Transcript 生物氧化
第 九 章 生 物 氧 化 Biological Oxidation 一切生命活动都需要能量，维持生命活动的 能量主要有两个来源： 光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作 用将光能转变成有机物中稳定的化学能。 化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧 化作用将有机物质（主要是各种光合作用产 物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变 成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要 能量的各种生命活动。 * 生物氧化的概念(conception of Biological Oxidation) 一切代谢物在细胞内进行的氧化作用称生物氧化 (Biological Oxidation)。主要指糖、脂肪、蛋白质等在体 内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 由于生物氧化通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又 称“细胞呼吸”。 糖 脂肪 O2 CO2和 H2O ADP+Pi 蛋白质 能量 ATP 热能 * 生物氧化与体外氧化之相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子， 遵循氧化还原反应的一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物 （CO2，H2O）和释放能量均相同。 * 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 细胞内：体温，pH接近中性。 酶促反应，逐步进行，能量逐 步释放生 成 ATP。 ——反应 条 件、产能方式 条件剧烈，能量突然释 广泛的脱氢反应使物质能间接 获得氧；脱下的氢与氧结合产 生H2O。有机酸的脱羧反应生 成CO2 。——氧化、 CO2 生成 方式 产生的CO2、H2O由物质 放。 中的碳和氢直接与氧结 合生成。 * 生物氧化的一般过程 糖原 葡萄糖 三酯酰甘油 蛋白质 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TCA CO2 2H ADP+Pi 呼吸链 ATP H2O 生物氧化的方式和特点 一、生物氧化的方式 1、脱电子 2、脱氢 3、加氧 生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进 行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物 氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。 1．脱氢氧化反应 （1）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。 烷基脂肪酸脱氢 琥珀酸脱氢 COOH COOH C H2 CH C H2 CH COOH COOH + 2H + + 2e - 醛酮脱氢 乳酸脱氢酶 O OH C H 3C C O O H C H 3C H C O O H N AD + N ADH （2）加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。 H R C O H 2O H R C OH OH O ø R C OH + 2H + + 2e - 2．氧直接参加的氧化反应 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催 化的生成水的反应。 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例 如： 【甲烷单加氧酶】 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H 2O 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的。 3．生成二氧化碳的氧化反应 （1）直接脱羧作用 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。例如丙酮酸的脱羧。 （2）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。 生物氧化的特点 1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过 程，反应条件温和（水溶液，pH=7和常温）。 2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的 发生。 3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水 脱氢作用直接参与了氧化反应。 4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同 步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子， 通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。 