代謝總論與生物氧化

代謝總論與生物氧化第1頁(yè)/共85頁(yè)第一節(jié)新陳代謝總論一、新陳代謝的概念新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝第2頁(yè)/共85頁(yè)新陳代謝的共同特點(diǎn)：1.由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2.諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3.對(duì)周?chē)h(huán)境高度適應(yīng)。二、新陳代謝的研究方法1.活體內(nèi)(invivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(invitro)2.同位素示蹤法3.代謝途徑阻斷法4.遺傳缺欠癥及動(dòng)物模型等方法第3頁(yè)/共85頁(yè)三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒(méi)有作功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。ΔG=ΔH-TΔS對(duì)于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]第4頁(yè)/共85頁(yè)四、高能化合物與ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔?/p>

一般將在生物體內(nèi)水解某物質(zhì)1mol時(shí)，能釋放超過(guò)21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G′<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。生物體內(nèi)只有這些物質(zhì)才能直接將能量傳遞給ATP第5頁(yè)/共85頁(yè)（1）烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物：-61.9kJ/mol第6頁(yè)/共85頁(yè)(2)?；姿峄衔铮ɡ?42.3kJ/mol第7頁(yè)/共85頁(yè)（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷）-30.5kJ/mol焦磷酸-28.84kJ/mol第8頁(yè)/共85頁(yè)磷氮型高能磷酸化合物：-43.1kJ/mol第9頁(yè)/共85頁(yè)(1)硫酯鍵型高能化合物

（例）非磷酸高能化合物：乙酰輔酶A–31.4kJ/mol第10頁(yè)/共85頁(yè)(2)甲硫型高能化合物

（例）–41.8kJ/mol第11頁(yè)/共85頁(yè)ONNNNNH2-HH-OHH

O-O-P~O-O

OO-P~O-P-O-CH2-O-OOHATP的特殊作用作用：是能量的攜帶者或傳遞者，而非貯存者，是能量貨幣ATP是生物細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑第12頁(yè)/共85頁(yè)ATP＋H2O→ADP＋Pi其ΔG0′=-30.51kJ／mo1；當(dāng)ADP＋Pi→ATP時(shí)，也需吸收30.51kJ／mol的自由能磷酸肌酸（脊椎動(dòng)物）和磷酸精氨酸（無(wú)脊椎動(dòng)物）是能量的貯存形式肌酸磷酸激酶第13頁(yè)/共85頁(yè)第14頁(yè)/共85頁(yè)

第二節(jié)生物氧化——有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的氧化作用。又稱組織呼吸或細(xì)胞呼吸。

★在整個(gè)生物氧化過(guò)程中，有機(jī)物質(zhì)最終被氧化成CO2和H2O，并釋放出能量形成ATP。一、生物氧化的特點(diǎn)（一）氧化還原的本質(zhì)——電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移的主要形式：

1.直接的電子轉(zhuǎn)移

Fe2++Cu2+

?Fe3++Cu+第15頁(yè)/共85頁(yè)1.在細(xì)胞內(nèi)，于體溫、近于中性的含水環(huán)境中由酶催化。2.能量逐步釋放，部分存于ATP中。3.分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。2.氫原子的轉(zhuǎn)移

AH2+B?

A+BH2(H?H++e)3.有機(jī)還原劑直接加氧

RH+O2+2H++2e?ROH+H2O（二）生物氧化的特點(diǎn)第16頁(yè)/共85頁(yè)(1)直接脫羧(2)氧化脫羧：在脫羧過(guò)程中伴隨著氧化（脫氫）CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脫羧酶（α-脫羧）丙酮酸HOOCCH2CCOOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（β

-脫羧）草酰乙酸

生物體內(nèi)CO2的生成來(lái)源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔谩６?、生物氧化中CO2的生成第17頁(yè)/共85頁(yè)三、生物氧化中H2O的生成

生物氧化作用主要是通過(guò)脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。

在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。

生物體主要以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O蘋(píng)果酸CH3CCOOH+CO2第18頁(yè)/共85頁(yè)氧化型2H+MH2M

