第三节氧化磷酸化
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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
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
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
（2）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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）
能量计算：NADH+H+被分子氧氧化
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
X I+P-OH
X P+ADP AH2+B+ADP+P-OH
X P+I-OH
ATP+X-H A+BH2+ATP+H2O
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
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
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。
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）。
（3）化学渗透假说（1961）
chemiosmotic hypothesis
1961年由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出。 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨 线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的
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
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。
二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比 1、P/O比：
质子泵机制：电子传递导致复合体的构象变化，而造成AA侧链
pK 的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外侧（交替变 化），从而使质子发生移位。
ATP的合成机制— FOF1-ATP合酶
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。
1978
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？
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）
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。
关于论证ATP形成部位的实验证据： （1）ΔG0 ’ =-nF ΔE0 ’
（2）构象偶联假说（1964）
conformational coupling hypothesis
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋 白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这 种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。
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。
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。
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
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
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
（2）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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）
能量计算：NADH+H+被分子氧氧化
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
X I+P-OH
X P+ADP AH2+B+ADP+P-OH
X P+I-OH
ATP+X-H A+BH2+ATP+H2O
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
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
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。
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）。
（3）化学渗透假说（1961）
chemiosmotic hypothesis
1961年由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出。 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨 线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的
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
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。
二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比 1、P/O比：
质子泵机制：电子传递导致复合体的构象变化，而造成AA侧链
pK 的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外侧（交替变 化），从而使质子发生移位。
ATP的合成机制— FOF1-ATP合酶
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。
1978
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？
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）
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。
关于论证ATP形成部位的实验证据： （1）ΔG0 ’ =-nF ΔE0 ’
（2）构象偶联假说（1964）
conformational coupling hypothesis
认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋 白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这 种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。
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。
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。