎn)移（復(fù)合體復(fù)合體I I 復(fù)合體復(fù)合體 ） 和和FADHFADH2 2到到Cyt bCyt b的電子轉(zhuǎn)移（的電子轉(zhuǎn)移（復(fù)合體復(fù)合體 復(fù)合體復(fù)合體 ）從從CoQCoQ開始，開始，2e2e和和2H2H+ +分別按各

15、自途徑運行分別按各自途徑運行3、琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶l 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶又稱為還原酶又稱為復(fù)合體復(fù)合體，它是嵌在線粒體內(nèi)膜它是嵌在線粒體內(nèi)膜的酶蛋白。完整的酶還包括檸檬酸循環(huán)中使的酶蛋白。完整的酶還包括檸檬酸循環(huán)中使琥珀酸琥珀酸氧化為氧化為延胡索酸延胡索酸的的琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶。l 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶以及其它的酶，將電子從還原酶以及其它的酶，將電子從FADH2轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到COQ上的標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢變化上的標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢變化不能產(chǎn)生足夠的自由能用以合不能產(chǎn)生足夠的自由能用以合成成ATP。因此，。因此，這一步反應(yīng)沒有這一步反應(yīng)沒有ATP的形成的形成。但是，它保但是，它保證證FAD

16、H2上的具有相對高轉(zhuǎn)移勢能的電子進(jìn)入電子傳遞鏈。上的具有相對高轉(zhuǎn)移勢能的電子進(jìn)入電子傳遞鏈。l 琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶含有含有 FAD、鐵硫聚簇、鐵硫聚簇和和 CoQ?；|(zhì)基質(zhì)復(fù)合體復(fù)合體胞液胞液FADFAD4、細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶 ( cytochrome reductase)l 細(xì)胞色素還原酶的名稱多種多樣，又稱細(xì)胞色素還原酶的名稱多種多樣，又稱復(fù)合體復(fù)合體，輔酶輔酶Q-Cyt c還原酶、還原酶、 Cyt bc1復(fù)合體或簡稱復(fù)合體或簡稱bc1.l Cyt還原酶還原酶含有含有Cyt b、鐵硫中心鐵硫中心（2Fe-2S）、 Cyt c1。l Cyt b在細(xì)胞色素還原酶中游離存在，

17、在細(xì)胞色素還原酶中游離存在， Cyt c1共價與蛋共價與蛋白質(zhì)相連。白質(zhì)相連。l 細(xì)胞色素還原酶在呼吸鏈中催化電子從細(xì)胞色素還原酶在呼吸鏈中催化電子從CoQH2轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到Cyt c中。中。CoQH2 Cyt c2Fe+2Fe+復(fù)合體復(fù)合體(Cyt b、鐵硫中心鐵硫中心、 Cyt c1)2H+2e血紅素血紅素b b5 5、CytCyt c c Cyt cCyt c中血紅素與中血紅素與蛋白質(zhì)的連接。蛋白質(zhì)的連接。 Cyt cCyt c在細(xì)胞色素在細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合體還原酶（復(fù)合體）的的Cyt cCyt c1 1和細(xì)胞色素氧和細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體化酶（復(fù)合體IVIV）的）的Cyt aCyt a

18、之間傳遞電子之間傳遞電子。復(fù)合體復(fù)合體- Cyt c1復(fù)合體復(fù)合體IVIV-Cyt a2Fe+2Fe+2Fe+2Fe+Cyt c2e( (細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶) )( (細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶) )6、細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶血紅素血紅素A結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 細(xì)胞色素氧化酶又稱細(xì)胞色素氧化酶又稱CytCyt c c氧化酶氧化酶（氧化（氧化CytCyt c c而得名）而得名）, ,復(fù)合體復(fù)合體IVIV. . Cyt Cyt c c氧化酶是由氧化酶是由CytCyt a a和和CytCyt a a3 3兩個氧化還原單位或兩個氧化還原單位或兩種酶組成。兩種酶組成。a a和和a a3 3二者不可