5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由 特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出 来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条 件下释放能量，提高能量利用率。 6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联， 转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。 7、进行生物氧化反应的部位 （1）线粒体 （2）内质网、微粒体、过氧化酶体等 8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化 活动，转化有害废物。 第一节 生物能学的基本概念 Conceptions of biological energetics 生物能学（Bioenergetics） 研究发生在活细胞内能量转换的定量关系， 以及相应化学过程性质和功能的科学。 体系与环境 1、体系：体系又称为系统或物质。热力 学中所说的体系指的是在研究中所涉及的 全部物质的总称，或者说体系是在一个限 定范围内的物质。 2、环境：环境又称为外界，它是指除规 定体系以外的物质的总称，也就是直接与 体系相互作用的外界。 体系的类型： 开放体系：与环境之间有物质交换和能量传 递的体系 封闭体系：与环境之间只有能量传递而不能 发生物质交换的体系。 隔离体系：与环境既不能进行物质交换也不 能进行能量传递的体系。 生物体属于开放体系。具体体现在物质的代 谢和能量的转化。能量转化遵循热力学的两 个定律。 生物体系——开放 体系open system 一、生物体能量的转换遵循热力学定律 热力学第一定律（能量守恒定律） 能量即不能创造也不能消灭，只能从一种形 式转变为另一种形式。 生命活动所需要的能量来自物质的分解代 谢。生命机体内的机械能、电能、辐射能、 化学能、热能等可以相互转变，但生物体与 环境的总能量将保持不变。 热力学第二定律 热的传导只能由高温物体传至低温物体。即 把原来集中于高温物体的能量分散到与它相 联系的环境的质点中。热的自发地传导是不 可逆的。 因此可看出，自发过程都向能量分散程度增 大的方向进行。 任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于 增加体系与环境的总熵。 1. 能量的守衡与转化 热力学第一定律(能量守恒定律): ΔU = Q -W ΔU—体系内能的变化，Q—体系变化时吸收的热量， W—体系做的功 内能变化与反应途径无关: 葡萄糖氧化, 2872kJ/mol 恒压下化学反应： ΔU = Qp - p·ΔV， 令Qp = ΔH，ΔH = ΔU + p·ΔV ΔV—体积变化，p —压力，H —状态函数 焓(enthalpy) 2. 熵与自由能 熵（S）：是指混乱度或无序性，它代表 着体系能量分散的程度，反映体系中质点运动 混乱程度。 一个过程只有当其体系和周围环境的熵值总 和增加时才能自发进行。ΔS > 0 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O 7分子 → 12分子 大分子 → 小分子 固体 → 气体 + 液体 自由能 1、生化反应中自由能及自由能的变化： （1）自由能：自由能是生物体（在恒温恒压下）用以 作功的能量。也就是说，生物体用以做功的能量正是 体内化学反应所释放的自由能。在没有作功条件时， 自由能将转变为热能丧失。 （2）自由能、总热能和熵三者的关系 ΔG（反应前后自由能的变化） =ΔH（总热能的变化，体系焓变）-T（绝对温度） ΔS （总熵变化） 也就是说一个系统的总热量减去不能做功的那部分 能量后就是这个系统的自由能，而不能做功的那部分 能量（熵）是直接受着温度影响的，所以要乘以T。 自由能变化的意义 判断过程能否自发进行 当 ΔG＜0时，即产物的自由能小于反应物的自由能，表示 体系的反应能自发进行（为放能反应）； 当ΔG＞0时，即产物的自由能大于反应物的自由能表示反 应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行 （为吸能反应）； 当ΔG＝ 0时，即产物的自由能等于反应物的自由能，表明 体系已处于平衡状态。 3. 标准自由能变化与平衡常数 化学反应自由能变化(ΔG) ：反应物自由能总和与产 物自由能总和之差 标准自由能变化(ΔG0): 标准条件(25℃/ 298K, 1 atm 大气压)下的自由能变化 生物化学反应自由能变化(ΔG0’): 标准条件 (25℃/298K, 1 atm 大气压, pH=7)下的自由能变化 标准状况下化学反应的平衡常数: aA + bB ↔ cC + dD Keq = [C]c [D]d [A]a [B]b 自由能变化: ΔG =ΔG0’ + RTln [C]c [D]d [A]a [B]b 或 ΔG =ΔG0’ + RTlnKeq 反应平衡时: ΔG = 0: ΔG0’ = - RTlnKeq=-2.303RTlogKeq pH=7.0 ΔG0’ =-2.303RTlogKeq’ R—气体常数；T—绝对温度 二、生物化学中能量变化的一些规定 当水作为反应物或产物时，水的浓度规定为1 生物化学的标准状态：pH=7.0 ，25℃ ，△G0' 自由能的变化值使用焦耳或千焦耳/摩尔 三、高能生物分子 high-energy biological molecules 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起着重 要作用。 许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自 由能。 