第十一节氧化磷酸化 考研生物化学精编辅导讲义

1、第十一节：氧化磷酸化 氧化磷酸化，由此产生一个跨膜的质的电子通过一系列电子传递载体传递给O2定义：NADH和FADH2 。磷酸化形成子梯度使ADPATP 氧化还原电势5.1 （氧化型：电子受体。 某一化合物的氧化型和还原型，称为一对氧化还原对（redox pair） 还原型：电子供体）高 电极电势代表着氧化还原对得失电子的能力。低电极电势的氧化还原对倾向于失去电子， 电极电势的氧化还原对倾向于得到电子。低，倾，即E0 ），代表着一对氧化还原对对电子的相对亲和力（affinity）标准还原势（E0 E0 值高，倾向于得到电子。向于失去电子， E0 ）判断氧化还原反应方向？如何从标准还原势（的氧化

2、还原对的还原E0 E0 E0 的氧化还原对流向高的氧化还原对。即低 电子是从低 的氧化还原对的氧化型得到电子。型失去电子，高E0 自由能变化越大，体系转移电子的能力越强。自由能变化意味着一个体系转移电子的能力。 5.2 电子传递过程和呼吸链辅基的连锁反应体系，它们按电子亲和力/呼吸链：指催化氢（包括电子）传递的酶及辅酶 递增的顺序排列。 质膜，在线粒体的内膜。呼吸链的分布部位在真核细胞位于原核细胞位于 电子载体传递电子方式： ，如FAD/FADH2 。 作为氢原子（He-） ，如NAD+/NADH 作为氢负离子（:H- 或者 H2e-） 。，如Fe2+/Fe3+e- 单纯电子（ ） 2.NAD

3、+， NADP+ 黄素核苷酸类（1. 电子载体：吡啶核苷酸类：又称泛醌，coenzyme Q, or Q）化合物FAD 3.辅酶Q（iron-sulfur protein, Fe-S protein 5. 铁硫蛋白（脂溶性nucleotidFMNflavin细胞色素cytochrome4. 两种辅酶。或NADP+有的以为辅酶，NADP+为辅酶，极少数能用NAD+大多数脱氢酶以NAD+ 多用于合成代谢 一般说，用于分解代谢的脱氢酶以NAD+为辅酶，NADP+NADH shuttle (见NAD(P)+既存在于胞液中，又存在于线粒体中，彼此不能自由通过线粒体内膜 NAD(P)+只能与该部位的脱氢酶

4、结合。systems) 。某一部位的，因而结合蛋白通称为黄素蛋白。其还/FAD 与蛋白质结合紧密（有时候是共价结合）FMN 只是黄素蛋白的活性部位 原电势取决于结合的蛋白质， FMN /FADCoQ在线粒体内膜中以膜结合和游离两种形式存在。可接受多种黄素蛋白类脱下的氢原子。 这些特性使CoQ在电子传递链处于中心位置，在黄素蛋白类与细胞色素类之间作为一种灵活的载体起作用，并且在电子传递和质子移动的偶联起重要作用 根据吸收光谱的不同，分为细胞色素a、细胞色素b和细胞色素c三类。它们各自的血红素辅基在结构上有一些差异。细胞色素类载体单纯传递电子。（通过其结合的金属离子传递） 在电子传递链中，还有一类

5、铁不是存在于血红素辅基中，而是与无机硫（S）原子或/和蛋白 质分子中的Cys残基的S原子相连，这种结构称为铁硫中心（iron-sulfur center, Fe-S center）。结合蛋白质称为铁硫蛋白。单纯传递电子。 呼吸链（respiratory chain ）的组成：四个多蛋白复合体（其中三个是质子泵）和两个移动 电子载体（辅酶和细胞色素） 铁硫簇，铜离子。呼吸链的辅基包括：FMA,FAD,HEMES(血红素),进入呼吸链并且将电子传递给辅酶。放能的电子传递与NADH复合体一：NADH脱氢酶， 需能的质子泵出相耦联。 同样转移电子给辅酶。这一步释放FADH2复合体二：琥珀酸酰脱氢酶黄素

6、蛋白中的 的能量不足以推动质子泵。 的电：细胞色素氧化还原酶也叫细胞色素bc1复合体QH2复合体三：泛醌（辅酶） 子传递给细胞色素 c。其功能中心包括三个亚基：细胞色素b，铁硫蛋白，细胞色素 cyt cs hemeFe-S centercyt c1s hemeQH2的一个电子传递方向：QH2 QH2cyt b(bl & bh)Q&Q负离子。称为循环。另一电子传递方向： C接着移向复合体四。同时电子传递引起质子泵出。细胞内膜上的细胞色素 O2.的电子传递给细胞色素Caa3复合体四：细胞色素氧化酶，也叫做细胞色素复合体 内含三个电子和两个血红素亚基作为电子载体。结合成水）需传递四电子，同时泵出四质

