第三节：氧化磷酸化

2、抑制剂
直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成 的一类化合物。 由于影响（降低）O2的利用率，从而间接抑 制电子传递。（区别于电子传递链抑制剂） 寡霉素、双环己基碳二亚胺（抑制FOF1某些蛋
白的活性）
寡霉素等对利用氧的抑制作用可被DNP解除。
线粒体呼吸的5种状态（B.Chance
能量计算：NADH+H+被分子氧氧化
生成水，总反应为：
NADH+H++1/2O2
求此反应的ΔG0 ’ ：
NAD++H2O H2O , E0 ’ =0.82v NADH+H+, E0 ’ =-0.32v
因为：1/2O2+2H++2eNAD++2H++2e-
所以： ΔE0’=0.82-(-0.32)=1.14V
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) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 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。 线粒体的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。 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。 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、苹果酸-天冬氨酸穿梭（P/O=3或2.5）
胞液 外膜 膜 间 空 间 内膜 基质
动物心脏及肝脏 胞质溶胶内NADH 利用此穿梭
NAD+
NAD+ 1 1
苹果酸 Ⅰ 草酰乙酸
苹果酸 草酰乙酸
2
NADH+H+
NADH+H+ α-酮戊二酸 3 谷氨 酸 α-酮戊二酸 4 谷氨酸 Ⅱ 天冬氨酸
天冬氨酸
1、胞液的苹果酸脱氢酶 2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶 3、胞液的天冬氨酸转氨酶 4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶 Ⅰ、苹果酸-α 酮戊二酸反向交换载体 Ⅱ天冬氨酸-谷氨酸反向交换载体
线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2 经呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。
2、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）
电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过 程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自 由能的部位有3处，即复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ ，这3个部 位就是ATP合成的部位，称为偶联部位。
ΔG0 ’=-2X23.063X1.14=-52.6(Kcal/mol) =-220(KJ/mol)
3ADP+Pi
ΔG0 ’=3X7.3=21.9 (Kcal/mol)=91.6 (KJ/mol) 3个ATP的形成共截获的能量为41%
3ATP+3H2O
三、氧化磷酸化作用的机理
1、有关氧化磷酸化机理的几种假说
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。
四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不 同，据此将它们分成三大类：
1、解偶联剂（uncouplers）
某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度， 使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化 合物成为解偶联剂。 解偶联剂不抑制电子传递。不抑制底物水平的磷酸化。 解偶联剂主要有三种类型： • 化学解偶联剂：2、4-二硝基苯酚 • 离子载体： • 解偶联蛋白：
磷酸甘油穿梭 苹果酸-天冬氨酸穿梭
1、磷酸甘油穿梭（P/O=2或1.5）
胞液 外膜 膜间空间 内膜-P甘油脱氢酶 （内膜） FADH2 P-二羟丙酮 FP1 Fe-S
3-P甘油脱氢酶 （胞液） NADH+H+ P-二羟 丙酮
CoQ cytb
昆虫飞行肌细胞溶胶NADH利用此穿梭
自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成
跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的
电化学电势驱动ATP的合成。
化学渗透假说示意图
获 得 19 78 年 的 诺 + NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的作用，将H 贝 从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。 尔 + 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 化 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 学 为质子动力。 奖
二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比 1、P/O比：
1940年，S Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生成 的关系，为此提出P/O比的概念。（同位素实验） 当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子 数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与 消耗分子氧的氧原子数之比,称为P/O比。
离子载体（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+）
解偶联蛋白（产热素）


是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的 蛋白质，为天然解偶联剂。 它们能形成质子通道，让膜外的H+通过 通道返回膜内，消除跨膜质子浓度梯度。 如：动物的褐色脂肪组织，其产热机制 是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。
and G R Williams）
悬浮的线粒体实验： 状态I：无底物和ADP； 状态II：只有ADP 状态III：有底物和ADP 状态IV：有底物和加入的ADP 状态V：氧被耗尽时，线粒体 呼吸停止。
寡霉素对氧消耗的抑制以及DNP解除寡霉素的抑制作用：
五、线粒体穿梭系统
真核细胞细胞液中产生的NADH必须进入 线粒体才能经呼吸链氧化并生成ATP.
1、解偶联剂（uncouplers）
某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度， 使ATP不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化 合物成为解偶联剂。 解偶联剂不抑制电子传递。不抑制底物水平的磷酸化。 解偶联剂主要有三种类型： • 化学解偶联剂：2、4-二硝基苯酚 • 离子载体： • 解偶联蛋白：
化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说
（1）化学偶联假说（1953年）（掌握要点）
chemical coupling hypothesis
认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的 化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到 ADP中形成ATP。 AH2+B+I-OH A I+X-H+OHA I+BH2+OHX I+A+H2O
关于论证ATP形成部位的实验证据： （1）ΔG0 ’ =-nF ΔE0 ’
（2）
琥珀酸氧化P/O=2，苹果酸氧化P/O=3 表明在NADH——CoQ 有一次磷酸化作用
（3）A.Lehninger用抗坏血酸使电子从细胞色素C进入 呼吸链，测得P/O=1，说明由cytaa3——O2有一次 磷酸化 （4）使用专一性电子传递链抑制剂亦可测出ATP的形 成部位（举例）
关于H+通过电子传递链“泵”出的两种假 设
（一般了解）

氧化-还原回路机制 ( Mitchell提出）：线粒体内膜呼吸链
的各个氧-还中心即FMN CoQ CytC以及Fe-S中心的排列可能即执 行电子转移又能转移基质的质子。但是在电子传递链中，（H +e-）载体只有两个即FMN CoQ，则三个ATP合成部位中还缺少一 个 （H +e-）载体，假设CoQ发挥两次作用。（Q循环）
第三节 氧化磷酸化
一、概念 二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比 三、氧化磷酸化机理 四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 五、线粒体穿梭系统 六、氧化磷酸化的调控
一、概念
生物体内高能磷酸化合物ATP的生成 主要由三种方式： 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 光合磷酸化

1、底物水平磷酸化
底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物（PEP） 上的磷酸基团转移相偶联的作用。
特点：ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有 O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。
2、氧化磷酸化
是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电 子从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促 过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷 酸化。 这是需氧生物合成ATP的主要途径。 真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜 上进行。原核生物则在质膜上进行。

为4、2、4，而合成一个ATP分子是由3个H+通 过ATP合酶所驱动。所以电子从NADH传至O2， 共产生的ATP分子数是2.5个 若从琥珀酸传递至O2，只有两个偶联部位，产 生1.5个ATP。
Fe-S
FADH2
琥珀酸-Q还原酶 （复合体Ⅱ ）
四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂
不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不 同，据此将它们分成三大类：
迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白 质组分的构象变化还是存在的。
（3）化学渗透假说（1961）
chemiosmotic hypothesis