1、關于生物氧化 (9)第一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月生物氧化: 有機分子在細胞內徹底氧化成CO2和H2O，并釋放能量的過程（體內氧化）。 又稱細胞呼吸、組織呼吸。生物氧化釋放的能量：主要（40以上）用于ADP的磷酸化生成ATP，供生命活動之需;其余以熱能形式散發用于維持體溫。第二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月生物氧化內容1）生物體內代謝物的氧化作用、代謝物脫下的氫與氧結合成水。2）生物體內二氧化碳的生成。3）能量的釋放、儲存、利用（ATP的代謝）。第三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月生物氧化的特點在溫和條件下經一系列酶催化下完成；能量逐步釋放，部分儲存于AT

2、P分子中；廣泛以加水脫氫方式使物質間接獲氧；CO2由有機酸脫羧方式產生；脫下的氫通過遞氫體傳遞再與氧結合生成水。第四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月一、氧化還原電勢（復習）二、電子傳遞和氧化呼吸鏈三、氧化磷酸化作用第五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月一、氧化還原電勢（物質得失電子的能力）第六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月CuCu+ZnZn+陽極：Zn+/Zn（氧-還對） Zn Zn+ + e （氧化）電池負極：氧化-還原電勢低eeeeeee電流方向(規定從正極流向負極）陰極：Cu+ /Cu（氧-還對） Cu+ + e Cu （還原）電池正極：氧化-還原電勢高+-

3、原電池物質氧化/還原態組成電極；兩個電極組成回路原電池。第七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月氧化-還原反應: 電子從一種物質傳遞到另一種物質的化學反應.還原劑: 電子供體; 物質失電子即變為氧化型. (還原劑自身被氧化)氧化劑: 電子受體; 物質得電子即變為還原型. (氧化劑自身被還原) 1.1 氧化-還原反應的基本概念第八張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月氧化-還原對: 氧化劑與相應的還原劑偶聯.氧化-還原電勢: 還原劑失掉電子/氧化劑得到電子的傾向.電池正極、負極：電極電勢高正極，易得電子 電極電勢低負極，易失電子A + e A- , A/A- 即構成氧-還對（電極） 電

4、子從負極流向正極，而電流則相反。第九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月Nernst equation:E為電極勢，E0為標準電極勢，R為氣體常數，T為絕對溫度（K)，n為電極價數變化，F為法拉第常數。標準狀態：1 大氣壓，25，各物質活度為1標準氫電極：P =1, T= 298K，H+ = 1 （規定：E0 H+/H2 = 0)E = E0 + RT/nF ln還原態電子受體a/氧化態電子供體b1.2 氧化-還原反應的電極電動勢第十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月標準氧化還原電勢參加氧化還原反應的每種物質都有氧化型和還原型兩種形式：AH2 + B A + BH2A/AH2或B

5、/BH2構成各自的氧-還對, 其供出電子趨勢的大小，用標準氧化還原電勢E0(電極與標準氫電極構成原電池的電池電動勢)來表示E0越小，氧還對越傾向失去電子；E0越大，氧還對越傾向得到電子。 p117電子流動方向總是由電負性較強(低）的氧還對流向具有更強電正性（高）的氧還對。第十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月生物體中某些氧還對的標準氧化還原電勢(表24-1)電子流動方向第十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月分子之間的電子傳遞的四種形式 電子直接轉移（金屬離子） H原子（一個電子加一個質子） 氫負離子（兩個電子） 與氧共價結合(碳氫化合物)第十三張，PPT共九十五頁，創作于2

6、022年6月1.3 電勢與自由能及Keq的關系 - Wmax = G0 = -nFE0 = -2.303RT lgKeq細胞內離子梯度電勢差反應推動力E0 = 2.303RT/nF lgKeq第十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月二、電子傳遞和氧化呼吸鏈2.1 呼吸鏈的組成2.2 呼吸鏈的類型2.3 各種組分的排列2.4 呼吸鏈各個成員第十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月線粒體細胞的動力站真核細胞生物氧化過程主要在線粒體的內膜上進行，內膜上分布著許多的酶和電子傳遞體，構成兩種類型的呼吸鏈。內膜上結合的顆粒（內膜粒子，或稱基粒、三分體等）具有ATP合酶的活性，稱FoF1AT

