第三节氧化磷酸化

第三节
糖的有氧氧化
Aerobic Oxidation of Glucose
• 葡萄糖在有氧条件下，彻底氧化成水和 CO2的反应过程称为有氧氧化。这是糖 氧化的主要方式。
一、有氧氧化的反应过程
分为三个阶段：
胞液
第一阶段
G
丙酮酸
（同酵解）
线粒体
第二阶段
丙酮酸
乙酰CoA
三羧酸循环 第三阶段 氧化磷酸化
以乙酸为主要食物的细菌
（物质循环中的重要一环）
乙酰CoA合成酶
乙酸 + ATP +CoASH → 乙酰CoA + H2O +AMP +PPi
3.磷酸戊糖途径（磷酸己糖支路）
• 磷酸戊糖——磷酸戊糖为代表性中间产物。 • 支路——糖酵解在磷酸己糖处分生出的新途径。
2
磷酸戊糖 途径
细胞质中
A.过程 氧化阶段(脱碳产能)
lipoic acid
COOH
+2H -2H
H2 C
H2C
CH (CH2)4 COOH
SH
SH
dihydrolipoic acid
辅酶A结构
OH CH3
OH OH
HS CH2CH2NH C CH2CH2NH C C C CH2 O P O P O
O
O H CH3
OO
3'AMP
巯基乙胺 β -丙氨酸
•酪氨酸
琥珀酰CoA → 血红素
•亮 赖氨 氨既酸 酸 是“焚苹果烧酸 炉又是百宝琥库珀酰”CoA苯丙氨酸
色氨酸
三羧酸循环
延胡索酸
酪氨酸
（2）乙醛酸循环——三羧酸循环支路
CoASH

➢ 生长活动已停止的成熟组织或器官，除一部分用于维持 细胞的活性外，有相当部分能量以热能形式散失掉，因 而呼吸效率低。
4
➢ 根据上述情况可把呼吸分为两类：
①维持呼吸-用以维持细胞的活性的呼吸。 相对稳定的,每克干重植物约消耗15～20mg葡萄糖。
②生长呼吸-用于供生长发育所需要的呼吸。 如生物大分子的合成，离子吸收等。植株幼嫩生长活跃
20 ℃左右。经36—48小时，就可达到催芽要求(芽长半 粒谷，根长一粒谷)。晾芽以后就可播种。
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种子播种过深或长期淹水 缺氧，会影响正常的有氧呼 吸，对物质转化和器官的形 成都不利，特别是根的生长 和分化会受到明显的抑制。
油料种子萌发时，耗氧多，呼吸商小，所以更需要注意 浅播，保证O2的供应。 有不少种子在萌发早期或吸胀过程中都表现出抗氰呼吸 的存在。这可能与提高种子温度加快萌发时的物质代谢有 关。
第4章
植 物 的 呼 吸 作 用
第一节 呼吸作用的概念及生理意义
第二节 呼吸代谢途径的多样性 第三节 电子传递与氧化磷酸化
一、电子传递链 二、氧化磷酸化 三、呼吸链电子传递途径的多样性 四、末端氧化酶的多样 五、抗氰呼吸及生理意义 第四节 呼吸作用中的能量代谢 第五节 呼吸作用的指标及影响因素 第六节 呼吸作用与农业生产
2、呼吸途径 种子成熟过程呼吸途径也发生变化。水
稻植株在开花初期籽粒的呼吸途径以EMT-TCAC途径 为主，以后随着种子的成熟，PPP途径加强。
7
（二）种子的安全贮藏与呼吸作用
干燥种子的呼吸作用与粮食贮藏有密切关系
含水量很低的风干种子呼吸速率微弱, 为什么？
➢ 一般油料种子含水量在8％～9 ％、淀粉种子含水量在12％～ 14％以下，种子中原生质处于 凝胶状态，呼吸酶活性低，呼 吸极微弱，可以安全贮藏,此时 的含水量称之为安全含水量。

