第三节 Oxidative phosphorylation
一, 氧化磷酸化的机理
What is oxidative
phosphorylation
氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）
是指细胞内伴随有机物氧化，利用生物氧化
过程中释放的自由能，促使 ADP与无机磷酸
结合生成 ATP的过程。
？
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
一, 氧化磷酸化的机理
关于这一问题目前至少有三种假说
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, 。
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, 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
? 电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布, 传氢
体和传电子体交替排列, 催化是定向的；
Chemiosmotic hypothesis—key points
一, 氧化磷酸化的机理
? 复合物 I,III,IV将 H+从基质内泵向内膜的外侧
,而将电子传向其后的电子传递体；
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
? 内膜对质子不
具有通透性,
这样在内膜两
侧形成质子浓
度梯度, 这就
是推动 ATP合成
的原动力；
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
? 当存在足够高的跨膜质子化学梯度时, 强大的质子
流通过 F1-F0-ATPase进入基质时, 释放的自由能
推动 ATP合成 。
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
The reconstituted
vesicles containing
ATP synthase and
bacteriorhodopsin,
a light-driven
proton pump,
reported by Efraim
Racker and Walther
Stoeckenius in 1974
化学渗透学说
(min)
0 30 60 90 120
A
492
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02 ATP
Gramicidin
AO
ADP + P
AO
H+
AOH+
ATP
i
一, 氧化磷酸化的机理
F1,球形头部, 伸
入线粒体基质, 由五种
亚基组成 ?3?3? ? ?,是
ATP合酶的催化部分；
F0,横贯线粒体内膜
,含有质子通道, 由十
多种亚基组成 。 位于 F1
与 F0之间的柄含有寡霉
素敏感性蛋白 。
F1-F0-ATPase复合物
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
重 要
一, 氧化磷酸化的机理
目前这两方面都获得了一些实验证据, 例如能携
带质子穿过线粒体内膜的物质 （ 如 2,4-二硝基苯酚
） 可破坏线粒体内膜对质子的透性壁垒, 使质子电化
学梯度消失 。
另外根据测算, 膜间隙的 pH较内膜低 1.4个单位
,并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高
。
重 要
一, 氧化磷酸化的机理
F1-F0-ATPase复合物
P/O(磷氧比 )：在生物氧化过程中, 伴随
ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的磷原子数与消
耗的分子氧的氧原子数之比 。 即 每消耗 1个氧
原子所产生的 ATP的分子数 。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
测定结果表明：
NADH经呼吸链完全氧化时, P/O为 3,即 1分子的
NADH通过呼吸链将电子最终传递给 O2可产生 3 个 ATP；
二, 氧化磷酸化的 P/O比
二, 氧化磷酸化的 P/O比
FADH2经呼吸链完全氧化时, P/O为 2,即 1
分子的 FADH2通过呼吸链将电子最终传递给 O2可
产生 2 个 ATP。
为什么？
二, 氧化磷酸化的 P/O比
为什么？
二, 氧化磷酸化的 P/O比
但是,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。以琥珀酸作为
电子供体时，侧得的 P/O比值大于 1；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 2.4~2.6，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
。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
因此,虽然电子转移伴随着 ATP的合成，但不能
仅以 P/O比值作为 ATP生成数的依据，而应考虑一对
电子从 NADH或 FADH2传递到氧的过程中，有多少质
子从线粒体基质泵出，以及有多少质子必须通过 ATP
合酶返回基质以用于 ATP的合成，这样才能从本质上
确定 ATP的生成数量。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
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。已知每合成 1个 ATP需要 3个质子通过
ATP合酶。与此同时，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个分子的
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。
三, ATP酶 -构象偶联假说
该假说是 1964年由美国生物化学家 Paul Boyer
最先提出，他认为电子传递过程中，线粒体内膜上的
蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。
这种高能形态通过将能量转移到 ADP合成 ATP后，又
得以恢复其原来的构象。随着人们对 ATP合酶结构的
研究和认识不断深入，在构象偶联假说的基础上形成
了 ATP合酶结合变化和旋转催化假说。
三, ATP酶 -构象偶联假说
ATP合酶结合变化和旋转催化假说认为,ATP合
酶与底物核苷酸的作用是按照结合变化机理进行的。
构成 ATP合酶头部的 α3β3亚基构成 3个催化部位，中
部的 γε亚基在质子推动力的驱动下相对于 α3β3作旋转
运动。由于 3个 β亚基与 γε亚基的不对称接触，使其分
别处于三种不同的状态,即无核苷酸结合的空臵状态
（ O）, 结合 ADP+Pi的松散结合状态（ L） 和结合
ATP的紧密结合状态（ T）。
Rotation of ? leads to sequential binding changes
for each ? subunit.
