生物化学第六章生物氧化
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第三节 底物水平磷酸化
一ATP的生成方式
底物水平磷酸化 氧化磷酸化
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
1
（一）底物水平磷酸化
1.定义：由底物分子因脱氢或脱
水而使分子内部能量重新分配产生
的高能磷酸键（或高能硫酯键），
在激酶作用下将高能键上的键能直
接转移给ADP（或 GDP）而生成
ATP（或 GTP）的反应。
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
20
化学渗透假说示意图
H
+
H
+
H
H
+
+
++ +++++++ +++++++++ +
e-
-NADH
- - - - - - 延胡- 素- -酸
琥珀酸
+NA
H
D
+
+
--- -
H2
1/2O2+2 H
+
ADP+
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
O
AT P i 21
O COH CHOH +ATP CH2O P
2021/3/17
3-PG
生物化学第六章生物氧化
3
COOH H—C—O— P
CH2—OH
Enolase
COOH C—O~ P + H2O CH2 PEP
COOH
COOH
C—O~ P +ADP Pyr kinase C—OH + ATP
CH2
CH2
2021/3/17
0.88
1
Cytc(Fe2+)
Cytaa3→O2 0.61～0.68 1
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
14
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
15
三、氧化磷酸化的偶联机理
（一）能量偶联假说 •1953年 Edward Slater 化学偶联假说 •1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 •1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
24
四 线粒体 ATP合酶（mitochondrial ATPase）
形成ATP的机理
F1
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
柄
F0
25
2021/3/17
百度文库
生物化学第六章生物氧化
26
ATP合酶
ATP合成酶
由疏水的 F0(a1b2c1012) 和亲水的 F1(33)组 成.
质子穿过a时,
推动c环象水 车一样转动,连 带F1转动.
1 2
O2
H2O
12
氧化磷酸化的偶联部位
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
13
离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值
底物
呼吸链的组成
P/O值 生成ATP数
β-羟丁酸 NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2 2.4～2.8 2.5
琥珀酸
FAD→CoQ→Cyt→O2 1.7
1.5
抗坏血酸
Cytc→Cytaa3→O2
4.ATP合酶存在于线粒体内膜上，H＋梯度是ATP合成的
驱动力
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
19
化学渗透假说的支持证据
①电子传递能形成H+浓度梯度 ②线粒体内膜对H+、OH-、Cl-、K+等不能透过 ③ ATP合成需要有完整的内膜 ④破坏H+浓度梯度使得磷酸化不能进行 ⑤膜表面能储存大量质子，也能迅速转移质子
电子传递链
氧化过程
氧
1/2 O2
化
磷
释放能量
酸 化
ADP + Pi ATP合成酶 ATP 磷酸化过程
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
6
2、呼吸链成分的排列次序
标准氧化还原电位及自由能变化 复合体体外拆开与重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
8
生物化学第六章生物氧化
4
（二）氧化磷酸化的概念：
1.定义：生物过程中，代谢物脱下
的氢和电子沿呼吸链传递过程中，
逐步释放能量使ADP氧化生成
ATP。这种氧化与磷酸化紧密偶
联的过程称氧化磷酸化作用。
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
5
AH2 2H
A
NADH++H (或 FADH2)
H2O
NAD+ (或 FAD)
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
27
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
28
五 ATP合成的机制
旋转催化机制
定子
转子
ba
2021/3/17
c
生物化学第六章生物氧化
（二）质子梯度的形成 （三）线粒体 ATP合酶（mitochondrial ATPase） （四）ATP合成的机制
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
16
（一）能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
2
2.举例：糖酵解过程的底物磷酸化:
CHO
dehydrogenase
O
CO~ P
CHOH +NAD+ + Pi
CHOH
CH2O P
CH2O P
+NADH +H+
O
CO~ P
Phosphoglyceric
CHOH +ADP
kinase
CH2O P
G-1,3-2P
质子梯度的形成
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
22
化学渗透假说
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
23
氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）
氧化过程
物质氧化
高能电子 氧
energy
质子动力势 energy
ADP+Pi
ATP
2021/3/17
磷酸化过程
生物化学第六章生物氧化
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
9
呼吸链电子传递过程中，哪些区段 放出的能量能实现ADP的磷酸化？
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
10
二、氧化磷酸化偶联部位 确定
P/O比 指用某一代谢物作呼吸底物，消耗1mol 氧时，有多少摩尔无机磷转化为有机磷
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
11
P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递 至分子氧所产生的ATP分子数。
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5
NADH
2e-
1 2
O2
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 1.5
FADH2
2e-
2021/3/17
ADP+Pi 生物A化TP学第六章生A物D氧P+化Pi ATP
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
17
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
18
化学渗透假说的内容★★
1.呼吸链中传氢体和电子传递体是间隔交替排列的，且 在线粒体内膜都有特定的位置，催化反应是定向的。
2.内膜对H＋不能自由通过，泵出膜外侧的H＋不能自由 返回膜内侧，造成电化学梯度
3.复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都有质子泵的作用
一ATP的生成方式
底物水平磷酸化 氧化磷酸化
