生物氧化與氧化磷酸化

1、2021/3/142021/3/141 1 新陳代謝是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換的全過程新陳代謝是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換的全過程,是生物體內(nèi)一切化學(xué)變化的是生物體內(nèi)一切化學(xué)變化的 總稱總稱,是生物體表現(xiàn)其生命活動(dòng)的重要特征之一是生物體表現(xiàn)其生命活動(dòng)的重要特征之一,這種新陳代謝一旦停止這種新陳代謝一旦停止,生命就隨之停止生命就隨之停止,結(jié)果便結(jié)果便 是蛋白體的分解。是蛋白體的分解。 第一節(jié) 新陳代謝 2021/3/142021/3/142 2 水解時(shí)釋放自由能大于水解時(shí)釋放自由能大于21 kJ/moL的化學(xué)鍵稱之為高能健（的化學(xué)鍵稱之為高能?。╡nergy-rich bo

2、nd）,常用符常用符 號(hào)號(hào)“”表示。表示。 一、高能鍵類型一、高能鍵類型 二、二、ATP（三磷酸腺苷、腺苷三磷酸）（三磷酸腺苷、腺苷三磷酸） 三、其它高能磷酸化合物三、其它高能磷酸化合物 第二節(jié) 高能化合物 2021/3/142021/3/143 3 一、一、 高高 能能 化化 合合 物物 類類 型型 2021/3/142021/3/144 4 二、二、ATP 腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O- OOO O-O-O- + + + Mg2+ 在在pH=7環(huán)境中環(huán)境中,ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子形式（個(gè)負(fù)電荷的離子形式（A

3、TP4-）, 具有較大勢(shì)能具有較大勢(shì)能,加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定,因而水解自由能很大（因而水解自由能很大（ = -30.5 kJmol-1 ）。 G ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ -30.5 kJmol-1 ATP3- + H2O ADP2- + Pi2- + H+ -33.1kJmol-1 G G 2021/3/142021/3/145 5 在生物體代謝過程中在生物體代謝過程中,氧化放能反應(yīng)和生物合成等需能反應(yīng)互相聯(lián)系氧化放能反應(yīng)和生物合成等需能反應(yīng)互相聯(lián)系,但是多數(shù)情況下但是多數(shù)情況下,產(chǎn)能產(chǎn)能 反應(yīng)和需能反應(yīng)之間不直接偶聯(lián)反應(yīng)和需能反應(yīng)之間不直接偶聯(lián)

4、,彼此間的能量供求關(guān)系主要通過彼此間的能量供求關(guān)系主要通過ATP進(jìn)行傳遞。進(jìn)行傳遞。 2021/3/142021/3/146 6 ATP的特殊作用的特殊作用 “能量通貨能量通貨” 磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體 P P P P ATP P 0 2 10 8 6 4 12 14 磷酸磷酸 基團(tuán)基團(tuán) 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 能能 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 1,3-二磷酸甘二磷酸甘 油酸油酸 磷酸肌酸磷酸肌酸 （ 磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物） 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油磷酸甘油 2021/3/142021/3/147 7 三、其它高能磷酸化合物三、其它高能磷酸化合物 2021

5、/3/142021/3/148 8 1、生物氧化的三個(gè)階段及氧化特點(diǎn)、生物氧化的三個(gè)階段及氧化特點(diǎn) 2、生物氧化的方式、生物氧化的方式 3、產(chǎn)物生成產(chǎn)物生成:CO2、H2O 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和和H2O并釋放出能量的過程并釋放出能量的過程 稱為生物氧化（稱為生物氧化（biological oxidation）,其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列 氧化還原反應(yīng)過程。氧化還原反應(yīng)過程。 第三節(jié) 生物氧化 2021/3/142021/3/149 9 脂