7、Pase 。原核細胞則在質膜上。第十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月呼吸鏈（respiratory chain）：代謝物脫下的氫原子由高能遞氫體攜帶，通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水并伴隨大量ATP產生。這一電子/質子傳遞鏈及過程稱為呼吸鏈, 又叫電子傳遞鏈。伴隨著電子/質子傳遞的氧化還原反應過程而發生的ATP產生, 稱為氧化磷酸化作用。呼吸鏈由按一定順序排列在線粒體內膜上的遞氫體和遞電子體組成。特征：由頭至尾電極電勢 低 高依次排列第十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月復合體：NADH-Q還原酶復合體：琥珀酸-Q還原酶復合體：細胞色素還原酶復

8、合體：細胞色素氧化酶復合體V： ATP合酶（氧-磷）輔酶Q（泛醌，CoQ）細胞色素c（cyt c）2.1 呼吸鏈的酶復合體與小分子成分組成低高E0P 120 表 24-2 , 在線粒體內膜上交錯排列輔因子黃素類鐵硫簇卟啉類銅離子名稱 酶功能大型蛋白復合體亞基43 411X213 8第十八張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月2.2 呼吸鏈的排列與種類線粒體膜間隙(P)線粒體基質琥珀酸脫氫酶FDAH2(N)呼吸鏈化學變化起始物：NADH或FADH2；ADP；O2；Pi呼吸鏈化學變化終止物：NAD，FAD；ATP；H2O第十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月2.2.1 NADH氧化呼

9、吸鏈： NADH + H+ + O2 NAD + H2O （反應經呼吸鏈而完成） G0 = -220.07 kJ/mol復合物I （NADH-CoQ 還原酶，含FMN，Fe-S）CoQ（泛醌）復合物III（CoQ-細胞色素c還原酶，含Cytb562、 Cytb566，Fe-S，Cytc1）細胞色素c復合物IV （細胞色素c氧化酶，Cyta,a3，含CuA、 CuB）第二十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月e FMN Fe-S CoQ cyt c CuA cyt a cyt a3 CuB O2 Fe-S cyt c1 cytb566cytb562 復合物I復合物III復合物IV第二十一張

10、，PPT共九十五頁，創作于2022年6月2.2.2 FADH2氧化呼吸鏈： FDAH2 + O2 = FAD + H2O G0 = -181.58 kJ/mol復合物II（琥珀酸-Q 還原酶，含FAD、Fe-S， Cytb560）CoQ復合物III（同 NADH 呼吸鏈）Cytc復合物IV （同 NADH 呼吸鏈）第二十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月2.3 呼吸鏈成分的排列順序與電極電勢1. 根據各組分的E0從低到高排列 電位越低越容易失去電子（圖24-3、表24-1）。2. 在體外將呼吸鏈拆開重組3. 利用呼吸鏈特異抑制劑阻斷電子傳遞阻斷部位之前組分處于還原狀態，后面的組分處氧

11、化狀態，根據吸收光譜的改變可檢測。4. 以離體線粒體的還原態（無氧）對照 緩慢給氧，通過光譜觀察各組分的氧化順序。第二十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月紅色標示為兩種呼吸鏈起始物質。藍色標示為呼吸鏈最終產物黃橙色標示為中間代謝產物第二十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月NADH 攜帶的電子通過復合體I,進入氧化呼吸鏈, 遞出電子和質子, 經過泛醌, 依次傳遞到復合體III 細胞色素bc1, 最后傳給復合體IV，交給分子氧生成水；泵出H+,經復合體V回流，推動ATP產生。呼吸鏈各組分按電極電勢由低到高排列第二十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月2.4 電子傳遞鏈的

12、各個組分及其工作機制高能的電子與質子，時分時合，同向相伴傳遞。一些復合體不僅傳遞電子而且是質子泵。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ P 胞液側 N 基質側 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - FADH2FADCoQ/CoQH2cytco/cytcr第二十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 氧還對NAD/NADH的E0 = -0.315 V 氧還對CoQ/CoQ2的E0 = +0.045 V復合體I：將電子從NADH傳給CoQ鐵硫蛋白

