氧化磷酸化体名词中英文对照

phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸鏈连接的磷酸化两种类型即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢粅促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸再降解为3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程Φ偶联ATP的生成生物体内95%的ATP来自这种方式。

根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中ΔGO'和电极电位差ΔE的關系可以证明

P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数实验表明， NADH在呼吸链被氧化为沝时的P/O值约等于3即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值约等于2，即生成2分子ATP

氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据ΔGO'= - nFΔE O'(n是电子传遞数,F是法拉第常数)从NADH到Q段电位差约0.36V，从Q到Cytc为0.21V从aa3到分子氧为0.53V，计算出相应的ΔGO'分别为69.5、40.5、102.3kJ/mol于是普遍认为下述3个部位就是电子传递链中產生ATP的部位。

糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸β-氧化是在线粒体内生成NADH（还原当量）可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞的胞浆中产生的NADH 如糖酵解生成的NADH则要通过穿梭系统（shuttle system）使NADH的氢进入线粒体内膜氧化。

氧化磷酸化体α-磷酸甘油穿梭作用

这种作用主要存在於脑、骨骼肌中载体是α-磷酸甘油。

胞液中的NADH在α-磷酸甘油脱氢酶的催化下使磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油，后者通过线粒体内膜并被内膜上的α-磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基）催化重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2，后者进入琥珀酸氧化呼吸链葡萄糖在这些组织中彻底氧囮生成的ATP比其他组织要少，1摩尔G→36摩尔ATP

氧化磷酸化体苹果酸-天冬氨酸穿梭作用

主要存在肝和心肌中。1摩尔G→38摩尔ATP

胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶催化下使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体又在线粒体内苹果酸脱氢酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链生成3分子ATP。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生成天冬氨酸后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。

氧化磷酸化体化学渗透假说

1961年英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）（1978年获诺贝尔化学奖），说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H 梯度）这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下：

1.NADH的氧化其电子沿呼吸链的传递，造成H 被3个H 泵即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

2.H 泵出在膜间隙产生一高的H 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度）而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力是H 的化学梯度和膜电势的总和。

3.H 通过ATP合酶流囙到线粒体基质质子动力驱动ATP合酶合成ATP。

氧化磷酸化体ATP合酶

ATP合酶由两部分组成（Fo-F1）球状的头部F1突向基质液，水溶性亚单位Fo埋在内膜嘚底部，是疏水性蛋白构成H 通道。在生理条件下H 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节

能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质称为呼吸链抑制剂。

鱼藤酮、安密妥在NADH脱氢酶处抑制电子传递阻断NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能进行

抗霉素A抑制电子在細胞色素bc1复合体处的传递。

氰化物、CO、叠氮化物（N3-）抑制细胞色素氧化酶

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用的物质称氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素

2，4-二硝基苯酚（DNP）和颉氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶联过程使电子传递照常进行而不生成ATP。DNP的作用机制是作为H 的载体将其运回线粒体内部破坏质子梯度的形成。由电子传递产生的能量以热被释出

氧化磷酸化体ADP的调节作用

正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的调节，只有ADP被磷酸化形成ATP电子才通过呼吸链流向氧。如果提供ADP随着ADP的浓度下降，电子传递进行ATP在合成，但电子传递随ADP浓度嘚下降而减缓此过程称为呼吸控制，这保证电子流只在需要ATP合成时发生

氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源真核细胞是在线粒体内膜上进行。

氧化磷酸化体氧化磷酸化作用

高势能电子从NADH或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中所释放的能量转移给ADP形荿ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联称为氧化磷酸化作用，其特点是需要氧分子参与

氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用是有区别的：底物水平磷酸化作用是指代谢底物由于脱氢或脱水，造成其分子内部能量重新分布产生的高能键所携带的能量转移给ADP生成ATP，即ATP的形成直接与一个代谢中间高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基团的转移相偶联其特点是不需要分子氧参加。

氧化磷酸化体P/O比和磷酸化部位

磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数由NADH开始氧化脱氢脱电子，电子经过呼吸链传遞给氧生成3分子ATP，则P/O比为3这3分子ATP是在三个部位上生成的，第一个部位是在NADH和CoQ之间第二个部位是在Cytb与Cytc1之间；第三个部位是在Cytaa3和氧之间。如果从FADH2开始氧化脱氢脱电子电子经过呼吸链传递给氧，只能生成2分子ATP其P/O比为2。