6、肪脂肪 葡萄糖、其它單葡萄糖、其它單 糖糖 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油 多糖多糖 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 小分子化合物分解成共同小分子化合物分解成共同 的中間產(chǎn)物（如的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙丙酮酸、乙 酰酰CoA等）等） 中間物進(jìn)入中間物進(jìn)入TCA,脫下的氫由電脫下的氫由電 子傳遞鏈傳遞給氧生成子傳遞鏈傳遞給氧生成H2O,并并 釋放出大量能量釋放出大量能量,其中一部分通其中一部分通 過磷酸化儲(chǔ)存在過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。中。 大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位 生物氧化的三個(gè)階段生物氧化的三個(gè)階段 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán) 電子傳遞（氧電子傳遞（氧 化）化） e-

7、磷酸化磷酸化 +Pi H2O O= 12 O2 2H+ 2021/3/142021/3/141010 生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的特點(diǎn) 在在活細(xì)胞內(nèi)活細(xì)胞內(nèi)、溫和的生理?xiàng)l件溫和的生理?xiàng)l件下進(jìn)行的。下進(jìn)行的。 一般是在一系列酶和中間傳遞體的作用下一般是在一系列酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行逐步進(jìn)行的。的。 能量主要在氫的氧化過程中能量主要在氫的氧化過程中逐步釋放逐步釋放,釋放的化學(xué)能可轉(zhuǎn)化成高能鍵形式的生物能釋放的化學(xué)能可轉(zhuǎn)化成高能鍵形式的生物能,貯存貯存 在一些特殊的高能化合物中。在一些特殊的高能化合物中。 生物氧化有嚴(yán)格的生物氧化有嚴(yán)格的細(xì)胞空間定位細(xì)胞空間定位。在真核生物細(xì)胞內(nèi)。在真核生物細(xì)胞

8、內(nèi),生物氧化都在線粒體內(nèi)進(jìn)行生物氧化都在線粒體內(nèi)進(jìn)行,在不在不 含線粒體的原核生物細(xì)胞內(nèi)含線粒體的原核生物細(xì)胞內(nèi),生物氧化則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。生物氧化則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。 2021/3/142021/3/1411 11 生物氧化反應(yīng)與體外氧化反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)一樣生物氧化反應(yīng)與體外氧化反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)一樣,都是電子的得失過程。都是電子的得失過程。 在生物氧化中在生物氧化中,既能接受氫（或電子）又能供給氫（或電子）的物質(zhì)既能接受氫（或電子）又能供給氫（或電子）的物質(zhì),起傳遞氫（或電子）的起傳遞氫（或電子）的 作用作用,稱為傳遞氫載體（或電子載體稱為傳遞氫載體（或電子載體,electron carriers

9、）。）。 在反應(yīng)形式上在反應(yīng)形式上,生物氧化反應(yīng)有失電子氧化、加氧氧化、脫氫氧化、加水脫氫氧化等。生物氧化反應(yīng)有失電子氧化、加氧氧化、脫氫氧化、加水脫氫氧化等。 2、生物氧化的方式、生物氧化的方式 1. 失電子氧化反應(yīng)失電子氧化反應(yīng) 2021/3/142021/3/141212 4. 加水脫氫氧化反應(yīng)加水脫氫氧化反應(yīng) 2. 加氧氧化反應(yīng)加氧氧化反應(yīng) 3. 脫氫氧化反應(yīng)脫氫氧化反應(yīng) 2021/3/142021/3/141313 CO2的生成的生成 方式方式:糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物,然后在酶催化下然后在酶催化下脫羧脫羧而生而生

10、成成CO2。 類型類型:直接脫羧和氧化脫羧直接脫羧和氧化脫羧 -脫羧和脫羧和-脫羧脫羧 CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O 丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系 NAD+ NADH+H+CoASH 例：例： +CO2H2N-CH-COOH R 氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶 CH2-NH2 R 2021/3/142021/3/141414 H2O的生成的生成 生物體內(nèi)水生成的方式大致可分為兩種生物體內(nèi)水生成的方式大致可分為兩種:一種是直接由底物脫水一種是直接由底物脫水,另一種是通過呼吸鏈另一種是通過呼吸鏈 生成水。生成水。 底物脫水底物脫水 例例: 由呼吸鏈生成水由呼吸鏈生成水 代謝物在脫氫