氧化型還原型(2H)遞氫體NAD+,NADP+,FMN,FAD,COQ還原型遞電子體Cytb,c1,c,aa32e?O2O2-H2O脫氫酶氧化酶第19頁(yè)/共85頁(yè)1、概念

代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列傳遞體，最后（將質(zhì)子和電子）傳遞給氧而生成水的全部體系，稱呼吸鏈(respiratorychain)。此體系也稱電子傳遞體系或電子傳遞鏈(electrontransferchain)。由于參與這一系列催化作用的酶和輔酶及中間傳遞體在膜（原核細(xì)胞膜、真核線粒體內(nèi)膜）上一個(gè)接一個(gè)地構(gòu)成了鏈狀反應(yīng)，故常將這種形式的氧化過(guò)程稱為呼吸鏈。（一）呼吸鏈第20頁(yè)/共85頁(yè)ATP合成酶第21頁(yè)/共85頁(yè)第22頁(yè)/共85頁(yè)膜間隙琥珀酸延胡索酸基質(zhì)化學(xué)勢(shì)差內(nèi)堿電勢(shì)差內(nèi)負(fù)質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)ATP合成內(nèi)膜外膜第23頁(yè)/共85頁(yè)第24頁(yè)/共85頁(yè)2、呼吸鏈種類根據(jù)代謝物上脫下的氫的初始受體不同，在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有2種：

NADH呼吸鏈：絕大部分分解代謝的脫氫氧化反應(yīng)通過(guò)此呼吸鏈完成FADH2呼吸鏈：只能催化某些代謝物脫氫，不能使NADH或NADPH脫氫

在電子傳遞過(guò)程中釋放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，這是生物合成ATP的基本途徑之一。實(shí)際上，生物體中能量獲得的本質(zhì)正是氫的氧化。第25頁(yè)/共85頁(yè)3、呼吸鏈的組成（1）煙（尼克）酰胺脫氫酶類－－以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶，已知的有200多種該類酶均為不需氧脫氫酶，即不以氧為直接受氫體。在這類酶的作用下，代謝物脫下的氫被其輔酶接受而轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH或NADPH；當(dāng)有受H體存在時(shí)，NADH或NADPH上的H可被脫下而氧化為NAD+或NADP+。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。

還原氧化第26頁(yè)/共85頁(yè)

（2）黃素脫氫酶類－－以FMN或FAD為輔基的脫氫酶類

該類酶也屬不需氧脫氫酶，催化代謝物脫下一對(duì)H原子，使FMN或FAD還原為FMNH2或FADH2。FMN和FAD是比NAD+或NADP+

更強(qiáng)的氧化劑。FMNH2或FADH2可進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給輔酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2H第27頁(yè)/共85頁(yè)(3)鐵硫蛋白類（簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-S）鐵硫蛋白(Fe-S)是一類與電子傳遞有關(guān)的非血紅素鐵蛋白，其作用是借鐵的化合價(jià)互變進(jìn)行電子傳遞:

Fe3++eFe2+

因鐵硫蛋白的活性部分含有活潑的硫和鐵原子，故稱鐵硫中心。鐵硫蛋白在生物界廣泛存在。在線粒體內(nèi)膜上常與黃素酶或細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物而存在。在從NADH到氧的呼吸鏈中，有多個(gè)不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的與細(xì)胞色素b及c1有關(guān)。

鐵硫蛋白有幾種不同的類型，可概括為3類：第28頁(yè)/共85頁(yè)[FeS]第29頁(yè)/共85頁(yè)[2Fe–2S]第30頁(yè)/共85頁(yè)[4Fe–4S]第31頁(yè)/共85頁(yè)（4）輔酶Q類是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物，又名泛醌，簡(jiǎn)寫(xiě)為CoQ或Q。CoQ分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原而形成對(duì)苯二酚衍生物，故屬于遞氫體。但它不能從底物接受氫，而是一種中間傳遞體。第32頁(yè)/共85頁(yè)Q(氧化型)半醌式中間體QH?QH2

還原型CoQ也是呼吸鏈中唯一一個(gè)和蛋白質(zhì)結(jié)合不緊的傳遞體（輔酶），這使它在黃素蛋白類和細(xì)胞色素類之間能夠作為一種特殊靈活的電子載體起作用。第33頁(yè)/共85頁(yè)（5）細(xì)胞色素類－－一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱

