8电子传递与氧化磷酸化.ppt

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1、第六章 生物氧化电子传递和氧化磷酸化作用,(Biological oxidation electron transport and oxidative phosphorylation),一、电子传递和氧化呼吸链二、氧化磷酸化作用,Respiration and energy,One of the most complicated metabolic pathways encountered in biochemistry-the mitochondrial electron transport system and its related ATP synthase.Electron trans

2、ferring via a chain of membrane bound carriers,across membrane proton gradient,ATP synthesis(with O2 consumed),Cells need energy to do all their work,To generate and maintain its highly ordered structure(biosynthesis of macromolecules).To generate all kinds of movement.To generate concentration and

3、electrical gradients across cell membranes.To maintain a body temperature.To generate light in some animals.,Some historical facts about our understanding on oxidative phosphorylation,1930s:Pyruvate was known to be completely oxidized to CO2 via the citric acid cycle(with O2 consumed).1930s:NAD+and

4、FAD were found to be e-carriers between metabolites and the respiratory chain.1930s:Role of ATP and general importance of phosphorylation in bioenergetics were realized.,1950s:Isolated mitochondria were found to effect the obligatory coupling of the phosphorylation of ADP and the e-transfer from NAD

5、H to O2.1961,the chemiosmotic hypothesis was proposed for linking the e-transfer and ADP phosphorylation(based on the uncoupling phenomenon and the intactness requirement)1960s,ATP synthase was identified from mitochondria.,概念：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实

6、质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。,生物氧化,Concept of Biological OxidationOxidation of materials in the biological body Degradation of glucoses,fatty acids,proteins Release of energy Formation of CO2 and H2OTrap the energy released as ATP and Body heat,与非生物氧化相比:相同点,生物氧化与非生物氧化的比较,化学本质相同，都是失电子

7、反应，如脱氢、加氧、传出电子。失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物体内，生物氧化有三种方式：加氧氧化，电子转移和脱氢氧化。同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同。,Electron transfer via red-ox reactions generates biological energy,Oxidative reaction De-electron Dehydrate Add oxygenReductive reaction Accept electron Add hydrate De-oxygen,不同点：生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、pH

8、）温和；而体外燃烧则是剧烈的游离基反应，要求在高温、高压以及干燥的条件下进行。生物氧化分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步释放；而体外燃烧能量是爆发式释放出来的。生物氧化释放的能量有相当多的转换成ATP中活跃的化学能，用于各种生命活动；体外燃烧产生的能量则转换为光和热，散失在环境中。,CO2的生成,方式：生物氧化过程中生成的CO2并不是代谢物上的碳原子与吸入的氧直接化合的结果，而是有机酸脱羧作用生成的。糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。根据所脱羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为脱羧和脱羧；又根据反应的同时是否伴有氧化反应，分为单纯脱羧和氧化脱羧

9、。类型：-脱羧和-脱羧（从脱羧的位置）氧化脱羧和单纯脱羧（脱羧方式）,Direct Decarboxylation,a,-,d,i,r,e,c,t,d,e,c,a,r,b,o,x,y,l,a,t,i,o,n,H,3,C,C,C,O,O,H,O,a,-,酮,酸,脱,羧,酶,M,g,2,+,T,P,P,H,3,C,C,O,H,+,C,O,2,Oxidative Decarboxylation,H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O

10、=,2H+,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,Biological oxidations are catalyzed by intracellular enzymes.The purpose of oxidation is to obtain energy.Electron Tra

11、nsport:Electrons carried by reduced coenzymes(NADH or FADH2)are passed sequentially through a chain of proteins and coenzymes(so called electron transport chain)to O2.Oxidative Phosphorylation:Coupling e-Transport(Oxidation)and ATP synthesis(Phosphorylation).It all happens in mitochondrion or at the