递电子体
递氢体
线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
水溶性辅酶或辅基： NAD+ /NADH, NADP+/NADPH 为双电子传递体
功能基团：芳环中五价氮和三价 氮间的变化
线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2, 为单双电子传递体 结构中含核黄素 FMN/FMNH2
复合体IV的电子传递过程
复合体IV的CuB-Cyta3将电子传递给O2、生成水
二、NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链
1、NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶
电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →Q
复合体Ⅱ：无H+泵的功能
（三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c
复合体Ⅲ：泛醌-细胞色素C还原酶 人复合体Ⅲ含有 Cyt b(b562, b566)、Cyt c1和一种可移动的铁
辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子 通过 Fe2+ ⇌ Fe3++e- 反应传递电子
单电子传递体
Fe-S
Fe2S2
Fe4S4
线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
细胞色素蛋白 （cytochrome , Cyt）
含血红素样辅基的蛋白质
分Cyt a、b、c 及不同的亚类
细胞色素a，b，c 结合的血红素辅基
小结
氧化磷酸化： 在线粒体完成氧化与磷酸化的偶联过程

复合物 III
细胞色素 C还原酶
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素C
氧化酶
30
O2
电子传递链的顺序:
FADH2 (-0.06)
NADH -0.32
FMN -0.30
CoQ 0.04
Cytb 0.07
Cytc1 0.22
Cytc Cytaa3 O2 0.25 0.29 0.55 0.82
31
1978年获诺贝尔化学奖
3、质子梯度的形成 4、ATP合酶与ATP合成的机制
38
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothasis)
膜间隙
电子传递的自由能
驱动H+从线粒体基质
跨过内膜进入到膜间 隙，从而形成H+跨线
H+
e-
内膜
基质
底物 电子传递链
H+
粒体内膜的电化学梯
度，这个梯度的电化
学势( ΔH+ )驱动
CH3
CH2 (CH2 CH C CH2)3 H
HO CH
CH3
H3C
NN
CH CH2
Fe
O
NN
HC
CH3
CH2 CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
Cyta辅基
CH2 CH
CH3
H3C
NN
CH CH2
Fe
NN
H3C
CH3
CH2 CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
Cytb辅基 21
蛋白质
ATP的形成与电子传递偶联
ATP的形成与底物的磷酸基的转移偶联
34
（二）磷氧比（ P/O ） p344

此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害
机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。
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生物氧化与体外氧化之相同点：
☆生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 ☆都服从热力学规律。 ☆物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产 物（CO2，H2O）和释放能量均相同。
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c)
烯醇式磷酸化合物
COOH O C O CH2 P O O
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡/摩尔
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② 氮磷键型
O NH N CH3 CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
O NH N CH3 P O NH2 C NH O CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
P O
C NH O
第六章 生物氧化
Biological Oxidation
第一节 生物能学简介
第二节 生物氧化概述 第三节 线粒体电子传递体系 第四节 氧化磷酸化作用
1
第一节 生物能学简介
生物能学就是应用物理化学、生物物理 学和量子物理学的原理和方法，来研究生物 系统中能量的流动和传递规律的科学。
一、生物能的转换及生物系统中的能流 二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算 三、高能化合物
（根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测）
45
呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 氧化还原对 NAD+/NADH+H+ FMN/ FMNH2 FAD/ FADH2 Cyt b Fe3+/Fe2+ Q10/Q10H2 Cyt c1 Fe3+/ Fe2+ Cyt c Fe3+/Fe2+ Cyt a Fe3+ / Fe2+ Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 1/2 O2/ H2O