11、酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所等）所 接受接受,再通過一系列遞再通過一系列遞 2021/3/142021/3/141515 氫體或遞電子體傳遞給氧而生成氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。 CH3CH2OHCH3CHO NAD+ NADH+H+ 乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶 例例: 12 O2 NAD+ 電子傳遞鏈電子傳遞鏈 H2O 2e O= 2H+ 一、概念一、概念 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所,底物在這里氧化所產(chǎn)生的底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和和FADH2將質(zhì)子和電將質(zhì)子

12、和電 子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上,經(jīng)過一系列經(jīng)過一系列氫載體和電子載體氫載體和電子載體的傳遞的傳遞,最后傳遞最后傳遞給給O2生成生成H2O。這種這種由由 載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈(electron transfer chain, ETC),因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔靡驗(yàn)槠涔δ芎秃粑饔?直接相關(guān)直接相關(guān),亦稱為呼吸鏈亦稱為呼吸鏈。 在具有線粒體的生物中在具有線粒體的生物中,典型的呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括典型的呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括NADH 呼吸鏈和呼吸鏈和FADH2呼吸鏈兩種。呼吸鏈兩種。 第四節(jié)

13、 線粒體電子傳遞體系 2021/3/142021/3/1417 17 NADH呼吸鏈呼吸鏈 H2O 1 2 O2 O2- MH2 還原型代還原型代 謝底物謝底物 FMN FMNH2 CoQH2 CoQNAD+ NADH+H+ 2Fe2+ 2Fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素 b- c1- c -aa3 Fe S 2H+ M 氧化型代氧化型代 謝底物謝底物 FADH2呼吸鏈呼吸鏈 FAD FADH2 琥珀酸琥珀酸 Fe S 2Fe2+ 2Fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素 b- c1 - c-aa3 CoQH2 CoQ 1 2 O2 O2- H2O 延胡索酸延胡索酸 2H+ 2021/3/142021/3/14

14、1818 NADH呼吸鏈和呼吸鏈和FADH2呼吸鏈呼吸鏈 FADH2 FeS FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytcFMNFeSCoQCytbFeSCytc1 1CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2 NADH呼吸鏈呼吸鏈 FADH2呼吸鏈呼吸鏈 二、二、 ETC的組成及遞電的組成及遞電 子機(jī)理子機(jī)理 1. 黃素蛋白酶類黃素蛋白酶類 （flavoproteins,FP） 2. 鐵鐵-硫蛋白類硫蛋白類 （iron-sulfur proteins） 3. 輔酶輔酶Q（CoQ） （ubiquinone,亦稱泛醌）亦稱泛醌） 4. 細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類 （cytochr

15、omes） NADH FMN CoQ Fe-S Cyt c1 O2 Cyt b Cyt c Cyt aa3 Fe-S FAD Fe-S 琥珀酸琥珀酸等等 復(fù)合物復(fù)合物 II 復(fù)合物復(fù)合物 IV 復(fù)合物復(fù)合物 I 復(fù)合物復(fù)合物 III NADH脫氫脫氫 酶酶 輔酶輔酶Q-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 琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 2021/3/142021/3/142020 黃素蛋白酶類黃素蛋白酶類 特點(diǎn)特點(diǎn):以以FMN(黃素單核苷酸黃素單核苷酸)或或FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸)為輔基為輔基,酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白 類別類別:黃素

16、脫氫酶類（如黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如需氧脫氫酶類（如L-氨基酸氧化酶）氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶） 遞氫機(jī)理：遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 2021/3/142021/3/142121 CoQ 遞氫原理遞氫原理: : CoQ + 2H CoQH2 脂溶性醌類化合物脂溶性醌類化合物,分子較小分子較小,可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散?？稍诰€粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。 功能基團(tuán)是苯醌功能基團(tuán)是苯醌,通過醌通過醌/酚的互變傳遞氫酚的互變傳遞氫,Q