13、，Fe-S為輔基。復合體I中含有43 亞基黃素蛋白，FMN為輔基；電池電動勢：0.36 V （見P121 )反應：NADH+H+ + CoQ NAD + CoQH2 底物酶I酶I第二十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月復習：CoI 與CoII注意：在其它代謝途徑中脫氫產生的NADH+H+ 或FADH2，是氧化呼吸鏈代謝途徑中的起始反應物質。第二十八張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月復習：黃素腺嘌呤單核苷酸第二十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月鐵硫蛋白與鐵硫中心（Fe-S）鐵硫蛋白是含硫的非血紅素鐵蛋白，也稱鐵硫中心或鐵硫聚簇，這類蛋白質借助Fe化學價的變化（Fe+

14、/Fe+）傳遞電子。Fe-S含有不等量的鐵原子和硫原子；通過鐵原子與鐵硫蛋白中的半胱氨酸殘基的硫相連；其鐵原子可進行氧化還原反應傳遞電子。特征：第三十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月常見的幾種鐵硫蛋白Fe單質S氨基酸S第三十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月NADH-Q還原酶促使NADH的高能電子/質子轉移到輔酶FMN上然后發生電子與質子的分離，e傳遞給系列Fe-S聚簇，而H+被泵出線粒體內膜外。NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+ NADH-Q還原酶是電子傳遞鏈的第一個質子泵。整體構型為L-型，部分游離于線粒體基質，部分嵌入線粒體內膜。Fe-S聚簇蛋白

15、（至少6個）從FMNH2接受電子繼續將其傳遞給CoQ，接受電子的CoQ-再從基質（N面）接受H+ 成為還原型CoQH2。 復合體I 中發生的反應 Fe-S（酶內部）eH+線粒體膜間隙CoQ第三十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月NADH + 5H+N + CoQ NAD+ + CoQH2 + 4H+PN面P面 G0 = -69.5 kJ/mol第三十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月FADH2FAD琥珀酸脫氫酶復合體II：將電子從FADH2傳給CoQ氧還對FAD/FADH2的E0 = -0.18 V氧還對CoQ/CoQH2的E0 = +0.045 VFAD輔基共價連接鐵硫簇

16、（Fe-S）輔基 琥珀酸-Q還原酶 其它來源中介 G0 = -36.7 kJ/mol第三十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月琥珀酸脫氫酶：復習三羧酸循化Fe-S 聚簇：2Fe-2S， 3Fe-3S， 4Fe-4S琥珀酸脫氫酶為四亞基酶，輔酶中的FAD將底物中的H脫離，傳遞給Fe-S聚簇，然后再傳遞給CoQ。此復合物沒有質子泵作用。其他代謝途徑中脫氫酶中的FAD將底物中的H脫離，通過其他氧化還原酶途徑將H傳遞給CoQ。第三十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月線粒體內膜線粒體基質琥珀酸脫氫酶有4個亞基（各色所示），多個鐵硫中心琥珀酸延胡索酸FADH2CoQCoQH2第三十六張，

17、PPT共九十五頁，創作于2022年6月一種脂溶性醌類化合物，可以在生物膜內移動含有一個較長的側鏈（R），疏水性強（人的CoQ由10個異戊二烯單位組成，故稱為CoQ10）可以接受或脫去電子和質子參加氧化還原反應;將電子從復合體I或II轉移到復合體III。輔酶Q（CoQ, UQ, 泛醌）第三十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月CoQ: 呼吸鏈遞氫遞電子體。需要兩個電子和兩個質子，通過兩步反應才能徹底還原。處于電子傳遞鏈的中心地位。電子來自復合體I或的Fe-S中心，而（一般理解為）質子來自線粒體基質。氧化型CoQ半醌型CoQ還原型CoQ輔酶Q的氧化-還原第三十八張，PPT共九十五頁，創作于

18、2022年6月復合體 III : 將電子從 CoQH2 傳給細胞色素c 細胞色素 c 還原酶Cyt b （bL, bH）； Cyt c1 Fe-S聚簇（有2Fe-S中心）L：low affinity；H：high affinity 復合物III：為同二聚體，各亞單位含11亞基。其電子傳遞的核心亞基為：Cytb（bL= b566, bH =b562）、外圍鐵硫聚簇和Cyt c1 三個亞基。兩步反應遞氫、遞電子。此步反應，電子、質子分離，質子被泵出膜外。是呼吸鏈第二個質子泵。Cyt：細胞色素第三十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月復合物III 巨型同二聚體，各亞單位含11亞基 第四十張，