12、 inner mitochondrial membrane(eukaryotic cells),Impermeable to ions and most other compounds,In inner membrane knobs,the mitochondrion contained the enzymes responsible for electron transport and oxidative phosphorylation,Mitochondria,outer membrane relatively permeableinner membrane permeable only

13、to those things with specific transportersImpermeable to NADH and FADH2Permeable to pyruvateCompartmentalizationKrebs and-oxidation in matrixGlycolysis in cytosol,Most energy from Redox,electrons during metabolic reactions sent to NAD and FADGlycolysisIn cytosolproduces 2 NADHPyruvate dehydrogenase

14、reactionIn mitochondrial matrix2 NADH/glucoseKrebsIn mitochondrial matrix6 NADH and 2 FADH2/glucose,线粒体是生物氧化的发生场所,线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。

15、,电子传递链的概念,Electron Transport and Oxidative Phosphorylation,Electron transport and oxidative phosphorylation re-oxidize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP.In eukaryotes,electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes

16、the process occurs in the plasma membrane.,电子传递链的组成,呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组成，在线粒体内膜上有4种参与电子传递的蛋白质复合体，分别为 NADHQ还原酶（NADH-Q reductase）琥珀酸Q还原酶（succinate-Q reductase）细胞色素还原酶（cytochrome reductase）细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）,洋地黄皂苷,Various prosthetic groups act as intermediate electron carriers in the respiratory

17、 chain,呼吸链的组成,1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（ironsulfur proteins)3.辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）5.血红素(hemes)6.铜离子（Cu）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,电子传递的方向,在电子传递链中，有一系列电子传递体，这些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位决定的。呼吸链中的电子传递有

18、着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。,Electrons of NADH and FADH2 are transferred to O2 via many intermediate electron carriers on the way,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物,复合物,复合体 I,复合物,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,NADH呼吸链电子传递

19、和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,电子传递链各个成员,1.NADHQ还原酶,NADHQ还原酶又称为NADH脱氢酶，简称为复合体。该酶含有FMN辅基和Fe-S聚簇，催化反应时，先将NADH的电子传递到FMN上，再传给Fe-S聚簇，最后传给辅酶Q。Fe-S聚簇有几种类型，含有Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白，又称为非血红素铁蛋白。Fe-S聚簇通过其中的Fe2+和Fe3+的变化来传递电子。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的

20、蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。铁与无机硫原子或是蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合，常见的铁硫蛋白有三种组合方式（a）单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。（b）两个铁原子、两个无机硫原子组成（2Fe-2S），其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。（c）由4个铁原子与4个无机硫原子相连（4Fe4S），铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。铁硫蛋白中的铁可以呈两价（还原型），也可呈三价（氧化型），由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。,Iron-sulfur centers(Fe-S)

21、are prosthetic groups containing 1-4 iron atoms Iron-sulfur centers transfer only one electron,even if they contain two or more iron atoms.,Iron-sulfur Centers(clusters),简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移

22、给Q。NADHQ还原酶 NADH+Q+H+=NAD+QH2,Complex 1,Has NADH binding siteNADH reductase activityNADH-NAD+NADH-FMN-FeS-ubiquinoneubiquinone-ubiquinone H24 H+pumped/NADH,2.辅酶Q,辅酶Q(Coenzyme Q)又称泛醌（ubiquinone），有时简称为Q或UQ，是一种脂溶性物质，它可以接受1个电子还原成半醌中间体，再接受1个电子还原成对苯二酚形式。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的是具有10个异戊二烯单位的侧链，简写为Q10，在非哺乳动物中这

23、个侧链可能只有6-8个异戊二烯单位。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩散。,辅酶Q的结构和氧化还原态,3.琥珀酸Q还原酶,琥珀酸Q还原酶又称为复合体，完整的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子质量约140103，含有一个以FAD为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。,Complex II,succinate-FADubiquinoneContains coenzyme QFADH2 binding siteFAD reductase activity