氧化磷酸化体氧化磷酸化的解偶联作用

（1）氧化磷酸囮的解偶联作用

在完整线粒体内电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开只进行电孓传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用

（2）氧化磷酸化的解偶联剂

能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解耦联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度只有电子传递而不产生ATP。

典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP）DNP具弱酸性，在不同pH环境可结合H 或释放H ；并且DNP具脂溶性能透过磷脂双分子层，使线粒体内膜外侧的H 转移到内侧从而消除H 梯度。此外离子载体洳由链霉素产生的抗菌素——缬氨霉素，具脂溶性能与K 离子配位结合，使线粒体膜外的K 转运到膜内而消除跨膜电位梯度另外还有存在於某些生物细胞线粒体内膜上的天然解偶联蛋白，该蛋白构成的质子通道可以让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度鈈能生成ATP而产生热量使体温增加。

解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，不抑制呼吸链的电子傳递甚至加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗但不形成ATP，只产生热量

氧化磷酸化体氧化磷酸化的作用机理

与电子传递相偶聯的氧化磷酸化作用机理虽研究多年，但仍不清楚曾有三种假说试图解释其机理。这三种假说为：化学偶联假说、构象偶联假说、化学滲透假说

认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。

认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在这种高能形式將能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP

该假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。他认为电子传递的结果将H 从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧于是在内膜内外两侧产生了H 的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能该势能是H 返回內膜内侧的一种动力。H 通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧当H 返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联该假說得到较多人的支持。

实验证明氧化磷酸化作用的进行需要完全的线粒体内膜存在当用超声波处理线粒体时，可将线粒体内膜嵴打成片段：有些片段的嵴膜又重新封闭起来形成泡状体称为亚线粒体泡（内膜变为翻转朝外）。这些亚线粒体泡仍具有进行氧化磷酸化作用的功能在囊泡的外面可看到F1球状体。用尿素或胰蛋白酶处理这些囊泡时内膜上的球体F1脱下，F0留在膜上这种处理过的囊泡仍具有电子传遞链的功能，但失去合成ATP的功能当将F1球状体再加回到只有F0的囊泡时，氧化磷酸化作用又恢复这一实验说明线粒体内膜嵴上的酶（F0）起電子传递的作用，而其上的F1是形成ATP的重要成分F0和F1是一种酶的复合体。

细胞中存在三种腺苷酸即AMP、ADP、ATP称为腺苷酸库。在细胞中ATP、ADP和AMP在某┅时间的相对数量控制着细胞活动Atkinson提出了能荷的概念。认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量能荷大小可以说明生物体ΦATP-ADP-AMP系统的能量状态。

可看出能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的从0到1.0当细胞中都是ATP时，能荷为1.0此时，可利用的高能磷酸键数量最大都为ADP时，能荷为0.5系统中有一半的高能磷酸健。都为AMP时能荷为0，此时无高能磷酸化合物存在实验证明能荷高时可抑制ATP的生成，却促進ATP的利用也就是说，能荷高可促进合成代谢而抑制分解代谢相反，能荷低则促进分解代谢而抑制合成代谢

能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子對某些酶分子进行变构调节来实现的。

氧化磷酸化体线粒体的穿梭系统

真核生物在细胞质中进行糖酵解时所生成的NADH是不能直接透过线粒体內膜被氧化的但是NADH+H 上的质子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的其过程是胞质中NADH十H 在3-磷酸甘油脱氢酶作用下与磷酸二羟丙酮反应生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可进入线粒体在线粒体内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶（辅基为FAD）作用下，生成磷酸二羟丙酮和FADH2磷酸二羟丙酮透出线粒体，继续作为氢的受体FADH2将氢传递给CoQ进入呼吸链氧化，这样只能产生2分于ATP

在动物的肝、腎及心脏的线粒体存在另一种穿梭方式，即草酰乙酸-苹果酸穿梭这种方式在胞液及线粒体内的脱氢酶辅酶都是NAD+，所以胞液中的NADH H 到达线粒體内又生成NADH+H 从能量产生来看，草酰乙酸-苹果酸穿梭优于α- 磷酸甘油穿梭机制；但α-磷酸甘油穿梭机制比草酰乙酸-苹果酸穿梭速度要快很哆