17、（醌型結(jié)構(gòu)）很容易接受（醌型結(jié)構(gòu)）很容易接受2個(gè)電子和個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子個(gè)質(zhì)子,還原成還原成 QH2（還原型）還原型）;QH2也容易給出也容易給出2個(gè)電子和個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子個(gè)質(zhì)子,重新氧化成重新氧化成Q。因此因此,它在線粒體呼吸鏈中作為它在線粒體呼吸鏈中作為 電子和質(zhì)子的傳遞體。電子和質(zhì)子的傳遞體。 2021/3/142021/3/142222 鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理 主要以（主要以（ Fe-S ）、 （2Fe-2S）或）或 （4Fe-4S）形式存在）形式存在,鐵硫聚簇鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵鐵 硫蛋白硫蛋白。 傳遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理：Fe3+

18、Fe2+ -e +e 2021/3/142021/3/142323 細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機(jī)理細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機(jī)理 傳遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理：Fe3+ Fe2+ -e +e 一類以鐵卟啉為輔基的色素一類以鐵卟啉為輔基的色素 蛋白。蛋白。 2021/3/142021/3/142424 一、概念一、概念 二、二、偶聯(lián)部位偶聯(lián)部位、磷氧比（磷氧比（ P/O ）及能荷及能荷 三、三、氧化磷酸化氧化磷酸化偶聯(lián)偶聯(lián)機(jī)制機(jī)制 四、四、氧化磷酸化的抑制作用氧化磷酸化的抑制作用 第五節(jié) 氧化磷酸化作用 2021/3/142021/3/142525 代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成代謝物在生物氧

19、化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即（即ADP + Pi ATP）,這種氧這種氧 化放能和化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,它它 是需氧生物合成是需氧生物合成ATP的主要途徑。有的主要途徑。有兩種方式。兩種方式。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate level phosphorlation） 當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生脫氫或脫水時(shí)當(dāng)?shù)孜锇l(fā)生脫氫或脫水時(shí),分子內(nèi)部能量重新分布而形成高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵）分子內(nèi)部能量重新分布而形成高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵）,然然 后高能鍵把能量轉(zhuǎn)移

20、給后高能鍵把能量轉(zhuǎn)移給ADP（或（或GDP）生成）生成ATP（或（或GTP）的過程）的過程,稱為底物水平磷酸化作用稱為底物水平磷酸化作用 。 一、概念 2021/3/142021/3/142626 電子傳遞水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化(Electron transport level phosphorylation) 指代謝底物在生物氧化中脫掉的氫指代謝底物在生物氧化中脫掉的氫,經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧,化合成水的過程中釋放的能量（放能化合成水的過程中釋放的能量（放能 ）與）與ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP（吸能）相偶聯(lián)的過程。（吸能）相偶聯(lián)的過程。 磷酸化磷酸化 氧化氧化 偶聯(lián)偶聯(lián)

21、 2021/3/142021/3/142727 偶聯(lián)部位 ETC中中,電子在傳遞體之間轉(zhuǎn)移時(shí)釋放的能量如可滿足電子在傳遞體之間轉(zhuǎn)移時(shí)釋放的能量如可滿足ADPATP的需要時(shí)的需要時(shí),即視為氧化磷酸即視為氧化磷酸 化的偶聯(lián)部位化的偶聯(lián)部位(coupled site)或氧化磷酸化位點(diǎn)。根據(jù)熱力學(xué)測(cè)定或氧化磷酸化位點(diǎn)。根據(jù)熱力學(xué)測(cè)定,當(dāng)電子從當(dāng)電子從NADH經(jīng)呼吸鏈傳遞經(jīng)呼吸鏈傳遞 到氧時(shí)到氧時(shí),有三處可以產(chǎn)生有三處可以產(chǎn)生ATP:NADH和和CoQ之間、之間、Cytb和和Cytc之間、之間、Cytaa3和和O2之間。之間。 呼吸過程中無機(jī)磷酸（呼吸過程中無機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（消耗量和分子氧