24、FADH2-FAD,Complex II:Succinate-coenzyme Q reductase,4.细胞色素还原酶,细胞色素还原酶又称复合体、辅酶Q细胞色素c还原酶。它的作用是将还原型辅酶Q的电子传递给细胞色素c。细胞色素还原酶中含有细胞色素b，也含有2Fe-2S聚簇。,细胞色素（cytochrome),细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。还原型细胞色素具有明显的可见光吸收，可以看到、和三个吸收峰，其中峰的波长随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区看不到吸收峰。细胞色

25、素中的血红素有三种，分别称为细胞色素a、b和c，同一种细胞色素血红素因结合的蛋白质不同，其吸收峰的波长会发生小的变化，如细胞色素还原酶中含有的细胞色素b就分为bH（b562）和bL（b566）两种。,几种细胞色素的最大吸收峰,细胞色素,特点：以血红素为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，

26、属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。,5.细胞色素c,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜中自由扩散，还原型辅酶Q（氢醌）将一个电子交给Fe-S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。Q循环是指在线粒体内膜中电子传递链上QH2分别传递一个电子到细胞色素中，即共使2个细胞色

27、素得到电子，从而被氧化。,Complex III,ubiquinone-ubiquinone ox while cyt C gets reducedAlso contains cytochromes bproton pump 4H+Adds to gradient8 H+/NADH 4 H+/FADH2,简写为cyt.c 氧化酶，即复合物IV，它的作用是将还原型细胞色素c的电子传递给分子O2，生成H2O。它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的

28、铜离子可以发生 Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,6.细胞色素氧化酶,复合物（细胞色素氧化酶）由6-13条多肽链组成，总的相对分子质量约60103-170103，以二聚体形式存在。每个单体包括细胞色素aa3和含铜蛋白。其作用是催化电子从还原型细胞色素c传递给氧分子，同时发生质子的跨膜移位。所以复合物既是电子传递体，又是质子移位体。,Complex IV,reduction of oxygencytochrome oxidasecyt a+a3 red-oxidized stateoxygen-water2 H+2 e-+O2-2 H2Otransfers e-one

29、at a time to oxygen Pumps 2H+outTotal of 10 H+/NADHTotal of 6 H+/FADH2,Electron Transport Chain,Groups of redox proteinsOn inner mitochondrial membraneBinding sites for NADH and FADH2On matrix side of membraneElectrons transferred to redox proteinsNADH reoxidized to NAD+FADH2 reoxidized to FAD,4 Com

30、plexes,proteins in specific orderTransfers 2 electrons in specific orderProteins localized in complexesEmbedded in membraneEase of electron transferElectrons ultimately reduce oxygen to water2 H+2 e-+O2-H2O,Complex I:NADH enters at NADH dehydrogenase(also NADH:ubiquinone oxidoreductase or NADH-Q oxi

31、doreductase).,(complex II):succinate Dehydrogenase,FADH2 of flavoproteins also transfer their electrons to ubiquinone(Q),with no H+pumped.,(Complex III)Cytochrome bc1 complex passes 2e-from 1 QH2 to 2 cytochrome c,e-transferring&H+pumping in Complex III via the Q cycle(for each 2 e-transferred,4H+ar

32、e released at the P side and 2H+taken from the N side(matrix),Complex IV:Cytochrome c oxidase,the terminal enzyme of the respiratory chain,contains 3 Cu and 2 heme A groups as electron carriers,The sequence of electron carriers should be predictable based on their redox potential,电子传递的抑制效应,凡是能够阻断电子传

33、递链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂，由于阻断部位物质的氧化还原状态能被测定，所以利用电子传递抑制剂是研究电子传递顺序的重要方法，下面列举了若干种常见的重要的电子传递抑制剂。,1、鱼藤酮等 阻断从NADH向CoQ的传递,鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。,2、抗霉素A 阻断复合物的电子传递,抗霉素A（antimycin A），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递，即阻断细胞