19、二者不可分，分開無活性分，分開無活性。活性中心?；钚灾行暮泻蠪eFe+和和CuCu+，通過變價傳，通過變價傳遞電子。遞電子。（五）（五）電子傳遞的抑制劑電子傳遞的抑制劑l1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素。、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素。 其作用是阻斷在其作用是阻斷在NADH-Q還原酶內(nèi)的傳遞，因此阻還原酶內(nèi)的傳遞，因此阻 斷了斷了電子由電子由NADH向向CoQ的傳遞的傳遞 (FMNH 2 CoQ)l2、抗霉素、抗霉素A 干擾細(xì)胞色素還原酶中電子從細(xì)胞色素干擾細(xì)胞色素還原酶中電子從細(xì)胞色素b的傳遞作用的傳遞作用,從而從而 抑制電子從還原型抑制電子從還原型CoQ到細(xì)胞色素到細(xì)胞色素c1傳遞作用傳遞

20、作用(b c1)。l3、氰化物，疊氮化物，一氧化碳、氰化物，疊氮化物，一氧化碳 阻斷電子在細(xì)胞色素氧化酶中傳遞作用（阻斷電子在細(xì)胞色素氧化酶中傳遞作用（Cyt aa3 O2)三三、氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用(一一) 線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的結(jié)構(gòu) (二二) 氧化磷酸化作用機(jī)制氧化磷酸化作用機(jī)制 (三三) 質(zhì)子梯度的形式質(zhì)子梯度的形式 (四四) ATP合成機(jī)制合成機(jī)制 (五五) 氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制(六六) 細(xì)胞溶膠內(nèi)細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化的再氧化(七七) 氧化磷酸化的調(diào)控氧化磷酸化的調(diào)控 (八八) 葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算 (九九) 氧的不完全還

21、原氧的不完全還原氧化磷酸化氧化磷酸化 與與 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 定義定義 氧化磷酸化氧化磷酸化(oxiditive phosphorylation): 生物體通過生物氧化所產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持生物體通過生物氧化所產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物ATP中，此種伴隨放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化稱為氧化中，此種伴隨放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化稱為氧化磷酸化作用。磷酸化作用。 底物水平磷酸化（底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）: 是指直接由

22、一個代謝中間產(chǎn)物的高能磷酸基團(tuán)斷裂并轉(zhuǎn)是指直接由一個代謝中間產(chǎn)物的高能磷酸基團(tuán)斷裂并轉(zhuǎn)移到移到ADP分子上生成分子上生成ATP的過程。的過程。 底物氧化時，分子內(nèi)能進(jìn)行了重新分布，形成高能化學(xué)底物氧化時，分子內(nèi)能進(jìn)行了重新分布，形成高能化學(xué)鍵，這一高能鍵鍵，這一高能鍵（可以不是磷酸鍵）（可以不是磷酸鍵）斷裂生成斷裂生成ATP過程。過程。(一一)線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的結(jié)構(gòu)基質(zhì)基質(zhì)嵴嵴內(nèi)膜內(nèi)膜外膜外膜(二二)氧化磷酸化作用機(jī)制氧化磷酸化作用機(jī)制 1 1、ATPATP的合成部位的合成部位 P/O P/O 定義：定義： 每消耗一個每消耗一個O O2 2分子分子( (應(yīng)為原子或應(yīng)為原子或1/2 O1/2

23、O2 2) )生成生成X X個個ATPATP. . NADH NADH呼吸鏈呼吸鏈 P/O = 3 P/O = 3 有三處氧化磷酸化有三處氧化磷酸化生成生成 3 3個個ATPATP FADH FADH2 2呼吸鏈呼吸鏈 P/O = 2 P/O = 2 有兩處氧化磷酸化有兩處氧化磷酸化生成生成 2 2個個ATPATP 2 2、能量偶聯(lián)假說、能量偶聯(lián)假說 （1 1）化學(xué)偶聯(lián)假說）化學(xué)偶聯(lián)假說 （2 2）構(gòu)象偶聯(lián)假說）構(gòu)象偶聯(lián)假說 （3 3）化學(xué)滲透假說）化學(xué)滲透假說 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說認(rèn)為，電子傳遞釋放出的自由認(rèn)為，電子傳遞釋放出的自由能和能和ATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度合成是與

24、一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。也就是，相偶聯(lián)的。也就是，電子傳遞的自由能驅(qū)動電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙,從而形成跨線從而形成跨線粒體內(nèi)膜的粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。電化學(xué)梯度。這個梯度的電化學(xué)電這個梯度的電化學(xué)電勢驅(qū)動勢驅(qū)動ATP合成合成.(見圖見圖24-18 )（3 3）化學(xué)滲透假說簡述化學(xué)滲透假說簡述圖圖24-1824-18化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖 圖中表明電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€圖中表明電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€H H+ +離子泵（質(zhì)子泵）使離子泵（質(zhì)子泵）使H H+ +從線粒體從線粒體基質(zhì)排到內(nèi)膜外，在內(nèi)膜外面的基質(zhì)排到內(nèi)膜