細(xì)胞色素主要是通過(guò)Fe3++eFe2+

的互變起傳遞電子的作用。

線粒體電子傳遞鏈至少含有5種細(xì)胞色素：a、a3

、b、c、c1。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。aa3

、b、c1中卟啉Fe與蛋白質(zhì)非共價(jià)結(jié)合，c的輔基與蛋白質(zhì)以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合。

典型的線粒體呼吸鏈中，細(xì)胞色素的順序是：b→c1→

c→

aa3→

O2。第34頁(yè)/共85頁(yè)Cyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，二者無(wú)法分開(kāi)，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。Cytaa3可以直接以O(shè)2為電子受體，所以aa3又稱細(xì)胞色素c氧化酶。

a與a3之間的兩個(gè)銅離子，起電子傳遞作用：發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將Cytc所攜帶的電子傳遞給O2。b、c1、

c、a－－卟啉Fe與環(huán)及蛋白形成6個(gè)配位鍵：4個(gè)與Fe，1個(gè)與His，1個(gè)與蛋白鏈中Met形成。a3－－卟啉Fe與環(huán)及蛋白形成5個(gè)配位鍵（不與Met形成）,空一個(gè)配位鍵與O2，CO，CN等結(jié)合，其正常功能是與O2結(jié)合。第35頁(yè)/共85頁(yè)血紅素A血紅素C血紅素B細(xì)胞色素的附基第36頁(yè)/共85頁(yè)NADH呼吸鏈順序：NADH-FMN-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2FADH2呼吸鏈順序：

FADH2-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2或琥珀酸-FAD-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2第37頁(yè)/共85頁(yè)4.呼吸鏈中傳遞體的順序FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18魚(yú)藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO,疊氮化合物a.測(cè)定各電子傳遞體氧化還原電位的數(shù)值－－按氧化還原電位由低到高順序排列；b.利用電子傳遞抑制劑確定其順序；（1）確定呼吸鏈中各傳遞體順序的方法依據(jù)：電子傳遞抑制劑:能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)。各組分Eo′

：低高電子遷移方向：低電位高電位

?Go′：逐步降低放能第38頁(yè)/共85頁(yè)第39頁(yè)/共85頁(yè)d.根據(jù)從線粒體中分離到的傳遞體復(fù)合物(4種)。c.通過(guò)電子傳遞體體外重組實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證；第40頁(yè)/共85頁(yè)1）NADH泛醌還原酶簡(jiǎn)寫(xiě)為NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，其作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。

NADH+Q+H+NAD++QH2NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。NADHQ還原酶是線粒體內(nèi)膜上最大的一個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物。最少含有34條多肽鏈，分別由核和線粒體兩個(gè)基因組編碼。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫中心。FMN的作用是接受脫氫酶脫下的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可通過(guò)鐵硫中心進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。NADHQ還原酶第41頁(yè)/共85頁(yè)Fe-S復(fù)合物I基質(zhì)（負(fù)）膜間隙（正）基質(zhì)臂FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18第42頁(yè)/共85頁(yè)2）琥珀酸-Q還原酶（琥珀酸脫氫酶）琥珀酸是生物代謝過(guò)程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過(guò)QH2-Cytc還原酶、Cytc和Cytc氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第43頁(yè)/共85頁(yè)CoQH2復(fù)合物Ⅱ復(fù)合物

Ⅲ2e膜間隙（正）基質(zhì)(負(fù))琥珀酸延胡索酸復(fù)合物Ⅱ復(fù)合物

Ⅲ2H+第44頁(yè)/共85頁(yè)3）泛醌細(xì)胞色素c還原酶簡(jiǎn)寫(xiě)為QH2-Cytc還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（Cytc）的還原。

