Chapter 9 Electron transport and oxidative phosphorylation

一切生命活动都需要能量。 所有生物都可以看成是能量的转换者。 这种能量的流动驱动着生命的维持与繁衍。 第一节 Outline of Bio-oxidation

Some historical facts about our understanding on oxidative phosphorylation 1930s: Pyruvate was known to be completely oxidized to CO 2 via the citric acid cycle (with O 2 consumed). 1930s: NAD + and 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 NADH to O , 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.

The Overall picture of oxidative phosphorylation It occurs on the cristae of mitochondria or the plasma membrane of bacteria) 1930s 1960s 1930s (glycolysis) 1940s-1950s Electron transport via the respiratory chain Oxidative phosphorylation

1. overview: site, mitochondrion An electron micrograph of mitochondrion

2. features of biological oxidation 与非生物氧化相比 (1) 共同点： 化学本质相同，都是失电子反应，如脱氢、加氧、 传出电子 同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同 。

与非生物氧化相比 （ 2 ）不同点： 生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、 pH ） 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。 2. features of biological oxidation

1 、 CO 2 的生成 直接脱羧：丙酮酸脱羧酶、酪氨酸脱羧酶 氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合物 2 、水的生成 主要是在包括脱氢酶、传递体和氧化酶组成的 生物氧化体系催化下生成的。 3.production of CO 2 and H 2 O

4. high-energy substance 高能化合物 ： 在标准条件下 (pH7 ， 25 ℃， 1mol/L) 发生水解时，可释 放出大量自由能的化合物。习惯上把 “ 大量 ” 定义为 5kcal/mol( 即 20.92kJ/mol) 以上。 高能磷酸化合物： 分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自 由能，这类高能化合物。 高能键 ： 在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自 由能的活泼共价键。 高能键常用符号 “ ~ ” 表示。 定义

注意： 高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是 指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自 由能的改变。 “ 高能键 ” ≠ “ 键能高 ” 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (1) 焦磷酸化合物：如 ATP (O~P) 型 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (2) 酰基磷酸化合物：如 1,3- 二磷酸甘油酸 (O~P) 型 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (3) 烯醇磷酸化合物：如磷酸烯醇式丙酮酸 (O~P) 型 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (4) 胍基磷酸化合物：如磷酸肌酸 (N~P) 型 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (5) 硫酯化合物：如乙酰 CoA (C~S) 型 4. high-energy substance

根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为： (6) 甲硫键化合物：如 S- 腺苷甲硫氨酸 (C~S) 型 4. high-energy substance

ATP 为生物界的 “ 能量货币 ” ，它是生命活动中最重要的 能量供体。 其原因在于： ATP 的  G 0 ' 值介于其它高能化合物和普通 化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能 够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通过 ADP 和 ATP 的相互转变而偶联起来。 ATP 的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。 这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团 化合物中处于中间位置。 4. high-energy substance-ATP

在生物细胞内，形成 ATP 的方式有两种：生物氧化 ( 异 养细胞 ) 和光合作用 ( 自养细胞 ) 。 1) 生物氧化产生 ATP 生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需要 的能量。因此，利用生物氧化形成 ATP ，是生物体内 ATP 形成的主要方式。 生物氧化的第一阶段也能产生少量的 ATP ，这是以底物 水平磷酸化的方式产生的； 生物氧化的第二阶段是产生 ATP 的主要阶段，通过氧化 磷酸化的方式产生。 4. high-energy substance-ATP

1) 生物氧化产生 ATP 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 FADH 2 将电子传递给 O 2 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， 它是需氧生物合成 ATP 的主要途径。 4. high-energy substance-ATP

2) 光合作用产生 ATP 在光合作用的过程中也能形成 ATP ，这种 ADP 的磷 酸化方式叫光合磷酸化。 光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与 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。 4. high-energy substance-ATP

细胞的能量状态可用能荷 (energy charge) 表示。 能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的 大小可用下式表示： (ATP+0.5ADP) 能荷 = (ATP+ADP+AMP) 4. high-energy substance-ATP

能荷的数值在 0 ~ 1 之间。大多数细胞维持的稳态能荷 状态在 的范围内。 ATP 生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。 高能荷时， ATP 生成过程被抑制，而 ATP 的利用过 程被激发； 低能荷时，其效应相反。 所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。 4. high-energy substance-ATP