一般将水解时能够释放25 kJ /mol以上自由能 （ G’< -25 kJ / mol）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。 1，3-二磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 磷酸型的高能化合物 焦磷酸 ATP、 ADP 磷酸精氨酸 磷酸肌酸等 酰基辅酶A 非磷酸型的高能化合物 S-腺苷甲硫氨酸等 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。 能量的贮存物质 磷酸肌酸：在可兴奋组织，如肌肉、神经组织， 磷酸肌酸是脊椎动物能量的贮存形式。 磷酸精氨酸：为无脊椎动物如蟹和龙虾等肌肉中 能量的贮存形式。 但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必 须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动 之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化 完成。被称为“ATP缓冲剂”。 C～P + ADP CPK C + ATP 人体肌肉中磷酸肌酸的含量及其再合成速度是运动 员速度素质的物质基础。 4. ATP在生物能量转换中 的特殊作用 ATP的结构特征 1、ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂 。是能量的 携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。 2、ATP为磷酸基团共同中间传递者 生物氧化实质上就是指氧化磷酸化，是 NADH和FADH2上的电子通过一系列电 子传递载体传递给O2，伴随NADH和 FADH2的再氧化，将释放的能量使ADP 磷酸化形成ATP的过程。 第二节 线粒体氧化体系 Mitochondrial oxidation system 呼吸链 (respiratory chain) 代谢物脱下的成对氢原子（2H），在线粒体内膜 上，通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递， 最终与氧结合生成水，这种形式的氧化过程称为呼吸 链 (respiratory chain)又称电子传递链 (electrontransport chain)。 细胞对其燃料物质的彻底氧化是形成CO2和H2O。 CO2是通过TCA循环形成的；水则是在电子传递过程的 最后阶段生成的。 电子传递链在原核细胞存在于质膜上；真核存在于 线粒体内膜上。 1. 呼吸链的组成 四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) 人线粒体呼吸链复合体 复合体 酶名称 多肽链数 辅基 复合体Ⅰ N A D H -泛 醌 还 原 酶 39 F M N ， F e-S 复合体Ⅱ 琥 珀 酸 -泛 醌 还 原 酶 4 F A D ， F e-S 复合体Ⅲ 泛 醌 -细 胞 色 素 C 还 原 酶 复合体Ⅳ 细 胞 色 素 c氧 化 酶 10 铁 卟 啉 ， F e-S 13 铁 卟 啉 ， Cu * 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 (1) 复合体Ⅰ: NADH-CoQ还原酶(NADH脱氢酶) 多酶复合物，包括黄素蛋白和铁硫蛋白（非 血红素铁蛋白，铁硫中心），第一个质子泵。 复合体Ⅰ NADH→ FMN; Fe-S →CoQ NADH：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（脱氢酶辅酶，VitPP） FMN：黄素单核苷酸（黄素酶辅酶，,黄色, VitB2） Fe-S：铁硫簇（铁硫蛋白辅酶） CoQ：辅酶Q /Q（UQ）/泛醌(ubiquinone) 分别由核和线粒体两个不同的基因组编码构成。 NAD+（NADP+）和NADH（NADPH） 相互转变 FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯 嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMN• 。 NADH + H+ + FMN → FMNH2 +NAD+ 铁硫蛋白中辅基铁硫簇/中心(Fe-S) ，其中 铁原子可进行Fe2+ Fe3+ +e 反应传递电子。 FeS Fe2S2 Fe4S4 铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下 传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子。 Cys S Cys S Cys S Cys S Fe3+ S S Fe3+ S Fe3+ S Fe2+ S Cys S Cys S Cys S Cys +e- CoQ / Q（UQ）/泛醌(ubiquinone) 脂溶性, 由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，氧化还 原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。 后来发现它是呼吸链中唯一不与蛋白质结合的电子载体，故 称为泛醌更为恰当。 人和哺乳动物组织中的泛醌其侧链有10个异戊二烯单位，以 Q10表示。 