22、（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。消耗量的比值稱為磷氧比。P/O的數(shù)值的數(shù)值 相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)分子數(shù)。 到目前為止到目前為止,電子傳遞鏈中一分子電子傳遞鏈中一分子NADH或或FADH2被氧化所泵出的質(zhì)子數(shù)被氧化所泵出的質(zhì)子數(shù),以及以及ATP合酶合成合酶合成 一個(gè)一個(gè)ATP所需的質(zhì)子數(shù)仍然都是未知所需的質(zhì)子數(shù)仍然都是未知,對(duì)此對(duì)此,已有很多實(shí)驗(yàn)試圖計(jì)算這兩個(gè)值已有很多實(shí)驗(yàn)試圖計(jì)算這兩個(gè)值,但仍未取得一致意見但仍未取得一致意見 。 對(duì)于電子傳遞鏈對(duì)于電子傳遞鏈,目前最公認(rèn)的結(jié)論是一個(gè)目前最公認(rèn)的結(jié)論是一個(gè)NADH被氧化泵

23、出被氧化泵出10個(gè)質(zhì)子個(gè)質(zhì)子,一個(gè)一個(gè)FADH2被氧化被氧化 泵出泵出6個(gè)。個(gè)。而合成一分子而合成一分子ATP大約需要大約需要4個(gè)質(zhì)子內(nèi)流。因此個(gè)質(zhì)子內(nèi)流。因此,對(duì)于對(duì)于NADH,P/O值約為值約為2.5,而而FADH2 的的P/O值約為值約為1.5。 磷氧比（ P/O ） NADH FADH2 O2 1 2 H2O H2O NADH呼吸鏈呼吸鏈: P/O 3 ADP+Pi ATP FADH2呼吸鏈呼吸鏈: P/O 2 O2 1 22e- 2e- ADP+Pi ATP ADP+Pi ATPADP+Pi ATP ADP+Pi ATP 然而也有的教科書認(rèn)為然而也有的教科書認(rèn)為P/O值分別為值分別為

24、3和和2。 2021/3/142021/3/143030 定義式：能荷定義式：能荷= ATP+0.5ADP ATP+ADP+AMP 意義意義: 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的的 相對(duì)數(shù)量決定相對(duì)數(shù)量決定,數(shù)值在數(shù)值在01之間之間,反映細(xì)胞反映細(xì)胞 能量水平。能量水平。 能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP、 ADP和和AMP作為代謝中某些酶分子的別作為代謝中某些酶分子的別 構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 能荷能荷 相對(duì)相對(duì) 速率速率 ATP的利用途徑的利用途徑 ATP的生成途的生成途 徑徑 能荷對(duì)能荷對(duì)ATP的生成途徑和的生成途徑和ATP的利

25、用途徑相對(duì)的利用途徑相對(duì) 速率的速率的 影響影響 能荷 2021/3/142021/3/143131 三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制 關(guān)于氧化和磷酸化的偶聯(lián)關(guān)于氧化和磷酸化的偶聯(lián),曾提出了三種假說曾提出了三種假說: 化學(xué)偶聯(lián)假說（化學(xué)偶聯(lián)假說（chemical coupling hypothesis） 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說(chemiosmotic theory)。 構(gòu)象變化假說構(gòu)象變化假說(conformational coupling hypothesis) 化學(xué)偶聯(lián)假說化學(xué)偶聯(lián)假說是愛德華是愛德華斯萊特（斯萊特（Edward C. Slater）于）于1953年提出。認(rèn)為在電子傳遞過程年提出