34、色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。,3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S 阻断复合物IV向O2的传递,氰化物（cyanide,CN）、叠氮化物（azide,N3）、一氧化碳（carbon monoxide,CO）和硫化氢(hydrogen sulphide)，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN）和叠氮化物（N3）能与血红素a3的高铁形式（ferric form）作用而形成复合物,而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3的亚铁形式（ferrous form）。,电子传递链中的抑制剂,代谢

35、物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。,类别：底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,二.氧化磷酸化作用,Oxidative Phosphorylation,ConceptOxidative phosphorylation is the process in which ATP is formed as a result of the transfer of electrons from NADH or FADH2to O2by a series of electron carriers.,电子传递和氧化

36、磷酸化,柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅酶，包括NADH和FADH2，将其携带的电子经过电子传递，最终交给分子O2，形成H2O。在电子传递过程中释放出大量的自由能，这些自由能被用来推动ATP的合成。在呼吸电子传递链中，总反应式为 NADH+H+1/2 O2 NAD+H2O G0=220.07 kj/mol FADH2+1/2 O2 FAD+H2O G0=181.58 kj/mol,还原型辅酶中的能量,在糖酵解和柠檬酸循环中，1分子葡萄糖完全氧化可以生成10个NADH和2个FADH2，它们氧化后可以释放出的自由能为 10220.07+2181.58=2563.86 kj/mol 1分子葡

37、萄糖完全氧化释放的自由能为2870.23 kj/mol 还原型辅酶中贮存的能量比例为：（2563.86/2870.23）100%=89.3%,氧化磷酸化的P/O比,磷氧比（PO）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。近年来很多实验结果都证明，以NADH作为电子供体时，测得的P/O比值大于2,所以P/O比值不一定是整数。例如，-羟丁酸经过NADH途径的P/O比值为2.42.6，产生的ATP数目为2.5；而琥珀酸经过FADH2的P/O比值为1.7，产生的ATP数目为1.5。,目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。

38、每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1分子ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5 个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。,底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合 物直接将磷酸基团转移给ADP，使之 磷酸化生成ATP。氧化磷酸化：NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧

39、生物合成ATP的主要途径。,20世纪30年代包括德国生物化学家、诺贝尔奖获得者Meyerhof&Warburg在内的许多生化学家对代谢过程中能量的产生和利用作了深入研究，发现无论在糖酵解或三羧酸循环等代谢过程中，都有伴随着ATP磷酸根的放出或ADP得到磷酸根的变化这类化学能量高效率的传递方式，指出腺苷三磷酸（ATP）是代谢中能量产生和利用的关键化合物。,1941年Fritz Lipmann引入“高能磷酸键(P)”的概念。1949年美国生化学家Eugene Kennedy和Albert Lehninger发现线粒体含有三羧酸循环和呼吸链所需要的全部酶系统，并且发现生物氧化与ADP磷酸化相偶联构成

40、了氧化磷酸化。但是，NADH的氧化和电子传递过程是如何与ADP磷酸化生成ATP反应偶联起来一直不清楚。,氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase）2、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,3、质子梯度的形成4、ATP合成的机制,1978年获诺贝尔化学奖,ATP的合成部位,线粒体内膜上有许多球形突起，称为内膜球体（inner membrane sphere）。这些球体通过一个柄连接到内膜中的基座上，我们把球体和柄合称为F

41、1，基座称为Fo，F1和Fo合称复合体。在离体条件下，这种复合体有水解ATP的活性，所以开始称它为ATP酶，后来发现在完整的线粒体中它的功能是合成ATP，现在称它为ATP合酶。,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,ATP产生的部位,电子传递链标准氧还电势、自由能变化和ATP形成部位示意图,线粒体ATP合酶,超声波,胰蛋白酶或尿素,电子传递形成跨膜的质子梯度,在电子传递过程中，还伴随有H+从线粒体内膜的基质侧，向内膜的外侧运输，结果造成跨线粒体内膜的质子梯度，这样在膜内外既造成质子的浓度梯度

