Page 143 - 第九版生物化学

128 第二篇物质代谢及其调节

即 NADH 和 FADH2 通过线粒体呼吸链逐步失去电子被氧化生成水，电子传递过程伴随着能量的逐步
释放，此释能过程驱动 ADP 磷酸化生成 ATP, 所以 NADH 和 FAD比的氧化过程与 ADP 的磷酸化过程
相偶联，因而称之为氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 。

一、氧化磷酸化偶联部位在复合体 I 、皿、 W 内 癹 kky,2018 癹 kk y,2018

氧 化磷酸化在线粒体中进行，包含两个关键过程，一是电子传递，二是将电子传递过程中 释放的
能量用于产生 ATP, 使能量通过 ATP 被储存起来供机体使用 。 成对电子经呼吸链传递所能合成 ATP
的分子数可反映该过程的效率 。 理论推测，将呼吸链中能够产生足够的能量使 ADP 磷酸化的部位称
之为氧化与磷酸化的偶联部位，也就是能够生成 ATP 的部位，可根据下述实验方法及数据大致确定 。

( - ) P/0 比值

一对电子通过氧化呼吸链传递给 l 个氧原子生成 1 分子 H20, 其释放的能量使 ADP 磷酸化合成

ATP, 此过程需 要消耗氧和磷酸。 PIO 比值 (phosphate/ oxygen ratio) 是指氧化磷酸化过程中，每消耗 1/
2mol 02 所需磷酸的摩尔数，即所能合成 ATP 的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成 ATP
分子数） 。

实验证明，丙酮酸等底物脱氢反应产生 NADH+W, 通过 NADH 呼吸链传递， PIO 比值接近 2. 5,
说明一对电子传递给 l 个氧原子需消耗约 2.5 分子的磷酸，因此 NADH 呼吸链可能存在 3 个 ATP 生
成部位 。 而唬珀酸脱氢时， PIO 比值接近 1.5, 说明骁珀酸呼吸链可能存在 2 个 ATP 生成部位 。 根据
NADH 、唬珀酸呼吸链 PIO 比值的差异，提示在 NADH 和泛酣之间（复合体 I) 存在 1 个 ATP 生成部
位 。 抗坏血酸底物可以直接通过 Cyt C 传递电子进行氧化，其 PIO 比值接近 1, 推测 Cyt C 和 02 之间
（复合体 N) 存在 1 个 ATP 生成部位 。 由此推测另 1 个 ATP 生成部位应在 Q 和 Cyt C 之间（复合体
ill) 。 所以，复合体 I 、 ill 、 W 可能是氧化磷酸化的偶联部位、用于产生 ATP 。 一对电子经 NADH 呼吸
链传递， PIO 比值约为 2. 5, 生成 2.5 分子的 ATP; 一对电子经唬珀酸呼吸链传递， PIO 比值约为 1. 5,
可产生 1.5 分子的 ATP 。

（二）自由能变化
根据热力学公式， pH 7.0 时标准自由能变化 (~G) 与还原电位变化 (~E, 标准还原电位表示物质
对电子的亲和力，还原电位高更易千接受电子）之间有以下关系：

6.G=-nF6.E

n 为传递电子数； F 为法拉第常数 (96. 5kJ/mol·V) 。
从 NAD 十到 Q 之间测得的还原电位差约 0. 36V, 从 Q 到 Cyt C 电位差为 0.19V, 从 Cyt a 、 a3 到分子
氧为 0. 58V, 分别对应复合体 I 、皿 、 W 的电子传递 。 计算结果，它们相应释放的 LiG 分别约为 69. 5kJ/
mol 、3 6. 7kJ/mol 、 112kJ/mol, 而生成 lmol ATP 约需要 30. 5kJ, 可见复合体 I 、皿、 W 传递一对电子释放
的能量能够满足生成 ATP 所需的能量。需要指出的是，偶联部位并非意味着这三个复合体是直接产
生 ATP 的部位，而是指电子传递释放的能量，能满足 ADP 磷酸化生成 ATP 的需要 。
电子传递过程中，一对电子经复合体 I 、 皿 、 W 传递分别向膜间隙侧泵出 4H+ ~ 4H+ 和 2H+, 共 10
个 H飞 由于线粒体内膜的不通透性，导致内膜两侧的 W 浓度和电荷的差异 。 因此，呼吸链蛋白质复
合体的质子泵功能形成线粒体内膜两侧的质子梯度，储存了电子传递过程释放的部分能量 。

二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度

@记 1961 年，英国科学家 MitchellP 提出的化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis) 阐明了 氧化磷酸 化
的偶联机制 。 其基本要点是：心电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运 H+
从线粒体基质到内膜的胞质侧；＠由于质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内
膜的质子电化学梯度 (W 浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量；＠质子的电化学梯度