26、。認(rèn)為在電子傳遞過程 中生成高能中間物中生成高能中間物,再由高能中間物裂解釋放的能量驅(qū)動(dòng)再由高能中間物裂解釋放的能量驅(qū)動(dòng)ATP的合成。這一假說可以解釋底物磷的合成。這一假說可以解釋底物磷 酸化酸化,但在電子傳遞體系的磷酸化中尚未找到高能中間物。但在電子傳遞體系的磷酸化中尚未找到高能中間物。 2021/3/142021/3/143232 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說 chemiosmotic hypothesis 1961年由英國生物化學(xué)家年由英國生物化學(xué)家Peter Mitchell最先提出。最先提出。 認(rèn)為認(rèn)為:電子傳遞釋放的自由能和電子傳遞釋放的自由能和ATP的合成是與一種跨線的合成是與一種跨

27、線 粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。即電子傳遞釋放的自由粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。即電子傳遞釋放的自由 能驅(qū)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入膜間隙從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入膜間隙,從而形成從而形成跨跨 線粒體內(nèi)膜的線粒體內(nèi)膜的H+離子梯度離子梯度,及一個(gè)電位梯度。這個(gè)跨膜的及一個(gè)電位梯度。這個(gè)跨膜的 電化學(xué)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)電化學(xué)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP的合成。的合成。 2021/3/142021/3/143333 NADH呼吸鏈中的三個(gè)復(fù)合物呼吸鏈中的三個(gè)復(fù)合物、起著質(zhì)子泵的作用起著質(zhì)子泵的作用,將將H+ 從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。 H+不斷從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵至內(nèi)膜外側(cè)不斷從內(nèi)膜

28、內(nèi)側(cè)泵至內(nèi)膜外側(cè),而又不能自由返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)而又不能自由返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè),從而在內(nèi)膜兩側(cè)建立起從而在內(nèi)膜兩側(cè)建立起質(zhì)子濃度梯度質(zhì)子濃度梯度和電位梯度即和電位梯度即 電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度,也稱為也稱為質(zhì)子動(dòng)力質(zhì)子動(dòng)力。 當(dāng)存在足夠的跨膜電化學(xué)梯度時(shí)當(dāng)存在足夠的跨膜電化學(xué)梯度時(shí),強(qiáng)大的質(zhì)子流通過嵌在線粒體內(nèi)膜的強(qiáng)大的質(zhì)子流通過嵌在線粒體內(nèi)膜的F0F1-ATP合酶合酶返回基質(zhì)返回基質(zhì),質(zhì)子電化學(xué)梯度蘊(yùn)質(zhì)子電化學(xué)梯度蘊(yùn) 藏的自由能釋放藏的自由能釋放,推動(dòng)推動(dòng)ATP的合成。的合成。 獲得獲得1978年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖 2021/3/142021/3/1434

29、34 化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖 2H+ 2H+ 2H+ 2H+ NADH+H+ 2H+ 2H+ 2H+ ADP+Pi ATP 高高 質(zhì)質(zhì) 子子 濃濃 度度 H2O 2e- + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 質(zhì)子流質(zhì)子流 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 磷酸化磷酸化 氧化氧化 2021/3/142021/3/143535 線粒體線粒體ATP合酶合酶 內(nèi)膜 膜間腔 F1亞基 F0亞基 外膜 ATP酶酶復(fù)合復(fù)合 體體 uF0:為疏水蛋白質(zhì)為疏水蛋白質(zhì),是鑲嵌在是鑲嵌在 線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。 uF1:為親水蛋白質(zhì)為親水蛋白質(zhì),由由

30、 3 3 亞基組成亞基組成,催化生成催化生成ATP。 uOSCP:寡霉素敏感相關(guān)蛋寡霉素敏感相關(guān)蛋 白白,位于位于F0與與F1之間之間,使使ATP 合酶在寡霉素存在時(shí)不能合酶在寡霉素存在時(shí)不能 生成生成ATP。 2021/3/142021/3/143636 構(gòu)象變化假說構(gòu)象變化假說 美國科學(xué)家保羅美國科學(xué)家保羅博耶（博耶（Paul Boyer）為解釋）為解釋ATP酶作用機(jī)理酶作用機(jī)理,于于1964年提出年提出構(gòu)象變化假說構(gòu)象變化假說 （現(xiàn)稱旋轉(zhuǎn)催化假說）（現(xiàn)稱旋轉(zhuǎn)催化假說）。認(rèn)為電子傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化。認(rèn)為電子傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化,推動(dòng)了推動(dòng)了ATP的生成的生