(7)细胞色素C氧化酶(复合物Ⅳ）
由 cyt.a和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉 外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。cyta与CuA相 配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，在细胞 色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环， 将电子直接传递给O2,也叫末端氧化酶。
△G0’= －nF△E0’ = －nF （E0’受体 － E0’ 供体）
其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。
呼吸链中电子流动方向与ATP的生成
NADH
FADH2
2e-
三.电子传递抑制剂(P184)
凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为 呼吸链电子传递抑制剂.
返回
各种抑制剂的作用位点
铁硫聚簇借Fe2+和 Fe3+的互变传递电子，每次传递
一个电子.(Fe3+ +e- Fe2+ )
Cys S
S
S Cys
+e-
Fe3+
Fe3+
Cys S
S
S Cys
Cys S
S
S Cys
Fe3+
Fe2+
Cys S
S
S Cys
(4)辅酶Q(泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶)
辅酶Q（泛醌, CoQ, Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋 白质组分，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型 （氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和 FADH2上的H和电子都必须经过辅酶Q最终传递到氧分子，因 此，它是电子传递链的中心和电子集中点。
NADH + H+ + FMN

第三节 电子传递与氧化磷酸化
一、呼吸链的概念和组成
所谓呼吸链即呼吸电子传递链， 是线粒体内膜上由呼吸传递体组 成的电子传递总轨道。 呼吸链传递体传递电子的顺序是： 代谢物→NAD+→FAD→UQ→细胞色 素系统→O2。
第三节 电子传递与氧化磷酸化
二、氧化磷酸化
当底物脱下的氢经呼吸链（氢和电子 传递体）传至氧的过程中，伴随着ADP 和Pi 合成ATP的过程称氧化磷酸化。 1.底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化
总反应：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
第一节 呼吸作用的概念及生理意义
（二）无氧呼吸
无氧呼吸是指生活细胞在无氧条件下， 把某些有机物分解成为不彻底的氧化 产物，同时释放能量的过程。
1、酒精发酵 C6H12O6→2C2H5OH+2CO2
2、乳酸发酵 C6H12O6→2CH3CHOHCOOH
第四节 呼吸作用的生理
指标及其影响因素
（二）呼吸商 植物组织在一定时间内，放出 二氧化碳的量与吸收氧气的量的比 值叫做呼吸商(RQ),又称呼吸系数。
第四节 呼吸作用的生理
指标及其影响因素
二、内部因素对呼吸速率的影响
•不同的植物种类、代谢类型、生 育特性、生理状况，呼吸速率各有 所不同。 •一般而言，凡是生长快的植物呼 吸速率就高，生长慢的植物呼吸速 率就低。例如细菌和真菌繁殖较快， 其呼吸速率高于高等植物。
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第二节
呼吸代谢的生化途径
三、戊糖磷酸途径（PPP途径）
EMP-TCA途径并不是高等植 物中有氧呼吸的唯一途径，葡 萄糖氧化为磷酸丙糖可不需经 过醛缩酶的反应，即戊糖磷酸 途径(PPP)，又称己糖磷酸途 径(HMP)或己糖磷酸支路。

（1）NADH氧化呼吸链：
FMN → Q （Fe-S） CytC → Cytaa3 → O2 →
琥珀酸 → FAD → Q
NADH
→
Cytb
→
CytC1
→
（2）琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼链）：
→ Cytb → CytC1 → （Fe-S） CytC → Cytaa3 →
O2
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CO
氰化物
NADH氧化呼吸链中氢和电子的传递
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高能化合物



高能键： 水解时释放的能量＞ 21KJ/mol 的化学 键。用“～”符号表示。 如ATP（三磷酸腺苷）分子含2个高能键。
磷酸 腺苷
P ～ P～ P - A
30.55KJ/mol 14.2KJ/mol
49

ADP（二磷酸腺苷）分子含1个高能键。
T：3 D：2 M： 1
磷酸
腺苷
P～ P - A
琥珀酸 琥珀酸脱氢酶
COOH CH CH COOH
延胡索酸
+
2H+ + 2e-
15
OH CH3CHCOOH
乳酸
乳酸脱氢酶
NAD
+
O CH3CCOOH
丙酮酸
NADH
16
加水脱氢

酶催化醛氧化成酸的反应即属于这一类。
H 2O H R C OH OH ø O R C O H + 2H + + 2e -
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琥珀酸氧化呼吸链中氢和电子的传递
琥珀酸、－磷酸甘油、脂酰CoA等代谢物通过 FADH2氧化呼吸链氧化。
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第三节 氧化磷酸化