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
1
（一）底物水平磷酸化
1.定义：由底物分子因脱氢或脱
水而使分子内部能量重新分配产生
的高能磷酸键（或高能硫酯键），
在激酶作用下将高能键上的键能直
接转移给ADP（或 GDP）而生成
ATP（或 GTP）的反应。
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
20
化学渗透假说示意图
H
+
H
+
H
H
+
+
++ +++++++ +++++++++ +
e-
-NADH
- - - - - - 延胡- 素- -酸
琥珀酸
+NA
H
D
+
+
--- -
H2
1/2O2+2 H
+
ADP+
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O
AT P i 21
O COH CHOH +ATP CH2O P
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3-PG
生物化学第六章生物氧化
3
COOH H—C—O— P
CH2—OH
Enolase
COOH C—O~ P + H2O CH2 PEP
COOH
COOH
C—O~ P +ADP Pyr kinase C—OH + ATP
CH2
CH2
2021/3/17
0.88
1
Cytc(Fe2+)
Cytaa3→O2 0.61～0.68 1
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
14
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
15
三、氧化磷酸化的偶联机理
（一）能量偶联假说 •1953年 Edward Slater 化学偶联假说 •1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 •1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
24
四 线粒体 ATP合酶（mitochondrial ATPase）
形成ATP的机理
F1
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
柄
F0
25
2021/3/17
百度文库
生物化学第六章生物氧化
26
ATP合酶
ATP合成酶
由疏水的 F0(a1b2c1012) 和亲水的 F1(33)组 成.
质子穿过a时,
推动c环象水 车一样转动,连 带F1转动.
1 2
O2
H2O
12
氧化磷酸化的偶联部位
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
13
离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值
底物
呼吸链的组成
P/O值 生成ATP数
β-羟丁酸 NAD+→FMN→CoQ→Cyt→O2 2.4～2.8 2.5
琥珀酸
FAD→CoQ→Cyt→O2 1.7
1.5
抗坏血酸
Cytc→Cytaa3→O2
4.ATP合酶存在于线粒体内膜上，H＋梯度是ATP合成的
驱动力
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
19
化学渗透假说的支持证据
①电子传递能形成H+浓度梯度 ②线粒体内膜对H+、OH-、Cl-、K+等不能透过 ③ ATP合成需要有完整的内膜 ④破坏H+浓度梯度使得磷酸化不能进行 ⑤膜表面能储存大量质子，也能迅速转移质子
电子传递链
氧化过程
氧
1/2 O2
化
磷
释放能量
酸 化
ADP + Pi ATP合成酶 ATP 磷酸化过程
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
6
2、呼吸链成分的排列次序
标准氧化还原电位及自由能变化 复合体体外拆开与重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
8
生物化学第六章生物氧化
4
（二）氧化磷酸化的概念：
1.定义：生物过程中，代谢物脱下
的氢和电子沿呼吸链传递过程中，
逐步释放能量使ADP氧化生成
ATP。这种氧化与磷酸化紧密偶
联的过程称氧化磷酸化作用。
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
5
AH2 2H
A
NADH++H (或 FADH2)
H2O
NAD+ (或 FAD)
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
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2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
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五 ATP合成的机制
旋转催化机制
定子
转子
ba
2021/3/17
c
生物化学第六章生物氧化
（二）质子梯度的形成 （三）线粒体 ATP合酶（mitochondrial ATPase） （四）ATP合成的机制
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
16
（一）能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
2
2.举例：糖酵解过程的底物磷酸化:
CHO
dehydrogenase
O
CO~ P
CHOH +NAD+ + Pi
CHOH
CH2O P
CH2O P
+NADH +H+
O
CO~ P
Phosphoglyceric
CHOH +ADP
kinase
CH2O P
G-1,3-2P
质子梯度的形成
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
22
化学渗透假说
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
23
氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）
氧化过程
物质氧化
高能电子 氧
energy
质子动力势 energy
ADP+Pi
ATP
2021/3/17
磷酸化过程
生物化学第六章生物氧化
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
9
呼吸链电子传递过程中，哪些区段 放出的能量能实现ADP的磷酸化？
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
10
二、氧化磷酸化偶联部位 确定
P/O比 指用某一代谢物作呼吸底物，消耗1mol 氧时，有多少摩尔无机磷转化为有机磷
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
11
P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递 至分子氧所产生的ATP分子数。
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 2.5
NADH
2e-
1 2
O2
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 1.5
FADH2
2e-
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ADP+Pi 生物A化TP学第六章生A物D氧P+化Pi ATP
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
17
2021/3/17
生物化学第六章生物氧化
18
化学渗透假说的内容★★
1.呼吸链中传氢体和电子传递体是间隔交替排列的，且 在线粒体内膜都有特定的位置，催化反应是定向的。
2.内膜对H＋不能自由通过，泵出膜外侧的H＋不能自由 返回膜内侧，造成电化学梯度
3.复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都有质子泵的作用