复合体Ⅰ的功能 NADH+H+ FMN 脱氢酶 黄素蛋白 NAD+ FMNH2 2还原型Fe2+-S 铁硫蛋白 2氧化型Fe3+-S 将H+和e-从NADH传递到CoQ 质子泵 (proton pump) CoQ CoQH2 (2) 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶 包括以FAD为辅基的黄素蛋白及铁硫中心 复合体Ⅱ 琥珀酸→ FAD; Fe-S →CoQ FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素酶辅酶，VitB2） 作用: 将H+和e-从FAD传递到CoQ 琥珀酸 延胡索酸 (3) 复合体Ⅲ: 泛醌-细胞色素c还原酶 /细 胞色素bc1复合体 由细胞色素b、细胞色素c1、Fe-S组成 作用：将电子从泛醌传递给细胞色素c，质子泵 复合体Ⅲ QH2→ Cyt b; Fe-S; Cytc1 →Cyt c 细 胞 色 素（Cytochrome, Cyt） 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的电子传递 蛋白。 Fe2+ ↔ Fe3+ + e 因特殊吸收光谱呈红色或褐色，依吸收光谱 不同分3类：Cyt a，Cytb， Cyt c；各下分若干 亚类。 复合体III的Q循环 （4） 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶 线粒体内膜跨膜蛋白，含细胞色素a，a3，Cu原子 作用：将电子从细胞色素c传递给氧，质子泵 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → Cyt a，a3，Cu → O2 CO O H FAD Fe *S Cyt b 2H CH 2 C H 2 CO O H 2e 2H SH 2 S CoQ CoQ H 2 2e - NAD FM N H 2 2H + Fe S NADH +H 2H Cyt-Fe 2+ Fe-S b Fe-S Cyt-Fe 3+ 2e FM N Fe S - ¸´ºÏÎïII £¨çúçêËáÍÑÇâø£© 2Cyt-Fe 2+ CoQ CoQ H 2 2e ¸´ºÏÎïI £¨NADH-·ºõ«»¹Ô-ø£© - Cyt-Fe 2+ Cyt-Fe 3+ c1 Cyt-Fe 2+ c 2e - Cyt-Fe 3+ 2e - 2e 1 £- O 2 2 O 2- 2Cyt-Fe 3+ 2H + - Cyt-Fe 2+ Cyt-Fe 3+ 2e - Cyt-Fe 3+ 2H + ¸´ºÏÎïIII £¨·ºõ«£-ϸ°ûÉ«ËØc»¹Ô-ø£© 2e 1 £- O 2 2 a3 a Cyt-Fe 2+ H 2O ¸´ºÏÎïIV £¨Ï¸°ûÉ«ËØcÑõ»¯Ã¸£© £- O 2- H 2 O 2. 呼吸链成分的排列顺序——测定 呼吸链各组分氧化还原电势 • 氧化还原反应: 电子转移反应 • 化学电池: Zn = Zn2+ + 2eCu2+ + 2e- = Cu • 氧化还原电势: 还原剂失电子 氧化剂得电子 Cu Green solution of Zn2+ ions 生物体内的氧化还原反应原理与 化学电池相同 按标准氧还电位递增值确定的呼吸链各传递 体的排列顺序是目前一致认可的方法。 在生物化学中，以（E0′）值来表示氧化还原 剂对电子的亲和力。 根据氧化还原原理（E0′）值愈低的氧还对释 出电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂，因 而排列于呼吸链的前面。 呼吸链的结构形式 (organization of respiratory chain)： NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 FADH2氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →Q →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 NADH氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链由复合物Ⅰ、复合物Ⅲ、复合物Ⅳ组成。 琥珀酸氧化呼吸链 又叫FADH2氧化呼吸链。 琥珀酸氧化呼吸链由复合物Ⅱ、复合物Ⅲ、复合物Ⅳ组成。 三. 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 氧化磷酸化是指呼吸链电子传递过程中偶联 ADP磷酸化，即将电子传递过程中产生的自 由能用于ATP合成，又称为偶联磷酸化 (coupling phosphorylation )。 氧化磷酸化作用和底物水平磷酸化作用有原则 的区别： 氧化磷酸化作用是指直接与电子传递链相偶联 的由ADP形成ATP的磷酸化作用。 底物水平的磷酸化是指ATP的形成直接由一个 代谢中间产物上的磷酸基团转移到ADP分子上 的作用。 底物水平磷酸化见于下列三个反应： 3-磷酸甘油酸激酶 1,3-二磷酸甘油酸+ADP 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP 丙酮酸激酶 丙酮酸+ATP 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酰CoA+H3PO4+GDP 琥珀酸+CoA+GTP 1. 氧化磷酸化作用机制 化学偶联（chemical coupling） 构象偶联（Conformational coupling） 化学渗透学说(The chemiosmotic theory) 化学偶联假说 1953年Edward Slater最先提出。 主要论点：认为电子传递过程产生一种活泼 的高能化合物，该物质的裂解驱动氧化磷酸 化作用。 