19、PPT共九十五頁，創作于2022年6月 復合物III中有兩個不同的Q結合部位，QN（靠近bH）和 QP（靠近bL 并接近Fe-S中心)，分別為抗霉素A 和粘噻唑菌醇所阻斷。前者阻斷電子從bH到QN；后者阻斷電子從QH2到Fe-S中心。膜間隙（P面）基質（N面）抗霉素A粘噻唑菌醇CoQH2CoQHCoQCoQH2Fe-SCyt c1Cyt cCyt bLCyt bHCoQ第四十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月CoQH2 釋出質子，電子傳遞分為兩路：1）經Fe-S中心傳遞電子給Cyt c1，再傳遞給Cyt c；2）傳遞電子至Cyt b，再傳遞給氧化型CoQ，接受線粒體基質中質子，還原成

20、CoQH2.與此同時，質子被泵出到線粒體膜間隙。Q循環從物質結算上解決了電子和質子從復合體I/II 通過CoQ傳遞經過復合體III，傳遞給細胞色素c，并伴隨質子泵出到線粒體膜間隙的過程。 參見教材P125-126Q 循環：第四十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月Q 循環簡示：2分子QH2傳遞2 個e至 Cyt c，凈泵出4H+；再捕獲基質中2H 生成1 Q 和 1 QH。/college/pratt/0471393878/student/animations/oxidative_phosphorylation/index.html第四十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月Q

21、循環的化學結算： G0 = -41.87 kJ/mol第四十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月細胞色素 c與復合體III、 IV交互作用，接受復合體III的電子，傳遞給復合體IV。第四十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月細胞色素（Cytochrome, Cyt ）細胞色素是一類含血紅素的電子傳遞蛋白，Fe原子借助化學價的變化（Fe+/Fe+）傳遞電子。自然存在的氧化呼吸鏈中有十幾種細胞色素，不同的細胞色素對特定波長的可見光有不同的吸收。 Cyt a、 b、 c 分類不同，主要由于其中卟啉側鏈不同所致。Cyt aa3又稱細胞色素c氧化酶,處于呼吸鏈的末端,既含Fe離子，又有C

22、u離子，通過鐵、銅離子的化合價變化最終將電子傳遞給氧（還原態時對O2的親和力高）。Cyt aa3可以被CN-、N3-和CO抑制。第四十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月Cyt b細胞色素a、b和c 中卟啉的化學結構 Cyt a Cyt c和c1的血紅素與蛋白部分共價結合。 Cyt c 第四十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 Adapted from A. Tzagoloff, Mitochondria (New York: Plenum, 1982). 不同細胞色素的光譜吸收特征峰Cyt bCyt cCyt a a3因側鏈結構不同不同細胞色素的特征吸收不一樣。第四十八張，

23、PPT共九十五頁，創作于2022年6月第四十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月細胞色素氧化酶復合體 IV: 傳遞電子使O2還原形成活性O- 含有10 個亞基1,2,3三個亞基由線粒體DNA編碼，具有4個氧化還原活性中心。細胞色素a 和a3, 處于不同部位CuA，勢能較低，與Cyt a鄰近CuB，勢能較高，與Cyta3相鄰Cytc e CuA聚簇 Cyta Cyta3-CuB聚簇 O2 除催化生成H2O外，還泵出H+。是呼吸鏈第三個質子泵。第五十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月一些學者提出，復合物IV 中的一些氨基酸殘基可能充當傳遞質子的作用：Lys354Glu278Asp1

24、24復合物IV中電子質子傳遞概況第五十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月復合物IV中電子質子傳遞和水生成機制Fe2+對O2親和力高第五十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月4 Cyt c（還）+ 8H+（N) + O2 4 Cyt c (氧) + 4H+(P) + 2H2O 第五十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月電子在呼吸鏈中的傳遞方式簡述(I)(II)(III)(IV)NADH + 11H+N + 1/2O2 NAD+ + 10 H+P + H2O總反應：/mitochondrion.html第五十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月QCyt C O2