31、成 。 1994年年,英國科學(xué)家約翰英國科學(xué)家約翰沃克（沃克（John E.Walker利用牛心線粒體利用牛心線粒體F1-ATP酶的晶體結(jié)構(gòu)酶的晶體結(jié)構(gòu),證證 明了在明了在ATP酶合成酶合成ATP的催化循環(huán)中的催化循環(huán)中,三個(gè)三個(gè)亞基的確有不同構(gòu)象亞基的確有不同構(gòu)象,從而有力地支持了保羅從而有力地支持了保羅博耶的博耶的 假說。假說。 旋轉(zhuǎn)催化假說認(rèn)為旋轉(zhuǎn)催化假說認(rèn)為,ATP合酶合酶亞基有三種不同的構(gòu)象亞基有三種不同的構(gòu)象,一種構(gòu)象（一種構(gòu)象（L）有利于）有利于ADP和和Pi結(jié)合結(jié)合, 一種構(gòu)象（一種構(gòu)象（T）可使）可使 2021/3/142021/3/143737 結(jié)合的結(jié)合的ADP和和Pi合

32、成合成ATP,第三種構(gòu)象（第三種構(gòu)象（O）使合成的）使合成的ATP容易被釋放出來。在容易被釋放出來。在ATP合成過程中合成過程中, 三個(gè)三個(gè)亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化,所需能量由跨膜所需能量由跨膜H+提供。提供。 1997年年,Paul D.Boyer、John E.Walker與丹麥科學(xué)家與丹麥科學(xué)家Jens C. Skou共同共同獲得諾貝爾化學(xué)獲得諾貝爾化學(xué) 獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。 2021/3/142021/3/143838 2021/3/142021/3/143939 ATPase的旋轉(zhuǎn)模型的旋轉(zhuǎn)模型 2021/3/142021/3/144040 四、氧化磷

33、酸化的抑制作用 依據(jù)抑制機(jī)制不同依據(jù)抑制機(jī)制不同,分為解偶聯(lián)劑、磷酸化抑制劑和電子傳遞抑制劑。分為解偶聯(lián)劑、磷酸化抑制劑和電子傳遞抑制劑。 1、氧化磷酸化解偶聯(lián)（、氧化磷酸化解偶聯(lián)（uncoupling） 某些化合物能某些化合物能消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度或電位梯度消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度或電位梯度,使使ATP不能合成不能合成,這種作用稱為解偶聯(lián)作這種作用稱為解偶聯(lián)作 用用,這類化合物成為解偶聯(lián)劑（這類化合物成為解偶聯(lián)劑（uncoupler）。）。 解偶聯(lián)劑不抑制電子傳遞解偶聯(lián)劑不抑制電子傳遞,不抑制底物水平的磷酸不抑制底物水平的磷酸 化化。 2021/3/142021/3/144141 NO2 N

34、O2 O- NO2 NO2 OH NO2 NO2 O- NO2 NO2 OH H+ H+ 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 內(nèi)內(nèi)外外 2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP) 2、氧化磷酸化抑制劑、氧化磷酸化抑制劑 抑制劑（抑制劑（depressant）與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于這類試劑不僅）與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于這類試劑不僅直接作用于直接作用于ATP合酶合酶而抑制而抑制 ATP的合成的合成,同時(shí)還抑制（降低）同時(shí)還抑制（降低）O2的利用率的利用率,從而間接抑制電子傳遞。（區(qū)別于電子傳遞鏈抑制從而間接抑制電子傳遞。（區(qū)別于電子傳遞鏈抑制 劑）劑） 2021/3/142021/3/144242 2H+ 2H+ 2H+ 2H+ NADH+H+ 2H+ 2H+ 2H+ ADP+