三, ATP酶 -构象偶联假说
当质子推动力驱使 H+经 F0质子通道进入时,F0组
分质子化而发生构象改变，积累足够的扭矩力，推动
γε相对 α3β3旋转 120°，使处于 T态的催化部位释放
ATP变成 O态，同时 L态催化部位上生成 ATP变为 T态
,O态结合 ADP+Pi变为 L态
?
??
Boyer
The binding-change model was
elegantly supported by two other
experimental observations
? X-ray crystallography revealed that the three ?
subunits of F1 assumes three different conformations,
with bound ADP,ATP analog,or empty
respectively.
? Rotations of the ? subunit and the c -ring of the F1
unit in three discrete steps of 120o (as being powered
by ATP hydrolysis catalyzed by the ? subunits) have
been directly observed using fluorescence
microscopy (1997)
Rod-shaped ? subunit.
ADP App(NH)p
Empty
Structure determination indicates that indeed
the three ? subunits are inequivalent in
conformation! (John Walker,1994)
T (tight)
L (loose)
O (open)
Rotation of the ?
subunit and the
ring of c subunits
in the FoF1 complex
was observed by
in vitro studies
using fluorescence
microscopy (K,
Kinosita,1997)
?3?3?,with the ?
subunit linked to
an actin filament
will also rotate
when ATP is added.
Fluorescencetly
labeled
The world’s smallest
molecular motor:
rotational catalysis.
Model on the rotation of the c-ring in ATP synthase:
two half-channels for H+ on the a subunit has
been proposed.
(3ATP made per 10-14
protons transported:
~3H+/ATP.)
Asp
1,解偶联剂
解偶联剂 （ uncoupler） 是指那些不阻断呼吸链的电
子传递, 但能抑制 ADP通过磷酸化作用转化为 ATP的化
合物 。 它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂 。
最早发现的一个解偶联剂是 2,4-二硝基苯酚 （ 2,
4-dinitrophenol,DNP）, 它是一种弱酸性亲脂化合物
,在 pH7条件下, DNP以解离形式存在, 不能通过线粒
体内膜 。 但是在酸性环境中, DNP转变为脂溶性的非解
离形式, 可携带质子透过线粒体内膜 。 这样就破坏了电
子传递形成的跨膜质子电化学梯度
四、氧化磷酸化的抑制
1,解偶联剂
在解偶联剂存在时, 电子沿呼吸链的传递能正常
进行, 但不能偶联产生 ATP,这样就使电子传递所产
生的自由能以热能的形式被消耗 。 由于 DNP解偶联
剂只专一性地抑制与呼吸链相偶联的 ATP的形成过程
,因此, 它不会影响底物水平的磷酸化 。
四、氧化磷酸化的抑制
这类化合物直接作用于 ATP合酶复合体, 从而
抑制 ATP的合成 。
它们使膜外质子不能通过 ATP合酶复合体返回
膜内, 使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困
难, 最后不得不停止, 所以这类抑制剂间接抑制
了电子传递和分子氧的消耗 。
寡霉素 属于此类抑制剂, 它与 F0的一个亚基
结合而抑制 F1。
2,氧化磷酸化抑制剂
四、氧化磷酸化的抑制
3.离子载体抑制剂
离子载体抑制剂 （ ionophore） 是指那些能与某种离
子结合, 并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜
的脂双层进入线粒体的化合物 。
这类抑制剂均是脂溶性物质, 它们与解偶联剂的区别
在于它们能结合除 H+以外的其它一价阳离子, 例如缬氨
霉素 （ Valinomycin） 可结合 K+,短杆菌肽可结合 K+、
Na+和其它一价阳离子穿过线粒体内膜 。 因此离子载体抑
制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性, 从而破坏
了膜两侧的电位梯度, 最终导致氧化磷酸化过程被抑制 。
四、氧化磷酸化的抑制
五, 电子传递抑制剂
凡是能够阻断电子传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。
五, 电子传递抑制剂
2,抗霉素 A 阻断复合物 III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 Ⅲ 的电
子传递，即阻断细胞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。
五, 电子传递抑制剂
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）。