3. 生物氧化的方式
• 加氧 • 脱氢 • 脱电子
二、氧化还原电势和自由能
1.自由能（free energy） 指物质能用于做功的能量。 恒温恒压下体系自由能变化 △ G = △H - T△S
△ G <0 反应能自发进行，为放能反应 △ G >0 反应不能自发进行，需补充自由能 才能推动反应进行，为吸能反应 △ G =0 反应达到平衡状态
一.线粒体的结构基础
外膜（对小分子和离子通透）
嵴
内膜
（只允许非极性的小分子如 O2和CO2通过)
H+不能通过扩散跨过内膜
（基质）
外膜上蛋白质种类很少
内膜上蛋白质种类很多 转运蛋白 电子传递链上的各种组分和ATP合酶等 膜间隙
线粒体
基质中含有很多氧化途径的酶类，还有线粒体基因组 复制，转录和翻译所需要的全部酶类。
注意:
• 反应可以自动发生并不意味着反应的速度 就很快。反应速度与活化能有关。 • 一个开放体系的熵可以降低，代价是消耗 额外的能量。 • 整个生命过程的自由能变化是负值，所以 生命是一个不可逆的过程。
热力学第二定律的核心： 宇宙总是趋向于越来越无序。
• 自然界孤立体系中的一切变化都是自发的 向混乱度增加的方向进行，△S>0。
n=6-10
完全氧化的状态
部分氧化的半醌式自由基中间体
血红素C
细胞色素c的血红素 以共价键与蛋白相结合
血红素A
d类细胞色素仅在细菌中发现，其辅基为铁二氢卟啉
• 高等动物线粒体电子传递链中至少有5种细 胞色素：b,c1,c,a和a3. • 细胞色素c是膜的外周蛋白，位于线粒体内 膜的外侧，能被盐溶液抽提；其他的细胞 色素都紧紧地与线粒体内膜相结合，需要 高浓度的去垢剂才能把它们增溶下来。

三、三羧酸循环
2.三羧酸循环的化学历程 全程反应共9步。 总反应式为：
CH3COCOOH+4NAD++FAD+ADP+Pi+2H2O 3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP
3.三羧酸循环的生理意义
（1）TCA 循环是生物体利用糖或 其他物质氧化获得能量的主要途径。
（2）从物质代谢来看,TCA循环中 有许多重要中间产物与体内其他代 谢过程密切相连, 相互转变。可以 说,TCA循环是糖类、脂肪、蛋白质 及次生物质代谢和转化的枢纽。
植物的呼吸作用
本章重点：
1、呼吸作用的多样性及其意义。
2、EMP、TCAC、PPP途径在细胞中的定 位及其生理意义，抗氰呼吸及其意义。
3、影响呼吸作用的因素及其与农产品采 后贮藏的关系。
第一节
呼吸作用的概念及其生理意义
一、 呼吸作用的概念和类型
呼吸作用(respiration)是氧化有机 物并释放能量的异化作用 disassimilation) 。
2.呼吸链的组成 组成呼吸链的传递体可分为氢传递体和电子传递体两类。
氢传递体H（H++e），是一些脱氢酶的辅酶或辅基， 主要有NAD、NADP、FMN、FAD、UQ等。
电子传递体，是指细胞色素体系和铁硫蛋白（Fe–S）， 它们只传递电子。
呼吸传递体位于线粒体内膜上，由以下5种蛋白质复合体组成 (1)复合体Ⅰ(NADH:泛醌氧化还原酶) (2)复合体Ⅱ(琥珀酸:泛醌氧化还原酶) (3)复合体Ⅲ(UQH2 :细胞色素C氧化还原酶) (4)复合体Ⅳ(Cytc:细胞色素氧化酶) (5)复合体Ⅴ(ATP合成酶)
（3）TCA循环中的5次脱氢过程，氢经过一系列 传放递的体 能的 量传 贮递 存，在最AT后P分与子O2内的。结合形成水，所释