第四章 生物氧化 呼吸链与氧化磷酸化

原核生物 细胞膜 真核生物 线粒体
节首
章首
高能磷酸化合物举例
生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接 形成 ATP ，大部分是以还原型辅酶 NADH 和 FADH2形式贮存的； 本章将重点讨论这些还原型辅酶被氧化、生 成ATP的过程，即电子传递和氧化磷酸化 （electrontransport and oxidative phosphorylation）。
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第三节 氧化磷酸化
一、化学渗透理论
Mitchell在1961年提出了氧化磷酸化的机制
－化学渗透理论（chemiosmotic theory）。
Mitchell认为：还原型辅酶的氧化可以产生
跨膜（线粒体内膜）的质子浓度梯度，而这一质
子梯度又可以进一步驱动ATP的形成。
化学渗透理论主要包括以下几点内容：
• 在有氧情况下，2分子NADH经呼吸链氧化成 H2O 可产生 6 分子 ATP ，因此，一分子葡萄糖 经酵解共产生8分子ATP。 • 在某些组织如骨骼肌或脑组织中， NADH 进 入线粒体要通过甘油磷酸穿梭系统。 • 由于 NADH 和 NAD ＋ 都不能通过扩散跨过线粒 体内膜，所以需要转运系统来转运。生物 体内主要存在着两种穿梭机制：甘油磷酸 穿梭机制和苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。
1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：专一抑制 NADH→CoQ的电子传递。 2、抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分离得到， 专一抑制CoQ→Cyt c的电子传递。 3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S：抑制细胞色素 c氧化酶。
二、磷酸化抑制剂
这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷 酸化也一定会抑制氧化。例如，寡霉素 (oligomycin) 可 与 F0 的 OSCP(p189) 结 合 ， 阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。 •
氧化磷酸化作用： 与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用称为 氧化磷酸化作用。是将生物氧化过程中释放出的 自由能转移而使ADP形成高能ATP的作用。
底物水平磷酸化作用： 从 一 个 高 能 化 合 物 （ 例 如 1,3- 二 磷 酸 甘 油 酸），将磷酰基转移给 ADP 形成 ATP 的过程称为底 物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接与一个代谢 中间物上的磷酰基转移相耦联。底物水平磷酸化 不需要氧，是酵解中形成ATP的机制。
常 用 的 解 偶 联 剂 有 2 ， 4- 二 硝 基 酚 (dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧 基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等， 过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶 联，从而使体温升高。
习题
• 1. 化学渗透学说要点是什么？
• 2. 2,4-二硝基苯酚的解偶联机制是什么？
9. 胞液中NADH如何氧化产生ATP?
柠檬酸循环产生的能量
在柠檬酸循环的总反应中，对于进入循环的每个乙酰CoA 都可以产生3分子NADH、1分子FADH2和1分子的GTP或 ATP。 通过位于线粒体内膜的电子传递链，NADH和FADH2被 氧化，伴随着氧化过程可以进行氧化磷酸化生成ATP。 每一分子的NADH被氧化为NAD＋时可以生成3分子ATP； 而一分子FADH2被氧化为FAD时可以产生2分子ATP，因 此一分子乙酰CoA通过柠檬酸循环和氧化磷酸化可以产生 12分子ATP。 一分子葡萄糖降解，它产生的总的ATP数量是38个或36个
氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑 制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。 一、呼吸抑制剂 这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就 是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧 化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被 抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧 均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分 光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种：
NADH氧化呼吸链
是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过 程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶：
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琥珀酸氧化呼吸链
由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组 成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括 FAD、铁硫中 心和另一种细胞色素b：
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线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链
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线粒体呼吸链的组成
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细胞色素
细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：
2CytFe3+ + 2e－
2CytFe2+
细胞色素 是属于色蛋白 类的结合蛋白质，辅基是铁 卟啉的衍生物，因其有颜色 又普遍存在于细胞内，故称 为细胞色素。根据其结构与 吸收光谱的不同可将细胞色 素分为a、b和c三类。
细胞色素c的结构示意图
二、ATP合成机制
1979年Paul Boyer提出了ATP合成的结合-
变换机制（binding-change mechanism），
他认为：
ATP合成酶含有3个催化部位，在任一给定时
间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧
缩。所有3个催化部位都依次经历上述3种构象变
化。
ATP 的形成和释放主要涉及以下几个步骤：
一、线粒体的基本特征
真核生物中，氧化磷酸化在线粒体中进行。