25、H20 呼吸鏈傳遞電子與質子泵出示意442第五十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月三 氧化磷酸化作用 3.1 氧化磷酸化作用機制3.2 ATP合成機制3.3 氧化磷酸化解偶聯和呼吸鏈抑制3.4 細胞溶膠內NADH的再氧化第五十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月氧化磷酸化作用：伴隨著生物氧化作用而進行的磷酸化，是將反應過程釋放的自由能轉化生成高能ATP的過程。電子從一個底物傳遞給分子氧的氧化與酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶聯的過程（氧化與磷酸化偶聯）。底物水平磷酸化：伴隨底物氧化還原反應，在被氧化的底物上發生磷酸化作用，形成高能磷酸化合物。是直接將代謝物分子中的

26、能量轉移到ADP生成ATP的過程。X + ADP ATP + XP第五十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月3.1 氧化磷酸化作用機制3.1.1 氧化磷酸化偶聯的實驗驗證磷氧比（P/O)：當電子在呼吸鏈傳遞消耗氧的同時，有無機磷酸（Pi）的消耗。物質氧化過程中每消耗1摩爾氧原子所消耗無機磷或ADP的摩爾數即稱為P/O比。它反映了O2的消耗與ATP生成的定量關系。將底物、ADP、H3PO4 、Mg2和分離較為完整的線粒體在模擬細胞內液環境中相互作用; 測定O2和H3PO4（或ADP）的消耗量有定量關聯，即可以計算出確定的P/O。 第五十八張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月電子從N

27、ADH或FADH2經過電子傳遞體系傳遞給氧形成水，每一步反應都同時伴有自由能釋放，早期研究推測較大的自由能改變是推動ATP產生的主要動力。研究組織呼吸的實驗顯示: NADH 呼吸鏈的P/O為2.5，而FADH呼吸鏈的P/O為1.5。即，在NADH呼吸鏈中，將一對電子傳遞給O，實現了2.5次的磷酸化反應（ADP + Pi ATP），而在FADH呼吸鏈只有1.5次.第五十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月標準狀態下，推動ADP磷酸化形成ATP所需的標準自由能大約在-30.56kJ/moL。因此，對應于NADH 呼吸鏈上，在NADHCoQ，Cytbc1 和 Cytaa3O2 之間釋放的能量

28、足以實現磷酸化。在FADH呼吸鏈，則在Cytbc1 和 Cytaa3O2 之間。實驗證實，30.5kJ是標準狀態下合成1molATP所需的能量.在體內條件下需要 G -51.6kJ/mol 才能合成1mol ATP。第六十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 電子的傳遞方向和釋放能量可能推動形成ATP的部位化學滲透學說則認為：化學反應釋放的自由能成為推動H+逆濃差轉移的動力，由線粒體基質側泵出到膜間隙，形成膜內外的H+濃差。-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL第六十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月底物呼吸鏈組成P/O比值ATP生成數羥丁酸

29、NADFMNCoQCytc Cytaa3 O22.4-2.82.5-3琥珀酸 FAD CoQ Cytc Cytaa3 O21.71.5-2Cyt c Cytaa3 O20.61-0.681偶聯部位分別在：NADFMNCoQCytcCytaa3O2實驗驗證：NADH的P/O = 2.5FADH2的P/O = 1.5第六十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月3.1.2 氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透假說要點： 線粒體內膜必須保持完整和封閉，離子轉運具有選擇性 呼吸鏈遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化反應是定向的，與電子走向相同； 呼吸鏈在線粒體內膜中共構成3個質子泵回路，電子

30、經呼吸鏈傳遞時可將質子從線粒體內膜的基質泵到內膜外側，產生膜內外氫離子濃度梯度，形成跨膜電位差； 線粒體內膜有質子回流通道，當質子順濃度梯度回流時，驅動ATP合酶，利用ADP和Pi合成ATP。第六十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側 基質側 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化學滲透假說詳細示意圖偶聯需要完整的線粒體內膜，膜對帶電的溶劑是不通透的，否則質子濃度梯度將消失，離子代謝物通過特殊的

31、轉運體跨過膜。第六十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 假說一：氧化-還原回路 假說二: 質子泵3.1.3 質子梯度的形成機制近期研究證實，呼吸鏈組成成分在線粒體內膜上排列非常緊密，有學者提出形成功能結合型或電子傳遞復合物的兩個或多個呼吸體（respirasomes) 的假說。第六十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月質子梯度與能量轉化NADH + 11H+N + 1/2O2 NAD+ + 10 H+P + H2O對NADH電子傳遞總反應：氧還對：NAD+/NADH，E0 = -0.32 V氧還對：O2/H2O， E0 = 0.816 V 總反應： E0 = 1.14 V G

