氧 化 磷 酸 化

氧化磷酸化的过程 氧化磷酸化的概念 电子传递 氧化磷酸化的作用机理 氧化磷酸化与某些疾病

氧化磷酸化的概念 伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用。其全过程可用方程式表 示如下： NADH + H+ + 3ADP + 1/2O2 → NAD+ +4H2O + 3ATP

氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是生物产生ATP的主要途径。氧化磷酸化作用指的是与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用；是将生物氧化过程中释放的自由能，用以使ADP和无机磷酸生成高能ATP的作用.

电子传递 电子传递过程 电子传递链

电子传递过程 需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2 电子传递过程包括电子从还原型辅酶上通过 一系列按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。 需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2

通过电子传递途径被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子形式脱下， 其电子源着一系列的电子载体转移，最后转移到分子氧。质子和离子型氧结合成水。在电子传递过程中释放出的大量自由能则使ADP磷酸化成ATP。

电子传递链 电子从NADH到O2的传递所经过的途径形象地被称为电子链，也称呼吸链。由一系列的递氢体(hydrogen transfer)和递电子体(eletron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。

这条链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4个部分，分别称为：NADH-Q还原酶（复合物I）、琥珀酸-Q还原酶（复合物II）、细胞色素还原酶（复合物III）、细胞色素氧化酶（复合物Ⅳ。复合物Ⅰ催化两个电子从NADH转移到CoQ，其间经过FMN和几个铁-硫簇。电子在复合物Ⅰ传递时，伴随着4个质子从内膜内侧跨膜转移到膜外侧（即膜间空间）。

复合物Ⅱ只催化电子从琥珀酸经FAD转移到CoQ,不涉及质子的转移。复合物Ⅲ催化两个电子分步从CoQ传递到细胞色素c。每次Q循环只转移一个电子至一个电子的载体，同时协调1个质子跨膜转运至膜间空间（两对电子需要4次Q循环，共协调4个质子转运）。复合物Ⅳ（细胞色素氧化酶）催化电子从细胞色素c转移到O2，使O2还原成H2O，每分子水的生成需要两对电子，同时伴随着4个质子（每对电子伴随两个质子）跨膜转移。

氧化磷酸化的作用 ATP的合成部位 能量偶联的假说 质子梯度的形成 ATP合成机制 氧化磷酸化的解偶联和抑制

ATP 的合成部位 真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞线粒体内膜发生的作用。原核生物则是在浆膜发生的

能量偶联的假说 氧化磷酸化作用与电子传递相偶联已经不存在任何疑问了。但是电子在传递链中究竟怎样从一个中间载体到另一个中间载体的过程中促使ADP磷酸化，还不是很清楚。共存在三种假说：化学偶联假说、结构偶联假说、化学渗透假说。

这里大致介绍一下化学渗透假说。 1961年由英国生物化学家米切尔（P.Mitchell）提出他认为电子传递链像一个质子泵，电子传递过程中所释放的能量，可促使质子由线粒体基质移位到线粒体内膜外膜间空间形成质子电化学梯度，即线粒体外侧的H+浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子传递被泵出的质子，在H+浓度梯度的驱动下

通过F0F1ATP酶中的特异的H+通道或“孔道”流动返回线粒体基质时，则由于H+流动返回所释放的自由能提供F0F1ATP酶催化ADP与Pi偶联生成ATP。 此假说主要包括以下几点内容： 1. 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。 2 梯度将消 失，离子 代谢物通过特殊的转运体跨过膜。 2. 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。 3.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

质子梯度的形成 电子传递使复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ推动H 跨过线粒体内膜到 线粒体的间隙，线粒体间隙与细胞溶胶相接触。H 跨膜流动的 结果造成线粒体内膜内部基质的 H 浓度低于间隙。线粒体基质形成负电势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。

质子泵出是个需能过程 一个质子逆电化学梯度跨过线粒体膜的 自由能变化公式可以用PH值表示如下式： △G=2.3 RT [ PH（膜内）— PH （膜外） ] + ZF △ψ 公式中 Z 为质子上的电荷（包括符号），F为法拉第常数， ψ为膜电势。

质子转移的机制有两种假设 （1） 氧化—还原回路机制 该机制由Mitchell 提出。他认为线粒体内膜呼吸链的各个氧化—还原中心即FMN、CoQ、细胞色素以及铁—硫聚簇的排列可能既能执行电子的转移，又能转移基质的质子。前一个被还原的氧化—还原中心被后一个氧化—还原中心再氧化， 同时相伴而产生的是质子的转移，包括质子

由基质泵出和在线粒体内膜外的质子回流到基质一边。 （2） 质子泵机制 这个机制的内容是，电子传递导致复合体的构 像变化。质子转移是氨基酸侧链PK值变化产生影响的结果。构像变化造成氨基酸侧链PK值的改变，结果发挥质子泵作用的侧链暴露在外并交替地暴露在线粒体内膜的内侧或外侧，从而是质子发生移位。这种系统即认为是质子泵的机制

ATP合成机制 ATP酶的结构 ATP合成机制

ATP酶的结构 ATP的合成是由一个酶的复合体系完成的。这个复合体系称为ATP合酶。其结构如图：

分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。 F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，

12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。 它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。

1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下： ATP的合成机制 1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下： 1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。

2. F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个 催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力 不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松 结合在一起；在T（tight)构象底物与酶紧密结合 在一起，在这种情况下可将两者加合在一 起;在O(open)构象ATP与酶的亲和力很低，被 释放出去。

3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。

氧化磷酸化的解偶联和抑制 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。解偶联剂为离子载体或通道，能增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+梯度，因而无ATP生成，使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白(uncoupling proteins， UCPs)，与维持体温有关。

常用解偶联剂主要有： 质子载体： 2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。 质子通道：增温素（thermogenin）。 其它离子载体：如缬氨霉素。 某些药物：如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。

氧化磷酸化与某些疾病 老年黄斑变性(AMD)是老年人主要的不可治愈性致盲眼病之一。最新研究表明年龄相关的老年变性疾病与机体氧化磷酸化功能衰退有关，表现为电子传递链(electron transport chain,ETC)酶复合物活性降低，组织ATP生成减少和代谢异常.

组织能量主要来源于有氧氧化。有氧氧化过程中，伴有大量氧自由基的产生，线粒体内过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶(SOD)的活性降低，可损伤线粒体与核DNA，并影响ETC酶复合物活性，降低氧化磷酸化功能。

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