QH2-Cytc還原酶

QH2+2Cytc(Fe3+)Q+2Cytc(Fe2+)+2H+QH2-Cytc還原酶由9個(gè)多肽亞基組成，活性部分主要包括細(xì)胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第45頁(yè)/共85頁(yè)Cytb4H+Cytc1瑞斯克鐵硫蛋白Cytc膜間隙(正)基質(zhì)(負(fù))復(fù)合物IIIbL(562),bH(566)第46頁(yè)/共85頁(yè)MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816第47頁(yè)/共85頁(yè)4）細(xì)胞色素c氧化酶簡(jiǎn)寫(xiě)為Cytc氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕–yta和a3，兩者組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。Cytaa3可以直接以O(shè)2為電子受體。Fe2++Cu2+Cu++Fe3+2Cu++1/2O22Cu2++O2-在電子傳遞過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將Cytc所攜帶的電子傳遞給O2。第48頁(yè)/共85頁(yè)復(fù)合物Ⅳ+2H+CytcABC膜間隙（正）基質(zhì)（負(fù)）1(泵出)(底物)4H+4H+復(fù)合物Ⅳ第49頁(yè)/共85頁(yè)膜間隙（外）基質(zhì)（內(nèi)）琥珀酸延胡索酸MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2第50頁(yè)/共85頁(yè)組成：Fo亞基+F1亞基

Fo：寡霉素敏感蛋白（oscp），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道

F1：（33）催化生成ATPATP合成酶第51頁(yè)/共85頁(yè)基質(zhì)側(cè)膜間隙側(cè)第52頁(yè)/共85頁(yè)四、氧化磷酸化(OxidativePhosphorylation)作用——伴隨著放能的氧化作用而進(jìn)行的ATP合成。ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP（一）ATP的生成1.底物水平磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞體系磷酸化－－底物被氧化時(shí)伴隨著分子內(nèi)部能量的重新分布，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過(guò)酶的作用使磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上形成ATP的作用。第53頁(yè)/共85頁(yè)底物水平磷酸化反應(yīng)舉例X~+ADP→ATP+XPCOO-C-O~

P

CH2磷酸烯醇式丙酮酸

COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADP

ATP第54頁(yè)/共85頁(yè)2.電子傳遞體系磷酸化

當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞體系（呼吸鏈）傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP，這一全過(guò)程稱為電子傳遞體系磷酸化。

底物水平磷酸化是捕獲能量的一種方式，在發(fā)酵作用（無(wú)氧呼吸）中是進(jìn)行生物氧化取得能量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在與否無(wú)關(guān)，在ATP生成中沒(méi)有氧分子參與，也不經(jīng)過(guò)電子傳遞鏈傳遞電子。（1）概念第55頁(yè)/共85頁(yè)ADPATP底物產(chǎn)物FADFADH2NADNADHH2O電子傳遞體系磷酸化：能量1ATP合成酶第56頁(yè)/共85頁(yè)（2）P/O比和由ADP生成ATP的數(shù)目

電子傳遞體系磷酸化是需氧生物獲得ATP的一種主要方式，是生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的主要環(huán)節(jié)，需要氧分子的參與。真核生物氧化磷酸化過(guò)程在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行，原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行。P/O比：是指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷酸的摩爾數(shù)（或ADP摩爾數(shù)），即生成ATP的摩爾數(shù)。

NADH呼吸鏈：P/O比值接近3，

FADH2呼吸鏈：P/O比值接近2，故推斷從NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸鏈上釋放的能量，可分別用于3個(gè)、2個(gè)ATP。第57頁(yè)/共85頁(yè)（3）呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中的自由能變化1第58頁(yè)/共85頁(yè)

復(fù)合物I:

NADH→CoQ,E0’=0.360V，G0’=-69.5kJ/mol

復(fù)合物III:

CoQ→Cytc,E0’=0.190V，G0’=-36.7kJ/mol

復(fù)合物IV:

Cytaa3→O2,E0’=0.580V，G0’=-112kJ/mol

復(fù)合物II:（FAD與酶結(jié)合后E升高到0-0.03）

FADH2

→CoQ,E0’=0.085V，G0’=-16.4kJ/mol第59頁(yè)/共85頁(yè)