例证：糖酵解过程中ATP的产生。 不支持的原因：在电子传递体系磷酸化过程 中不存在活泼的高能化合物。 构象偶联假说： 1964年Paul Boyer最先提出。 主要论点：认为电子沿电子传递链传递时，线 粒体内膜蛋白质组分的构象发生了变化，形成 高能形式，然后通过ATP的合成而恢复。 不支持的原因：未找到有力的证据。 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时， 可将质子（H+）从线粒体内膜 的基质侧泵到内膜胞浆侧，产 生膜内外质子电化学梯度—— 质子驱动力。当质子经质子通 道（F0）回流时驱动ATP生成。 在1961年由Mitchell提出，在 1978年获得诺贝尔化学奖。 H+ 内外膜间隙 内膜 e H+ O ADP +Pi ATP 线粒体基质 电子传递给氧释出的能量推动质子泵 H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成 化学梯度（势能） 当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP 质子梯度的形成 胞液侧 4 H+ + Cyt c 4 H+ + + + + + 2 H+ + + + Q - Ⅰ F Ⅱ - - Ⅲ NAD+ 琥珀酸 0 Ⅳ - - - 延胡索酸 NADH+H+ + 1/2O2+2H+ - - - H2 O F1 基质侧 ADP+Pi ATP H+ NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的 作用，将H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。 H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回 内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电 位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。 当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过 嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化 学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。 支持化学渗透假说的实验证据： (1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 (2) 线粒体内膜对H+、OH-、K+、Cl-等都是不通透的。 (3) 破坏H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑 制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。 (4) 线粒体电子传递所形成的电子流能够将H+从线粒体 内膜逐出到线粒体膜间隙。 (5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质 子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 (6) 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有 关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的 高能存在形式。 H+如何通过电子传递链“泵”出的？ 2. ATP合酶( ATP synthase) 结构 F1：催化ATP合成 （α3β3γδε亚基 ） F0：穿膜质子通道 （a1b2c9～12亚基） ATP的合成机制— FOF1-ATP合酶 线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球 状颗粒，称为FoF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复合体 或ATP合酶，是ATP合成的场所。 它由Fo、F1两部分组成，其中Fo由4种6条不同的肽 链组成，是复合体的柄（含质子通道），镶嵌到 内膜中.F1由5种9条肽链组成，呈球状，是复合体 的头，与Fo结合后这个头伸向膜内基质。 Fo是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP合成 的部位，当膜外的质子经Fo 质子通道到达F1 时便 推动ATP的合成。 亚线粒体结构证明FoF1-ATP合酶中FoF1的功能 1960年，E.Racker的氧化磷酸化的重组实验： 有电子传递能力 但不能使ADP磷酸化 胰蛋白酶 或尿素 超声波 重 组 亚线粒体囊泡 具备氧化磷酸化能力 ATP合成机制——结构变化机制 质子回流，F0构 象变化 F1单元3种构象: T态: 活性态 L态: ADP+Pi O态: 非活性态 质子流驱动 “转 态” , ATP 形成 3. ATP从线粒体向胞浆的转运 每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆 需4个H＋回流进入线粒体基质中 ADP ATP 3H+ H2PO4- H+ 胞液侧 F 0 基质侧 腺苷酸 转运蛋白 F1 磷酸 转运蛋白 H2PO4- H+ ATP ADP 3H+ 4. P/O比 物质氧化时，每消耗1摩尔原子氧时生成的 ATP的摩尔数。 