外膜含蛋白相对较少，容许分子量小于10000的离子和 水溶性代谢物跨膜扩散； 内膜含有丰富的蛋白质，向线粒体腔内高度皱褶形成 “嵴”，使得表面积大大增加。内膜容许不带电荷的分 子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的极性分 子和离子不能自由通透，需要特殊的跨膜转运蛋白协助 才行； 线粒体内膜和外膜之间的空隙称为“膜间隙”，膜间隙 中含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。
位ADP和Pi缩合形成ATP。
三、P/O比
指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分 子数。
ATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATP合成
伴随着质子浓度梯度的下降。三个电子复合物I、 III和IV传递大约导致线粒体内的10个H＋转移到 膜间隙（复合物I转移4个H＋ ；复合物III转移4个
• 3. 注射2,4-二硝基苯酚到动物体内可能引起
什么现象？为什么？
• 4. 简述ADP对呼吸链的调控作用。
• 5. 比较电子传递抑制剂，氧化磷酸化抑制
剂和解偶联试剂对生物氧化作用的影响并
举例说明。
• 6. 呼吸链中各电子传递体的排列顺序是如 何确定的？ • 7. 生物体能够利用的最终能源是： ①有机物的氧化；②ATP; ③磷酸肌酸；④太阳光。 8. 一分子乙酰辅酶A彻底氧化产生3个 NADH,1个FADH2和1个GTP，P/O比值是 多少？
在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒 体内，相关的酶嵌入线粒体内膜。线粒体中 的氧化磷酸化是由两个紧密偶联的过程构成 的：
线粒体的NADH和FADH2通过呼吸电子传递 链（respiratory electrontransport chain） 被氧化；
质子浓度梯度可作为自由能库。
第一节 线粒体的结构与功能
在哺乳 动物的肝 脏和其它 的某些组 织，存在 着活跃的 苹果酸-天 冬氨酸穿 梭机制。
主要存在于哺乳动物的肌肉和脑组织中。
第二节 电子传递链（呼吸链）
线粒体的内膜中有5种与氧化磷酸化有关的 蛋白质复合物，每种复合物都催化能量转 换过程中的某一部分反应。 I 至 IV 复合物含 有很多辅助因子，它们参与电子传递，而 复合物V是ATP合成酶。 标准还原电位（单位为伏特）与标准自由 能的变化（单位为 kJ/mol ）有直接的关系：
一分子的ADP和Pi结合在开部位。
质子跨过线粒体内膜进入基质，引起3个催 化部位发生构象变化。开构象（含有新结 合 的 ADP 和 Pi ） 转 变 为 松 弛 部 位 ， 已 被
ADP 和 Pi 填充的松弛部位转变为紧缩部位，
载有ATP的紧缩部位转变为开部位。
ATP 从开部位被释放出来，同时在紧缩部
偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂 是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子 代谢物通过特殊的转运体跨过膜。
通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度， 使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的 H ＋ 浓度升 高。
位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的质子 转 移 驱 动 反 应 中 催 化 ADP 磷 酸 化 。
三、解偶联剂(uncoupler) 解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以 进行，而磷酸化不能进行。
解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通 透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成。 解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷 酸化。
解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全 部以热的形式散发。新生儿和动物棕色脂 肪组织线粒体中有独特的解偶联蛋白，使 氧化磷酸化处于解偶联状态，这对于维持 他们的体温十分重要。
H＋ ；复合物IV转移2个H＋ ）。经ATP合成酶流
回线粒体基质可以驱动2.5个ATP的合成。
而象那样从支路复合物II进入电子传递链的电子经复合
物III传递到复合物IV，只能驱动6个质子的转移。而象 对二（二甲氨基）苯二胺那样直接提供2个电子给复合 物IV可以使2个质子转移到膜间隙。
四、氧化磷酸化抑制剂
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋） 黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸 （FMN和FAD） 铁硫蛋白（铁硫中心） 泛醌（CoQ） 细胞色素（ Cyta 、Cytb、Cytc）
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烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还 原形成的NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。
第七章 生物氧化
序言
第一节 线粒体的结构与功能
第二节 电子传递链（呼吸链） 第三节 氧化磷酸化
生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子 氧化分解 , 最终生成 CO 2 和 H 2 O 并释放出能量 的作用称为生物氧化(biological oxidation)。
生物氧化的特点
生物氧化的能量是逐步释放的； 生物氧化过程中产生的能量储存在高能化 合物（主要是ATP）中； 生物氧化具有严格的细胞内定位：
执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及ATP合成 酶复合物都嵌在内膜中。
线粒体基质中含有丙酮酸脱氢酶、及催化柠檬酸 循环和脂肪酸氧化的大多数酶。
二、线粒体的跨膜转运系统
在线粒体外反应产生的 NADH 不能直接通过呼吸 链进行氧化磷酸化，如 3- 磷酸甘油醛脱氢反应和 乳酸脱氢反应产生的NADH； 线粒体外的 NADH 不能自由通过线粒体内膜，必 须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能进 行电子传递，这就是所谓穿梭机制。体内主要有 两种穿梭机制。
NAD＋和NADH结构示意图
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铁硫蛋白（铁硫中心）
分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2 或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地 还原而传递电子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢 酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电 子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。
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泛醌
是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中 的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，故也属 于递氢体。