32、0 = -nF E0 = 2（96.5kJ/VMol）*1.14V = -220 kJ/mol 參見教材P119第六十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月在真實線粒體基質中，NADH/NAD 實際比值高于1，故實際上放出的能量更多。而從琥珀酸脫氫酶呼吸鏈釋放的能量為 -150kJ/mol，比NADH呼吸鏈釋能少。線粒體內膜兩側的質子濃度差是電子傳遞過程釋放能量的一種臨時性貯存，它形成一種質子驅動勢能和膜電位差 (這兩種性質都可以實驗測定)。實驗證實，在活線粒體中這種內膜兩側質子濃差的跨膜電位測定值在0.15至0.20V 之間；而線粒體基質內的pH約高于線粒體膜間隙0.75（即， pH

33、= pHN - pHP = 0.75，膜間隙H+多)。第六十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月25，1 mol H+ 線粒體內膜的自由能差計算 G = RTln（H+P/H+N）+ nF = 2.3RT （ log H+P-logH+N）+ nF = 2.3RT(pHN pHP) + F = 5.70 kJ/mol pH + 96.5 kJ/V.mol = 5.7 0.75 + 96.5 0.2 = 23.6 （kJ/mol）（按0.15V計算則為19）1NADH轉運時，伴隨10H+泵出，故產生的質子濃差自由能變化在190 236 kJ/mol 之間，與前面吻合。第六十八張，PPT共

34、九十五頁，創作于2022年6月3.2 ATP合成機制3.2.1 ATP合酶線粒體內膜門把型顆粒膜厚度0.5 m膜間隙（IMS）基質第六十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月酶催化ATP合成實驗:超聲破碎線粒體內膜反轉，形成亞線粒體胰酶/尿素表面蛋白顆粒脫落，e傳遞正常，ATP合成受阻。重組e傳遞正常，ATP合成恢復。ATP合酶為多亞基復合體，形成質子通道和ATP合成兩個功能區域的實驗證明第七十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月 F1有5種亞基，有ATP合酶的活性；Fo有三種亞基，鑲嵌在線粒體的內膜上，作為質子通道。 F1 與Fo之間的連接有寡霉素敏感性付與蛋白和偶合因子。F1F

35、oATP合酶（FoF1ATPase，又稱復合體V）NP第七十一張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月F1：親水部分，位于線粒體內膜的基質側。含有 多種肽鏈、多個亞基（3 3等 ）； 功能是催化ATP的生成；催化部位雖然在 亞基內，但亞基必須與亞基結合才有活 性。 FO：疏水部分，鑲嵌在線粒體內膜中的H通道。 當H順濃度梯度經FO回流時， F1催化ADP 和Pi合成并釋放ATP。最新研究證明，若無 質子回流，ATP可以生成但無法釋放。/animations/atpgradient/movie-flash.htm第七十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月Nature， 2004，427

36、：407-8 http:/www.imbb.forth.gr/people/aeconomou/documents/Cross04.pdfa-亞基含有兩部分H+通道。在質子穿膜時，必須移動下部通道正對錨定在-亞基上的c-亞基傳遞H+，a-亞基通過b2錨定在33六聚體上。因此，當Fo c-輪相對于a-亞基轉動時，可以帶動33六聚體向順時針方向的轉動合成釋放ATP。第七十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月3.2.2 ATP合酶作用機制(“結合變化機制”Paul Boyer, 1979) 質子跨過線粒體內膜進入基質，引起3個催化部位發生構象變化。Open:一分子的ADP和Pi結合在開部位。

37、Loose：松弛狀態，合成前Tight：在緊縮部位ADP和Pi縮合形成ATP。ATP從開部位被釋放出來。http:/www.imbb.forth.gr/people/aeconomou/documents/Cross04.pdfNature， 2004，427：407-8 第七十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月c用分子生物學手段標記C亞基：熒光標記的肌動蛋白鏈，可以顯示C亞基的順時針方向轉動/college/pratt/0471393878/student/animations/oxidative_phosphorylation/index.html從IMS向內看（順時針）從基質向