五, 电子传递抑制剂
五, 电子传递抑制剂
线粒体外的 NADH通过间接的途径 —— 穿
梭机制进入线粒体 。 动物细胞内已知有两个
穿梭系统：
磷酸甘油穿梭系统, 主要存在于肌细胞；
苹果酸穿梭系统, 主要存在于肝细胞 。
1,动物细胞内
六、线粒体穿梭系统
为什么存在 穿梭系统于？
磷酸甘油穿梭系统
N A D H + H
+
NAD
+
胞液
-? 磷酸甘油脱氢酶
磷酸二羟丙酮
磷酸二羟丙酮
-? 磷酸甘油
线粒体内膜
基质
F A D H
2
F A D
C o Q b c
1
c a a
3
O
2
-? 磷酸甘油
-? 磷酸甘油脱氢酶
线粒体外膜
六、线粒体穿梭系统
磷酸甘油穿梭系统
通过 3-磷酸甘油与 DHAP之间的转换, 胞液
中的 NADH间接地转变为内膜上的 FADH2,经由
内膜上的 3-磷酸甘油脱氢酶 (也是以 FAD为辅
基的黄素蛋白 )进入 FADH2呼吸链 。
这种方式不通过复合物 Ⅰ,因此只生成 2
分子 ATP。
六、线粒体穿梭系统
苹果酸穿梭系统
谷草转氨酶, 苹果酸脱氢酶, 以及一系列
的透性酶 。
通过苹果酸与草酰乙酸之间的转换, 间接
地将细胞质中的 NADH转变为线粒体内的 NADH
,从而进入 NADH呼吸链 。
这种方式要通过复合物 Ⅰ 。
六、线粒体穿梭系统
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+ H
+
天门冬氨酸 苹果酸 NAD
+
- ? 酮戊二酸 天门冬氨酸 苹果酸 NAD
+
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+ H
+
苹果酸脱氢酶
苹果酸脱氢酶
电子传递链
胞液
线粒体内膜
基质
草酰乙酸
草酰乙酸
- ? 酮戊二酸
苹果酸穿梭系统
六、线粒体穿梭系统
一, 氧化磷酸化的机理
What is oxidative
phosphorylation
氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）
是指细胞内伴随有机物氧化，利用生物氧化
过程中释放的自由能，促使 ADP与无机磷酸
结合生成 ATP的过程。
？
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
一, 氧化磷酸化的机理
关于这一问题目前至少有三种假说
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, 。
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, 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
? 电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布, 传氢
体和传电子体交替排列, 催化是定向的；
Chemiosmotic hypothesis—key points
一, 氧化磷酸化的机理
? 复合物 I,III,IV将 H+从基质内泵向内膜的外侧
,而将电子传向其后的电子传递体；
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
? 内膜对质子不
具有通透性,
这样在内膜两
侧形成质子浓
度梯度, 这就
是推动 ATP合成
的原动力；
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
? 当存在足够高的跨膜质子化学梯度时, 强大的质子
流通过 F1-F0-ATPase进入基质时, 释放的自由能
推动 ATP合成 。
化学渗透学说
一, 氧化磷酸化的机理
The reconstituted
vesicles containing
ATP synthase and
bacteriorhodopsin,
a light-driven
proton pump,
reported by Efraim
Racker and Walther
Stoeckenius in 1974
化学渗透学说
(min)
0 30 60 90 120
A
492
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02 ATP
Gramicidin
AO
ADP + P
AO
H+
AOH+
ATP
i
一, 氧化磷酸化的机理
F1,球形头部, 伸
入线粒体基质, 由五种
亚基组成 ?3?3? ? ?,是
ATP合酶的催化部分；
F0,横贯线粒体内膜
,含有质子通道, 由十
多种亚基组成 。 位于 F1
与 F0之间的柄含有寡霉
素敏感性蛋白 。
F1-F0-ATPase复合物
一, 氧化磷酸化的机理
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 。
重 要
一, 氧化磷酸化的机理
目前这两方面都获得了一些实验证据, 例如能携
带质子穿过线粒体内膜的物质 （ 如 2,4-二硝基苯酚
） 可破坏线粒体内膜对质子的透性壁垒, 使质子电化
学梯度消失 。
另外根据测算, 膜间隙的 pH较内膜低 1.4个单位
,并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高
。
重 要
一, 氧化磷酸化的机理
F1-F0-ATPase复合物
P/O(磷氧比 )：在生物氧化过程中, 伴随
ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的磷原子数与消
耗的分子氧的氧原子数之比 。 即 每消耗 1个氧
原子所产生的 ATP的分子数 。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
测定结果表明：
NADH经呼吸链完全氧化时, P/O为 3,即 1分子的
NADH通过呼吸链将电子最终传递给 O2可产生 3 个 ATP；