25、外，在內(nèi)膜外面的H H+ +濃度比膜內(nèi)高，即形成一種濃度比膜內(nèi)高，即形成一種H H+ +濃度梯度，所產(chǎn)生的電化學(xué)電勢濃度梯度，所產(chǎn)生的電化學(xué)電勢驅(qū)動驅(qū)動H H+ +通過合成酶系統(tǒng)的通過合成酶系統(tǒng)的F F0 0F F1 1 ATPATP酶分子上的特殊通道回流到酶分子上的特殊通道回流到線粒體基質(zhì)，同時釋放自由能與線粒體基質(zhì)，同時釋放自由能與ATPATP的合成相偶聯(lián)。的合成相偶聯(lián)。 電子傳遞的電子傳遞的自由能驅(qū)動自由能驅(qū)動H H+ +從從線粒體線粒體基質(zhì)基質(zhì)跨過跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙隙, ,從而形成跨從而形成跨線粒體內(nèi)膜的線粒體內(nèi)膜的H H+ +電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度 這個梯度的電化學(xué)電勢

26、驅(qū)動這個梯度的電化學(xué)電勢驅(qū)動H H+ +通過通過ATPATP合酶的特殊通合酶的特殊通道，回流到線粒體基質(zhì)，同時釋放能量用于合成道，回流到線粒體基質(zhì)，同時釋放能量用于合成ATPATP。( (見圖見圖24-18 )24-18 ) 注意：注意： “合酶合酶”與與“合成酶合成酶”區(qū)區(qū)別，合酶在催化別，合酶在催化反應(yīng)中沒有反應(yīng)中沒有ATPATP直接參加反應(yīng)，直接參加反應(yīng)，如若如若ATPATP直接參直接參加反應(yīng)，則是合加反應(yīng)，則是合成酶。成酶。(三三)質(zhì)子梯度的形式質(zhì)子梯度的形式 1、質(zhì)子泵出是需能過程、質(zhì)子泵出是需能過程 電子傳遞驅(qū)動電子傳遞驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)

27、入到膜間隙,結(jié)結(jié)果果造成線粒體內(nèi)膜基質(zhì)的造成線粒體內(nèi)膜基質(zhì)的H+濃度低于間隙濃度低于間隙，線粒體，線粒體基質(zhì)形基質(zhì)形成負(fù)電勢，而間隙形成正電勢，成負(fù)電勢，而間隙形成正電勢，這樣就產(chǎn)生了質(zhì)子動勢。這樣就產(chǎn)生了質(zhì)子動勢。所需能量來于電子傳遞。所需能量來于電子傳遞。 2、質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)制有兩種假設(shè)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)制有兩種假設(shè) （1）氧化還原回路機(jī)制氧化還原回路機(jī)制（圖（圖24-20） （2）質(zhì)子泵機(jī)制質(zhì)子泵機(jī)制 （3）合成一個合成一個ATP需需2-3個跨膜質(zhì)子（個跨膜質(zhì)子（H+） ( (四四) )ATPATP合成機(jī)制合成機(jī)制 1、亞線粒體結(jié)構(gòu)亞線粒體結(jié)構(gòu)(P134圖圖24-22)。 2、 ATP合酶合酶

28、-F1單元和單元和F0單元結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)（見圖（見圖24-21）。）。 3、質(zhì)子流通過、質(zhì)子流通過 ATP合酶合酶,同時釋出與酶牢固結(jié)合的同時釋出與酶牢固結(jié)合的 ATP分子。分子。 從圖從圖24-24和和24-18可見，可見，ATP合酶的作用由質(zhì)子動力驅(qū)動，合酶的作用由質(zhì)子動力驅(qū)動，這種動力由這種動力由pH梯度和梯度和膜膜電勢產(chǎn)生的。電勢產(chǎn)生的。 0.18V的電勢差可導(dǎo)致的電勢差可導(dǎo)致F0-F1接頭處的接頭處的 H+濃度比濃度比F0通道入口處高通道入口處高10001000倍。倍。也就是，也就是，0.18V電勢產(chǎn)生的濃度梯度和膜兩邊電勢產(chǎn)生的濃度梯度和膜兩邊3個個pH單位差所產(chǎn)生的濃單位差所產(chǎn)生的