可見(jiàn)，當(dāng)一對(duì)電子相繼經(jīng)過(guò)復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ時(shí)，每一步都釋放出足以合成一分子ATP的自由能，即泵出4個(gè)H+的能量；但當(dāng)一對(duì)電子經(jīng)過(guò)復(fù)合物Ⅱ時(shí)，釋放的能量不足以合成ATP，其作用僅僅是將電子由FADH2注入電子傳遞鏈。★最近的研究表明：復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ不能直接合成ATP，但能螯合通過(guò)電子傳遞所產(chǎn)生的自由能，從而將質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵出至膜間隙，形成跨膜的質(zhì)子梯度。

跨膜質(zhì)子梯度所蘊(yùn)含的自由能是推動(dòng)ATP合成的驅(qū)動(dòng)力。第60頁(yè)/共85頁(yè)跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移膜間隙1基質(zhì)琥珀酸延胡索酸電化學(xué)梯度第61頁(yè)/共85頁(yè)（二）胞液中NADH的氧化磷酸化

在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的NADH，不能透過(guò)線粒體內(nèi)膜進(jìn)入呼吸鏈以便進(jìn)行有氧氧化。只能通過(guò)兩種精妙的“穿梭”系統(tǒng)解決NADH的再氧化問(wèn)題。一種稱為甘油-α-磷酸穿梭系統(tǒng)，另一種稱為蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)。第62頁(yè)/共85頁(yè)NADH

+H+線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸穿梭作用甘油-α-磷酸FAD二羥丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羥丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O－NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O－①②①胞液甘油-α-磷酸脫氫酶；②線粒體甘油-α-磷酸脫氫酶(黃素蛋白脫氫酶)肌肉和神經(jīng)組織中細(xì)胞漿第63頁(yè)/共85頁(yè)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋(píng)果酸蘋(píng)果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨酶細(xì)胞質(zhì)線粒體①②①細(xì)胞質(zhì)蘋(píng)果酸脫氫酶②線粒體蘋(píng)果酸脫氫酶線粒體內(nèi)膜心、肝、腎第64頁(yè)/共85頁(yè)

化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)化學(xué)滲透假說(shuō)1.化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)

1953年EdwardSlater最先提出。認(rèn)為電子傳遞產(chǎn)生一種高能共價(jià)中間物，它隨后的裂解釋放能量驅(qū)動(dòng)ATP合成。但在電子傳遞體系磷酸化作用中一直未找到任何一種活潑的高能中間物。（三）氧化磷酸化作用機(jī)制

氧化作用（電子傳遞）與磷酸化作用相偶聯(lián)已經(jīng)不存在任何疑問(wèn)，但對(duì)二者究竟如何偶聯(lián)，尚有許多未完全闡明的問(wèn)題。共存在三種假說(shuō)：第65頁(yè)/共85頁(yè)2.構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)

1964年P(guān)aulBoyer最先提出。認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化，而形成一種高能形式，這種高能形式通過(guò)將能量提供給ATP合成而恢復(fù)其原來(lái)的構(gòu)象。但至今未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。3.化學(xué)滲透假說(shuō)（chemiosmotichypothesis）

1961年英國(guó)生物化學(xué)家PeterMitchell首先提出，1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

基本要點(diǎn)：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)釋放出的自由能，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），以此儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。第66頁(yè)/共85頁(yè)化學(xué)滲透假說(shuō)要點(diǎn)分述：

1.呼吸鏈中遞氫體和電子傳遞體在線粒體內(nèi)膜中是間隔交替排列的，并且都有特定的位置，催化反應(yīng)是定向的。

2.遞氫體有氫泵的作用,可將其中的電子（2e）傳給位于其后的電子傳遞體,而將H+

質(zhì)子從內(nèi)膜泵出到膜外側(cè)。在電子傳遞過(guò)程中,每傳遞一對(duì)電子就泵出10H+質(zhì)子。?