NADH呼吸链 P/O 为 2.5 FADH2呼吸链 P/O 为 1.5 质子消耗与ATP形成 传递1对电子经： NADH—CoQ还原酶, 4H+泵出 细胞色素bc1还原酶 , 4H+泵出 细胞色素氧化酶, 2H+ 泵出 1个ATP——3 H+回流 ATP进入胞浆——1 H+ 1分子ATP—— 4 H+ NADH呼吸链产生 2.5分子ATP FADH2呼吸链产生1.5分子ATP 10个H+泵出 5. 氧化磷酸化作用的控制 ATP/ADP对氧化磷酸化作用的调控： ADP浓度与氧化磷酸化速度成正比——呼吸控制 四. 氧化磷酸化的解偶联和抑制 1. 电子传递抑制剂 抗霉素A × × 鱼藤酮 杀粉蝶菌素 安密妥 CO、CN-、 N3-及H2S × 2. 氧化磷酸化的解偶联 能使电子传递的氧化还原过程与ATP的形成过 程分离的作用为解偶联作用（uncoupling）。 具有解偶联作用的试剂为解偶联剂（2, 4-二硝 基苯酚、解偶联蛋白）：抑制ATP形成，不抑制电 子传递，自由能→热能。 2, 4 - 二硝基酚（DNP）的解偶联机制 破坏了跨膜梯度的形成，这种破坏H离子梯度而引起 解偶联现象的试剂又称质子载体试剂。 解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体膜） 热能 H+ 胞液侧 Cyt c 解偶联 蛋白 Q Ⅰ Ⅱ F Ⅲ Ⅳ 基质侧 o F1 ADP+Pi ATP H+ 3. 氧化磷酸化抑制剂 作用特点：通过抑制ATP合成酶，使电子传递停止， 氧的消耗停止 并不直接抑制电子传递链上载体的作用，与电子传 递抑制剂不同。 抑制剂：寡霉素 (oligomycin) 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 DNP是解偶联试剂，可明显加快呼吸作用。 寡霉素的抑制作用 阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成 寡霉素 离子载体抑制剂 是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一 价阳离子结合，并作为他们的载体使他们 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+） 五. 线粒体外NADH的氧化 胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体， 再经呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有： 磷酸甘油穿梭系统 (glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统 (malate-asparate shuttle) 1、磷酸甘油穿梭系统： α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。 线粒体外的NADH在胞液中磷酸甘油脱氢酶的催 化下，使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油，后 者通过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜近胞 液侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二 羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外 膜至胞液，继续进行穿梭，而FADH2则进入琥珀 酸氧化呼吸链。 1. 磷酸甘油穿梭系统（脑、骨骼肌） C H 2O H C H 2O H NADH+H+ C=O C=O C H 2O - P i C H 2O - P i 磷酸二羟丙酮 α-磷酸甘油 脱氢酶 NAD+ 呼吸链 FADH2 FAD C H 2O H C H 2O H CHOH CHOH C H 2O - P i C H 2O - P i α-磷酸甘油 线粒体 外膜 膜间隙 线粒体 内膜 线粒体 基质 2、苹果酸穿梭系统： 苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。胞液 中的NADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸 还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α-酮戊二 酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的 作用下重新生成草酰乙酸和NADH。线粒体内生成 的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后 者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙 酸，继续进行穿梭。 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（肝、心肌） ③酮戊二酸转运蛋白 ④酸性氨基酸转运蛋白 1. -磷酸甘油穿梭 （glycerol- -phosphate shuttle） [部位]脑、骨骼肌 [催化酶]磷酸甘油脱氢酶（FAD） [能量生成]经呼吸链运至胞浆中1.5个ATP，在脑与骨骼 肌组织中，1分子葡萄糖彻底氧化生成30分子ATP 2.苹果酸-天冬氨酸穿梭 （malate-aspartate shuttle） [部位]肝、心肌 [催化酶]苹果酸脱氢酶（NAD+）、谷草转氨酶 [能量生成]经呼吸链运至胞浆中2.5个ATP，在肝与心肌 组织中，生成32ATP。