29、濃度梯度是相同的。如果有度梯度是相同的。如果有3個個H+通過通過ATP合酶的合酶的F0-F1接頭處，接頭處，即導(dǎo)致合成一個即導(dǎo)致合成一個ATP分子分子.線粒體及線粒體及亞線粒體結(jié)構(gòu)亞線粒體結(jié)構(gòu)基質(zhì)基質(zhì)嵴嵴內(nèi)膜內(nèi)膜外膜外膜P P134134圖圖24-2224-22ATP酶對氧化磷酸化的作用基質(zhì)基質(zhì)復(fù)合體復(fù)合體胞液胞液ATPATP合酶合酶 ATPATP合酶合酶（ATPase) 由由FoFo和和 F F1 1兩單元構(gòu)成。兩單元構(gòu)成。 F F1 1 是球狀結(jié)是球狀結(jié) 構(gòu)，由構(gòu)，由5 5種不種不同多肽鏈組成。同多肽鏈組成。Fo Fo 是跨線粒體內(nèi)膜的疏水蛋白。是跨線粒體內(nèi)膜的疏水蛋白。 FoFo：英文字

30、母：英文字母o o，不是數(shù)字，不是數(shù)字0 0見圖見圖24-2124-21 Fo-F Fo-F1 1接頭處的接頭處的 H H+ +濃度比濃度比FoFo通道通道入口處高入口處高10001000倍倍(五五)氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制 1、特殊試劑的解偶聯(lián)作用、特殊試劑的解偶聯(lián)作用 根據(jù)影響方式不同可分為三大類，根據(jù)影響方式不同可分為三大類， 一類稱為解偶聯(lián)劑一類稱為解偶聯(lián)劑（2，4-二硝基酚二硝基酚），）， 另一類稱為氧化磷酸化抑制劑另一類稱為氧化磷酸化抑制劑 （寡霉素寡霉素），）， 第三類稱為離子載體抑制劑第三類稱為離子載體抑制劑（纈氨霉素纈氨霉素）。 2、激素控制褐色脂肪線

31、粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)機(jī)制使、激素控制褐色脂肪線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)機(jī)制使產(chǎn)生熱量產(chǎn)生熱量 這類抑制劑直接干擾這類抑制劑直接干擾ATPATP的形成。例：寡霉素的形成。例：寡霉素抑制氧的利用，又抑制抑制氧的利用，又抑制ATPATP形成，不直接抑制電形成，不直接抑制電子傳遞鏈上的載體。子傳遞鏈上的載體。這類抑制劑通過增加線粒這類抑制劑通過增加線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性破壞氧化磷酸化作用。透性破壞氧化磷酸化作用。例：纈氨霉素能與例：纈氨霉素能與K+K+結(jié)合，結(jié)合，增加其通透性加以破壞。增加其通透性加以破壞。（六）（六）細(xì)胞溶膠內(nèi)細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化的再氧化l 細(xì)胞溶膠內(nèi)

32、的細(xì)胞溶膠內(nèi)的NADH不能透過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體不能透過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體氧化氧化。因此，需要通過兩種。因此，需要通過兩種“穿梭穿梭”途徑解決途徑解決NADH再氧化問題。在不同組織中，再氧化問題。在不同組織中，NADH再氧化走不同再氧化走不同“穿梭穿梭”途徑。途徑。l1、甘油甘油-3-磷酸穿梭途徑磷酸穿梭途徑在傳遞在傳遞NADH電子中的特殊電子中的特殊作用。作用。l2、蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑天冬氨酸穿梭途徑 細(xì)胞質(zhì)中除細(xì)胞質(zhì)中除細(xì)胞器以外的液細(xì)胞器以外的液體部分稱為細(xì)胞體部分稱為細(xì)胞溶膠。溶膠。1、甘油甘油-3-磷酸穿梭途徑磷酸穿梭途徑在傳遞在傳遞NADH電子中電子中的特殊作用（的