7、子。同时也消耗四个质子。（与O2还原一分子O2泵出伴随着电子传递链，每氧化一分子的NADH10质子泵出，氧化一分子FADH26质子。 或其它工作。由此形成一个跨越线粒体内膜的质子梯度。其储存的能量可用来合成ATP种复合物可完整地从线粒体内膜分离，每种复合体都有特定的电子供体和电子受体，间接4 说明呼吸链各成分是有序的。）供给完全处于还原态的呼吸链，呼吸链上的各个电子载体按electron acceptorO2（如果将 NADHcyt b，最后是首先是cyt aa3，依次向前推是cyt c、顺序被氧化。 阻断位点:能够专一性阻断呼吸链中某一部位电子传递的化学物质。原理电子传递的抑制剂, 阻断位点

8、后的组分处于氧化状态。前的组分处于还原状态 重要电子传递抑制剂: 鱼藤酮, 阿米妥, 粉蝶霉素A,抗霉素A,CN- , CO 5.3 氧化磷酸化 氧化磷酸化：在呼吸链电子传递过程中释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。 NADH+H+3ADP+3Pi-? NAD+4H2O+3ATP 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透模型Chemiosmotic Model揭示了氧化磷酸化和光合磷酸化过程的本质。 化学渗透模型: 呼吸链电子传递释放的能量驱动质子从线粒体内膜进入线粒体膜间腔，从而产生一个跨线粒体内膜的质子电化学梯度。这种电化学梯度贮存的能量形成一种质子驱动力( proton-motive forc

9、e ) 。 当它驱动质子通过ATP合酶流回线粒体基质的同时，催化ATP的合成。 化学渗透模型是关于电子传递和ATP合成偶联 ( coupling )的理论。ATP的合成取决于线粒体中电子流的发生，而电子流动同样依赖于ATP的合成。二者缺一不可。 解偶联剂（uncouplers）:只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递和形成两个过程分离，电子传递产生的自由能转变为。其机制：使电化学梯度，因而不能形成ATP，而是以热量形式释放能量。典型的解偶联剂为苯酚（DNP）。 热量ATH不F回流，破2,4二硝基婴儿和其他初生的哺乳类以及冬眠动物的颈部和背部上方有一种特殊的脂肪组织，称为褐色 脂

10、肪。这种褐色脂肪细胞富含线粒体，并且线粒体上有产热蛋白，又称解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP-1），是H+通道，可将电子传递泵出线粒体的H+流回线粒体内，而不是通过FoF1 ATP酶。其生理意义是产热御寒。如缺乏这种蛋白，会导致新生儿硬肿症。 离子载体（ionophores）:通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性破坏跨膜电荷梯度，从 复合物-K+形成。如缬氨霉素ATP而使影响 人工电荷梯度最终证实了化学渗透模型的正确性。 F0&F1 ：具有两个截然不同的结构成分：-ATP合酶ATP生成的结构(ATP synthase) ，也称为F1 ATP酶。：质子通道。F1 ：合成

11、ATP，在体外水解ATPFoATP合酶的结构特点和作用机制结合变化模型 的形成过程，最终也抑制电子传递。如寡霉素: 通过直接干扰ATP氧化磷酸化抑制剂 合成酶的寡霉素敏感蛋白Fo结合，阻断质子通道。（oligomycin）：与ATP 氧化磷酸化的调节：作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用。它的：ADP呼吸控制(或受体控制, acceptor control)时氧的利用速率的比值。通常高于存在时氧的利用速率与没有ADP定量表示法是测定ADP 10。，质量作用比率）：作为细胞能量的一个指标。（也称mass action ratioADP+Pi）ATP/（ , NADH, NAD+都是氧化途径中的重要

12、调节因子ATP, ADP分子数。可通过实验测定。：指当一对电子通过呼吸链传到O2所产生的ATPP/O从一般认为P/O值是一个整数。质子的角度计算, NADH的P/ONADH的P/O为3, 琥珀酸的P/O为2P/O为1.5。 。根据化学渗透学说为2.5, 琥珀酸的, 5.4 质子梯度的其它用途 质子梯度贮存的能量可用于做其他功,如协同运输，产热（紫色脂肪组织），驱动细胞的鞭毛转动等。 5.5 通过线粒体内膜的物质运输 NADH穿梭系统 ( Shuttle systems of cytosolic NADH to mitochondrion ) 苹果酸-天门冬氨酸穿梭：最活跃的NADH穿梭途径。存在于肝脏、肾脏、心肌等细胞。 使用 the Malate-a-ketoglutarate transporters苹果酸-a-酮戊二酸和 the glutamate-aspartate transporters。谷氨酸-天冬氨酸 通过此途径, 从胞浆进入mt的NADH可生成2.5ATP。 3-磷酸甘油穿梭（glycerol 3-phosphate shuttle） 主要存在于骨骼肌和脑细胞。由于电子直接进入complex III, 产生能量较malate-aspartate shuttle少(1.5ATP)。 5.6 其他线粒体相关