38、外看第七十五張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月實例：酵母ATP合酶Fo c亞基電鏡顯微結構 第七十六張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月3.3 影響氧化磷酸化的因素3.3.1 解偶聯劑：使電子傳遞過程（即氧化還原反應）與磷酸化過程（ATP產生）脫離的化合物。特點: 只抑制ATP產生，不抑制電子傳遞結果：電子傳遞中釋放的自由能只能轉化為熱能 釋放。（1）質子載體型解偶聯劑（2）褐色脂肪解偶聯機制第七十七張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月一類可攜帶膜間隙質子返回線粒體基質的化合物。它們增加膜通透性，可使呼吸鏈電子傳遞過程泵出的氫質子不經過ATP合酶的Fo質子通道回流。因此破壞

39、線粒體內膜內外質子濃差，干擾ATP合成。質子載體型解偶聯劑的解偶聯作用表現為：不影響線粒體呼吸鏈對O的消耗，但阻擾其對無機磷酸 Pi 的利用。二硝基苯酚（DNP，弱酸條件下親脂），三氟甲基苯腙羰基氰化物 （FCCP，親脂）等，解離-非解離形式攜帶質子。 P138（1）質子載體型解偶聯劑第七十八張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月（2）褐色脂肪解偶聯機制褐色脂肪組織中，細胞線粒體內膜表面有產熱素激素蛋白二聚體，接受激素(產熱素）分子信息調控其線粒體內膜通透性，從而控制膜兩側的質子電化學梯度。當細胞中游離脂肪酸增多時，激活產熱素，使產熱素激素蛋白打開質子通道，讓質子回流進入基質，破壞膜兩側質

40、子濃差，使氧化磷酸化解偶聯，此即褐色脂肪的非戰栗性產熱機制）。而當細胞中嘌呤核苷酸（ATP，ADP，GTP，GTP）濃度偏高時等濃度高時，該蛋白通道關閉。第七十九張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月游離脂肪酸產熱素ATP，ADPGTP，GDP產熱素激素蛋白 第八十張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月3.3.2 抑制劑（1）呼吸鏈（電子傳遞）抑制劑 能夠阻斷呼吸鏈中某個電子傳遞步驟的一類化合物，它們導致最后的ATP合成受阻。既是毒物，也是研究呼吸鏈及電子傳遞過程的有效試劑。魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素抗霉素A、二羥基丙醇；氰化物、疊氮化物、一氧化碳第八十一張，PPT共九十五頁，創作于2

41、022年6月底物-H2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2-0.18魚藤酮安密妥呼吸鏈抑制劑作用部位：抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物粘噻唑菌醇第八十二張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月（2）氧化磷酸化抑制劑對電子傳遞與磷酸化均能抑制的一類化合物，但并不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。這類試劑直接干擾ATP合成，引起膜外質子堆積而導致電子傳遞受阻。寡霉素可與ATP合酶中的Fo結合，使質子不能內流導致膜兩側電化學梯度增高；二環己基碳二亞胺（DCCD）與Fo中偶合因子AA殘基中的羧基結合，也抑制

42、質子回流，起ATP合成阻斷作用。寡霉素-寡霉素敏感性付與蛋白（OSCP）DCCD-DCCD結合蛋白（DCCD-BP，含酸性AA）(偶合因子)第八十三張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月寡霉素等氧化磷酸化抑制劑直接阻斷質子回流，使線粒體內膜兩側質子濃差過高時，便影響質子泵的功能，進而抑制電子傳遞，阻斷線粒體對氧的利用。因此，這種對電子傳導的抑制作用，可以用解偶聯劑而解除。解偶聯劑通過改變膜通透性而使膜間隙堆積的質子回流進入基質，使得線粒體對氧的利用重新恢復，并伴隨著熱能釋放。實驗：P138圖； P18線粒體 + Pi + O2 孵育體系： 當加入底物后和加入 ADP后，觀察到O2水平顯著下降，說明，刺激了呼吸作用。第八十四張，PPT共九十五頁，創作于2022年6月線粒體呼吸（耗氧）實驗Oxygen consumption of mitochondriaDuvezin-Caubet S et al. PNAS 2003;100:13235-13240