氧化磷酸化作用的關(guān)鍵因素是質(zhì)子（H+）梯度和完整的線粒體內(nèi)膜。第67頁(yè)/共85頁(yè)3.內(nèi)膜對(duì)H+

不能自由通過(guò)，泵出膜的外側(cè)H+不能自由返回膜內(nèi)側(cè)，因而使線粒體內(nèi)膜外側(cè)的H+

濃度高于內(nèi)側(cè)，造成H+濃度的跨膜梯度，此H+

濃度差使外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)的pH低1.0單位左右，并使原有的外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位增高，此電位差中就包含著電子傳遞過(guò)程中所釋放的能量，好象電池兩極的離子濃度差造成電位差含有電能一樣。這種H+質(zhì)子梯度和電位梯度就是質(zhì)子返回內(nèi)膜的一種動(dòng)力。?G=2.3RT?pH+ZF?ψ,?pH=pH(內(nèi))–pH(外),Z是質(zhì)子電荷(包括符號(hào))，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，?ψ是膜電位差第68頁(yè)/共85頁(yè)4.利用線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶的特點(diǎn)，將膜外側(cè)的2H+

轉(zhuǎn)化成膜內(nèi)側(cè)的2H+，與氧生成水，即H+通過(guò)ATP酶的特殊途徑，返回到基質(zhì)，使質(zhì)子發(fā)生回流。由于H+

濃度梯度所釋放的自由能，偶聯(lián)ADP與無(wú)機(jī)磷酸合成ATP，質(zhì)子的電化學(xué)梯度也隨之消失。

由上述分析可以看出，Mitchell的理論認(rèn)為：電子傳遞釋放的自由能和ATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。第69頁(yè)/共85頁(yè)細(xì)胞質(zhì)膜間隙基質(zhì)由于泵出質(zhì)子，使得基質(zhì)外側(cè)的質(zhì)子濃度高于內(nèi)側(cè)流動(dòng)的電子載體ATP合成酶膜結(jié)合蛋白復(fù)合體來(lái)自NADH的電子來(lái)自FADH2

的電子電子傳遞產(chǎn)生能量將質(zhì)子泵出形成跨膜濃度梯度ATP合成利用質(zhì)子返回膜內(nèi)驅(qū)動(dòng)ATP產(chǎn)生線粒體外膜內(nèi)膜第70頁(yè)/共85頁(yè)質(zhì)子泵膜間隙（正）基質(zhì)（負(fù)）

生理物質(zhì)的氧化在多個(gè)位點(diǎn)（復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ

）為跨膜質(zhì)子梯度做貢獻(xiàn)，而該梯度只在一個(gè)部位即FoF1-ATP酶處消減(－－合成ATP)。第71頁(yè)/共85頁(yè)第72頁(yè)/共85頁(yè)基質(zhì)側(cè)膜間隙側(cè)第73頁(yè)/共85頁(yè)

根據(jù)最新的進(jìn)展情況，從呼吸鏈中電子傳遞的過(guò)程可以看出：每對(duì)電子通過(guò)復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ可導(dǎo)致10個(gè)（4＋4＋2）質(zhì)子從基質(zhì)泵出；來(lái)自復(fù)合物Ⅱ中的FADH2的電子繞過(guò)復(fù)合物Ⅰ進(jìn)入電子傳遞鏈只能導(dǎo)致6個(gè)（4＋2）質(zhì)子跨膜移動(dòng)。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明：每合成1分子ATP大約需要3個(gè)質(zhì)子通過(guò)FoF1-ATP酶；同時(shí)，從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)合成ATP所需的Pi至線粒體基質(zhì)要消耗1個(gè)質(zhì)子。故每合成1個(gè)ATP需消耗4個(gè)質(zhì)子。

因此，1對(duì)H(即2e)經(jīng)NADH呼吸鏈生成2.5個(gè)ATP，經(jīng)FADH2呼吸鏈生成1.5個(gè)ATP。第74頁(yè)/共85頁(yè)ATP酶的結(jié)合改變模型第75頁(yè)/共85頁(yè)第76頁(yè)/共85頁(yè)Thebinding-changeModelproposedbyPaulBoyer第77頁(yè)/共85頁(yè)1、F1復(fù)合物由3個(gè)與腺苷結(jié)合能力不等的位點(diǎn)，αβ亞基對(duì)，2、在某一時(shí)刻，3個(gè)β亞基一個(gè)ATP結(jié)合構(gòu)象（緊密結(jié)合）β-ATP

，一個(gè)與ADPPi結(jié)合構(gòu)象β-ADP（ATP松散結(jié)合），一個(gè)是ATP釋放態(tài)構(gòu)象β-empty（空的）；3、在質(zhì)子流的推