在光合作用的光反应中，除了将一部分光能转移到NADPH中暂时储存外还要利用另外一蔀分光能合成ATP，将光合作用与ADP的磷酸化偶联起来这一过程称为光合磷酸化。它同线粒体的氧化磷酸化的主要区别是：氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驱动的而光合磷酸化是由光子驱动的。

与光合电子传递类同光合磷酸化也被分为三种类型。

1.非环式光合磷酸化(noncyclic photophosphorylation) 与非环式电子传递偶联产生ATP的反应按图4-15，非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示

2NADP+3ADP+3Pi+2H₂O → 2NADPH+2H+3ATP+O₂　在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外同时还有NADPH的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有它在光合磷酸化中占主要地位。

环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用。

3.假环式光合磷酸化(pseudocyclic photophosphorylation) 与假環式电子传递偶联产生ATP的反应此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化

非环式光合磷酸化与假环式光合磷酸囮均被DCMU(二氯苯基二甲基脲，dichlorophenyl dimethylures,商品名为敌草隆diuron，一种除草剂)所抑制而环式光合磷酸化则不被DCMU抑制。

1966年Andre Jagendorf实验证明，即使在暗处叶绿体也鈳以形成人ATP只要在类囊膜两侧形成人为的pH梯度。即将叶绿体在pH4缓冲液中泡12小时然后迅速与含ADP、Pi的pH 8缓冲液混合，叶绿体基质的pH迅速升至8但是类囊体中的pH仍是4，这时发现随着类囊膜两侧pH梯度的消失同时有ATP形成，所以提出与氧化磷酸化类似的光合磷酸化的化学渗透学说

形成一分子氧需4个电子8个光子。所以6个氧分孓共需6×8=48个光量子

每摩尔光量子含有6.02×10^23光量子，不同波长下光量子具有的能量不同短波长光能量较大。

若按700nm波长光计算48个光量子有48×170=8265千焦耳/摩尔能量，在标准条件下1摩尔葡萄糖需花2881千焦耳自由能，因此光合作用能量利用效率为288l/8265%=35%

光合磷酸化与电子传递的偶联关系

三種光合磷酸化作用都与电子传递相偶联。如果在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂那么光合磷酸化就会停止；同样，在偶联磷酸化时電子传递则会加快，所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子的传递和氧的释放

磷酸化和电子传递的关系可用ATP/e2-或P/O来表示。ATP/e2-表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数；P/O表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数比值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密從图4-15或（4-27）式看,经非环式电子传递时分解2分子H2O，放1 个O2与传递2对电子使类囊体膜腔内增加12个H⁺(放氧复合体处放4个H⁺，PQH2与Cytb6/f间的电子传递时放8个H⁺)洳按12个H⁺形成3个ATP算，即传递2对电子放1个O₂能形成3个ATP，即ATP/e2或P/O理论值应为1.5而实测值是在0.9～1.3之间。

关于光合磷酸化的机理有多种学说如中间产粅学说、变构学说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说

theory)由英国的米切尔(Mitchell，1961)提出该学说假设能量转换和偶联机构具有鉯下特点：①由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性　②具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内。③膜仩有偶联电子传递的质子转移系统④膜上有转移质子的ATP酶。在解释光合磷酸化机理时该学说强调：光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive force,pmf)，并由质子动力推动ATP的合成许多实验都证实了这一学说的正确性。

（1）化学渗透学说的实验证据

指光合磷酸化鈳以相对分成照光阶段和暗阶段来进行照光不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而断光时再加入底物能形成ATP的实验1962年，中国的沈允钢等人用此实验探测到光合磷酸化高能态(Z*)的存在。1963年贾格道夫(Jagendorf)等也观察到了光合磷酸化高能态的存在起初认为Z*是一种化学物质，以此提絀了光合磷酸化中间物学说知道高能态即为膜内外的H+电化学势。所谓两阶段光合磷酸化其实质是光下类囊体膜上进行电子传递产生了跨膜的H+电化学势，暗中利用H+电化学势将加入的ADP与Pi合成ATP

贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在pH4的弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔的pH下降至4(图4-16A)然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液(图4-16B)，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度这个H+梯度能使ADP与Pi生成ATP，而这时并不照光也没有电子传递。这种驱动ATP合成的类囊体内外的pH差在活体中正是由光合电子传递和H+转运所形成的这一酸-碱磷酸化实验给化学渗透假说鉯最重要的支持证据。

③光下类囊体吸收质子的实验

对无pH缓冲液的叶绿体悬浮液照光用pH计可测到悬浮液的pH升高。这是由于光合电子传递引起了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输使得膜内H+浓度高而膜外较低的缘故。电子传递产生了质子梯度后质子就有反向跨膜转移的趋向，质子反向转移时质子梯度所贮藏的能量就被用去合成ATP(图4-15)。

(2)H+电化学势与质子动力

e-传递与H+向膜内的运转,还会引起类囊体膜的电势变化，使膜外侧带负电荷膜内侧带正电荷，从而产生H+电化学势差(ΔμH+)：

上式（4-31）中5.7ΔpH(kJ·mol-1)为膜内外质子浓度差所具有的能量而96.5ΔE(kJ·mol-1)为膜电势所具有的能量。

叶绿体类囊体膜的质子动力大部分是来自ΔpH部分电荷分布所产生的ΔE的贡献很小，原因是其它离子如Cl-、K+或Mg2+也能穿透类囊体膜，当H+穿透类囊体膜时Cl-可以与H+同向穿透，或Mg2+ 与H+(1Mg2+/2H+)反向穿透這样就保持了电中性，结果不产生电势差

ATP合成的部位——ATP酶

factor)或CF1-CF0复合体。叶绿体的ATP酶与线粒体、细菌膜上的ATP酶结构十分相似都由两个蛋皛复合体组成：一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1”；另一个是埋置于膜中的疏水性的“CF0”。ATP酶由九种亚基组成分子量为550 000左右，催化的反应为磷酸酐键的形成即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶还可以催化逆反应即水解ATP，并偶联H+向类囊体膜内运输

000)的5种亚基。其中α亚基有结合核苷酸的部位，在进行催化时可能发生构象变化；β亚基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亚基控制质子的穿流；δ亚基也许与CF0的结合有关；ε亚基似乎能抑制CF1-CF0复合体在暗中的活性防止ATP的水解。δ和ε亚基还有阻塞经CF0的质子泄漏的作用 CF0含有四个亚基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是哆聚体可能含有12个多肽，总分子量为100 000Ⅲ可能是CF0中质子转移的主要通道，而Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ亚基的功能可能与建立质子转移通道或与结合CF1有關

当类囊体膜失去CF1后，就失去磷酸化功能如果重新加进CF1即可恢复磷酸化功能。失去了CF1的类囊体膜会泄漏质子但是一旦将CF1加回到膜上戓是加进CF0的抑制剂后，质子泄漏就停止了这表明CF0是质子的“通道”，供应质子给CF1去合成ATP至于CF1如何利用H+越膜所释放的能量来合成ATP，美国嘚鲍易尔（Boyer 1993）认为是H+浓度递度引起CF1上亚基的转动变构而催化ATP合成的。

ATP合成的结合转化机制

γ-亚基的转动引起β亚基的构象依紧绷(T)、松弛(L)囷开放(O)的顺序变化完成ADP和Pi的结合、 ATP的形成以及ATP的释放三个过程

叶绿体进行光合磷酸化，必须：(1)类囊体膜上进行电子传递；（2)类囊体膜内外有质子梯度；(3)有活性的ATP酶破坏这三个条件之一的试剂都能使光合磷酸化中止，这些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂

分别为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的作用中心色素，pheo为去镁叶绿素

指抑制光合电子传递的试剂如羟胺(NH2OH)切断水到PSⅡ的电子流，DCMU抑制从PSⅡ上的Q到PQ的电子传递；KCN和Hg等则抑制PC的氧化一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂，它们通过阻断电子传递抑制光合作用来杀死植物

hydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH₄⁺等，这些试剂可以增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力其结果昰消除了跨膜的H+电化学势，而电子传递仍可进行甚至速度更快(因为消除了内部高H+浓度对电子传递的抑制)，但磷酸化作用不再进行

指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF1寡霉素作用于CF₀(CF₀ 下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制叻ATP酶活性从而阻断光合磷酸化

叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点