42、，又造成电势梯度，这种电化学势梯度贮存有能量，当质子由膜的外侧向内侧运动时，推动ATP合成。,Generation of ATP,Proton dependant ATP synthetaseUses proton gradient to make ATPProtons pumped through channel on enzymeFrom intermembrane space into matrix4 H+/ATPCalled chemiosmotic theory,比较著名的假说有三个：化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透学说目前得到公认的是“化学渗透学说”。,氧化磷酸化-能量偶联的机

43、理,这个假说是1953年由Edward Slater最先提出。假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生的能量来驱动ATP的合成。这一假说完全是依据底物水平磷酸化机理提出的，例如在糖酵解中，由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应就产生了一种活泼且具有高能磷酸基转移势能的酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油，随后其分子中的高能磷酸基团在磷酸甘油酸激酶的作用下被转移到ADP生成ATP。虽然在糖酵解过程中存在这种例证，但是人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间物。,化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis,这个假

44、说是1964年由P.D.Boyer提出。该假说认为作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象转变为高能构象，后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定的实验根据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化，但由于测定构象比较困难，支持这个假说的实验太少。,构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis,英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出化学渗透假说，他认为电子传递释放出的自由能及ATP合成是与一种跨线粒体内膜

45、的质子梯度相偶联的。也就是说，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到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATP合成。由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且Peter Mitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。,化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis,The Nobel Prize for Chemistry in 1978,Peter Mitchell(1920-1992),Mechanism of coupled oxidative pho

46、sphorylation,Chemiosmotic hypothesis,In 1961,Peter Mitchell proposed a novel idea-a proton gradient across the inner membrane could be used to drive ATP synthesis.,由上述化学渗透假说可知，该模型必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。,化学渗透假说的实验证据,氧化磷酸化作用需要封闭的线粒

47、体内膜存在。线粒体内膜对H+、OH、K+、Cl等离子都是不通透的。破坏H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体内膜上的电子传递能够将H+从基质运输到膜间隙。人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和F1Fo ATP合酶后，在照光时有ATP的合成。,质子泵出是需能过程,一个质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的自由能变化可以用下式表示G=2.3RT pH(膜内)pH(膜外)ZF 式中，是膜电势，即膜内外的电势差。=(膜外)(膜内),质子转移的两种假设机制,（1）氧化还原回路机制,该机制由Mitchell提出。他认为电子传递链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可以结合H+，当它们被还原时，在膜内

48、侧结合H+，而被氧化时，在膜外侧释放H+，这样就把H+从膜内运到了膜外。,（2）质子泵机制,这个机制的内容是，电子传递导致复合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+，构象变化后在膜外侧释放H+，从而把H+从膜内侧运到膜外。,合成ATP与跨膜质子的数量关系,在生理条件下合成1个ATP所需的自由能大约为4050kj/mol。至少需要两个质子跨膜回流释放的能量才够合成1个ATP。因为转移出膜外的质子有一部分漏回膜内，测定的结果表明，每合成1个ATP需要泵出23个质子。,Electron Transport Thus Captures Energy as Proton-Motive Force,Dy

49、=0.15-0.2 V,0.75 pH units higher than P-side,10 protons are pumped out,which conserves about 200 kJ/mol(of NADH)as electrochemical potentialWhen protons are allowed to flow back in,work can be performed:the synthesis of ATP,Proton Pumping,Complexes I,III,and IV“pump”protons from the mitochondrial ma

50、trix space to the intermembrane space.Complex I pumps 4,complex III pumps 4,and complex IV pumps 2 protons per pair of electrons transported.,Proton Motive Force,A gradient of protons is created across the inner mitochondrial membrane by the electron transport chain.It is the energy stored in this g