二, 氧化磷酸化的 P/O比
二, 氧化磷酸化的 P/O比
FADH2经呼吸链完全氧化时, P/O为 2,即 1
分子的 FADH2通过呼吸链将电子最终传递给 O2可
产生 2 个 ATP。
为什么？
二, 氧化磷酸化的 P/O比
为什么？
二, 氧化磷酸化的 P/O比
但是,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。以琥珀酸作为
电子供体时，侧得的 P/O比值大于 1；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 2.4~2.6，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
。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
因此,虽然电子转移伴随着 ATP的合成，但不能
仅以 P/O比值作为 ATP生成数的依据，而应考虑一对
电子从 NADH或 FADH2传递到氧的过程中，有多少质
子从线粒体基质泵出，以及有多少质子必须通过 ATP
合酶返回基质以用于 ATP的合成，这样才能从本质上
确定 ATP的生成数量。
二, 氧化磷酸化的 P/O比
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。已知每合成 1个 ATP需要 3个质子通过
ATP合酶。与此同时，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个分子的
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。
三, ATP酶 -构象偶联假说
该假说是 1964年由美国生物化学家 Paul Boyer
最先提出，他认为电子传递过程中，线粒体内膜上的
蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。
这种高能形态通过将能量转移到 ADP合成 ATP后，又
得以恢复其原来的构象。随着人们对 ATP合酶结构的
研究和认识不断深入，在构象偶联假说的基础上形成
了 ATP合酶结合变化和旋转催化假说。
三, ATP酶 -构象偶联假说
ATP合酶结合变化和旋转催化假说认为,ATP合
酶与底物核苷酸的作用是按照结合变化机理进行的。
构成 ATP合酶头部的 α3β3亚基构成 3个催化部位，中
部的 γε亚基在质子推动力的驱动下相对于 α3β3作旋转
运动。由于 3个 β亚基与 γε亚基的不对称接触，使其分
别处于三种不同的状态,即无核苷酸结合的空臵状态
（ O）, 结合 ADP+Pi的松散结合状态（ L） 和结合
ATP的紧密结合状态（ T）。
Rotation of ? leads to sequential binding changes
for each ? subunit.
三, ATP酶 -构象偶联假说
当质子推动力驱使 H+经 F0质子通道进入时,F0组
分质子化而发生构象改变，积累足够的扭矩力，推动
γε相对 α3β3旋转 120°，使处于 T态的催化部位释放
ATP变成 O态，同时 L态催化部位上生成 ATP变为 T态
,O态结合 ADP+Pi变为 L态
?
??
Boyer
The binding-change model was
elegantly supported by two other
experimental observations
? X-ray crystallography revealed that the three ?
subunits of F1 assumes three different conformations,
with bound ADP,ATP analog,or empty
respectively.
? Rotations of the ? subunit and the c -ring of the F1
unit in three discrete steps of 120o (as being powered
by ATP hydrolysis catalyzed by the ? subunits) have
been directly observed using fluorescence
microscopy (1997)
Rod-shaped ? subunit.
ADP App(NH)p
Empty
Structure determination indicates that indeed
the three ? subunits are inequivalent in
conformation! (John Walker,1994)
T (tight)
L (loose)
O (open)
Rotation of the ?
subunit and the
ring of c subunits
in the FoF1 complex
was observed by
in vitro studies
using fluorescence
microscopy (K,
Kinosita,1997)
?3?3?,with the ?
subunit linked to
an actin filament
will also rotate
when ATP is added.
Fluorescencetly
labeled
The world’s smallest
molecular motor:
rotational catalysis.
Model on the rotation of the c-ring in ATP synthase:
two half-channels for H+ on the a subunit has
been proposed.
(3ATP made per 10-14
protons transported:
~3H+/ATP.)