33、特殊作用（P139圖圖24-28)肌肉、神經(jīng)組織等肌肉、神經(jīng)組織等 甘油甘油- - -磷酸穿梭作用磷酸穿梭作用 胞液內(nèi)胞液內(nèi) 甘油甘油- - -磷酸脫氫酶磷酸脫氫酶 線粒體內(nèi)線粒體內(nèi) 甘油甘油- - -磷酸脫氫酶磷酸脫氫酶2、蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑天冬氨酸穿梭途徑(P140圖圖24-29)心臟、肝臟等心臟、肝臟等MDHm = 線粒體蘋果酸脫氫酶線粒體蘋果酸脫氫酶MDHc = 細(xì)胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶細(xì)胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶蘋果酸蘋果酸天冬氨酸天冬氨酸蘋果酸蘋果酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸（八）（八）葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算l 據(jù)當(dāng)前最新測定，據(jù)當(dāng)前

34、最新測定，H+經(jīng)經(jīng)NADH-Q還原酶還原酶、細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原酶還原酶和和細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外的細(xì)從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外的細(xì)胞溶膠側(cè)時，胞溶膠側(cè)時，一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和和4，合合成一個成一個ATP分子是由分子是由3個個H+和一個和一個ATP合酶所驅(qū)動合酶所驅(qū)動。多余。多余的一個的一個H+可能用于將可能用于將ATP從基質(zhì)運往膜外溶膠從基質(zhì)運往膜外溶膠(合成一個合成一個ATP分子實際是由分子實際是由4個個H+完成完成) 。因此。因此一對電子從一對電子從NADH傳傳至氧氣，所產(chǎn)生的至氧氣，所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)是分子數(shù)是2.5

35、個個.這樣，當(dāng)一分子葡這樣，當(dāng)一分子葡萄糖徹底氧化成萄糖徹底氧化成 CO2時所得到的時所得到的ATP分子數(shù)和過去傳統(tǒng)的分子數(shù)和過去傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)（統(tǒng)計數(shù)（38或或36）相比少了）相比少了6個，即個，即30個。個。氧化還原回路機(jī)制（圖24-20）l 呼吸鏈各成員既能完成電子轉(zhuǎn)移，又能轉(zhuǎn)移基質(zhì)中的呼吸鏈各成員既能完成電子轉(zhuǎn)移，又能轉(zhuǎn)移基質(zhì)中的質(zhì)子。在此過程中，一個被還原后接下來又被氧化質(zhì)子。在此過程中，一個被還原后接下來又被氧化,即形即形成一成一 個氧化還原回路。個氧化還原回路。圖圖24-20 24-20 氧化還原回路機(jī)制示意圖氧化還原回路機(jī)制示意圖輔酶輔酶Q Q調(diào)節(jié)氧化磷酸化電子傳遞的質(zhì)子泵調(diào)節(jié)氧

36、化磷酸化電子傳遞的質(zhì)子泵Q Q 循循 環(huán)環(huán)Q Q循環(huán)是對氧化還原回路機(jī)制的補充和設(shè)想循環(huán)是對氧化還原回路機(jī)制的補充和設(shè)想質(zhì)子泵機(jī)制 電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象變化，構(gòu)象變化造成復(fù)合體電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象變化，構(gòu)象變化造成復(fù)合體多肽鏈氨基酸側(cè)鏈多肽鏈氨基酸側(cè)鏈pK值變化，結(jié)果使氨基酸側(cè)鏈暴露在值變化，結(jié)果使氨基酸側(cè)鏈暴露在外，并交替暴露在線粒體內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)，引起質(zhì)子發(fā)生移外，并交替暴露在線粒體內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)，引起質(zhì)子發(fā)生移位流動。這就是質(zhì)子泵機(jī)制。位流動。這就是質(zhì)子泵機(jī)制。合成一個合成一個ATP需需2-3個跨膜質(zhì)子個跨膜質(zhì)子（H+） 在生理條件下，合成一個在生理條件下，合成一個ATP需大約需大約+4050 kJ/mol(912kcal )自由能。這個數(shù)值靠一個質(zhì)子自由能。這個數(shù)值靠一個質(zhì)子流回到線粒體基質(zhì)的跨膜驅(qū)動力是做不到的，至流回到線粒體基質(zhì)的跨膜驅(qū)動力是做不到的，至少需要少需要2個質(zhì)子跨膜驅(qū)動力。試驗結(jié)果表明，合個質(zhì)子跨膜驅(qū)動力。試驗結(jié)果表明，合成一個成一個ATP需需2-3個質(zhì)子（個質(zhì)子（H+）跨膜。）跨膜。 合成一個合成一個A