Asp
1,解偶联剂
解偶联剂 （ uncoupler） 是指那些不阻断呼吸链的电
子传递, 但能抑制 ADP通过磷酸化作用转化为 ATP的化
合物 。 它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂 。
最早发现的一个解偶联剂是 2,4-二硝基苯酚 （ 2,
4-dinitrophenol,DNP）, 它是一种弱酸性亲脂化合物
,在 pH7条件下, DNP以解离形式存在, 不能通过线粒
体内膜 。 但是在酸性环境中, DNP转变为脂溶性的非解
离形式, 可携带质子透过线粒体内膜 。 这样就破坏了电
子传递形成的跨膜质子电化学梯度
四、氧化磷酸化的抑制
1,解偶联剂
在解偶联剂存在时, 电子沿呼吸链的传递能正常
进行, 但不能偶联产生 ATP,这样就使电子传递所产
生的自由能以热能的形式被消耗 。 由于 DNP解偶联
剂只专一性地抑制与呼吸链相偶联的 ATP的形成过程
,因此, 它不会影响底物水平的磷酸化 。
四、氧化磷酸化的抑制
这类化合物直接作用于 ATP合酶复合体, 从而
抑制 ATP的合成 。
它们使膜外质子不能通过 ATP合酶复合体返回
膜内, 使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困
难, 最后不得不停止, 所以这类抑制剂间接抑制
了电子传递和分子氧的消耗 。
寡霉素 属于此类抑制剂, 它与 F0的一个亚基
结合而抑制 F1。
2,氧化磷酸化抑制剂
四、氧化磷酸化的抑制
3.离子载体抑制剂
离子载体抑制剂 （ ionophore） 是指那些能与某种离
子结合, 并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜
的脂双层进入线粒体的化合物 。
这类抑制剂均是脂溶性物质, 它们与解偶联剂的区别
在于它们能结合除 H+以外的其它一价阳离子, 例如缬氨
霉素 （ Valinomycin） 可结合 K+,短杆菌肽可结合 K+、
Na+和其它一价阳离子穿过线粒体内膜 。 因此离子载体抑
制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性, 从而破坏
了膜两侧的电位梯度, 最终导致氧化磷酸化过程被抑制 。
四、氧化磷酸化的抑制
五, 电子传递抑制剂
凡是能够阻断电子传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。
五, 电子传递抑制剂
2,抗霉素 A 阻断复合物 III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 Ⅲ 的电
子传递，即阻断细胞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。
五, 电子传递抑制剂
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）。
五, 电子传递抑制剂
五, 电子传递抑制剂
线粒体外的 NADH通过间接的途径 —— 穿
梭机制进入线粒体 。 动物细胞内已知有两个
穿梭系统：
磷酸甘油穿梭系统, 主要存在于肌细胞；
苹果酸穿梭系统, 主要存在于肝细胞 。
1,动物细胞内
六、线粒体穿梭系统
为什么存在 穿梭系统于？
磷酸甘油穿梭系统
N A D H + H
+
NAD
+
胞液
-? 磷酸甘油脱氢酶
磷酸二羟丙酮
磷酸二羟丙酮
-? 磷酸甘油
线粒体内膜
基质
F A D H
2
F A D
C o Q b c
1
c a a
3
O
2
-? 磷酸甘油
-? 磷酸甘油脱氢酶
线粒体外膜
六、线粒体穿梭系统
磷酸甘油穿梭系统
通过 3-磷酸甘油与 DHAP之间的转换, 胞液
中的 NADH间接地转变为内膜上的 FADH2,经由
内膜上的 3-磷酸甘油脱氢酶 (也是以 FAD为辅
基的黄素蛋白 )进入 FADH2呼吸链 。
这种方式不通过复合物 Ⅰ,因此只生成 2
分子 ATP。
六、线粒体穿梭系统
苹果酸穿梭系统
谷草转氨酶, 苹果酸脱氢酶, 以及一系列
的透性酶 。
通过苹果酸与草酰乙酸之间的转换, 间接
地将细胞质中的 NADH转变为线粒体内的 NADH
,从而进入 NADH呼吸链 。
这种方式要通过复合物 Ⅰ 。
六、线粒体穿梭系统
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+ H
+
天门冬氨酸 苹果酸 NAD
+
- ? 酮戊二酸 天门冬氨酸 苹果酸 NAD
+
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+ H
+
苹果酸脱氢酶
苹果酸脱氢酶
电子传递链
胞液
线粒体内膜
基质
草酰乙酸
草酰乙酸
- ? 酮戊二酸
苹果酸穿梭系统
六、线粒体穿梭系统
