第7章新陈代谢总论和生物氧化1

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1、第二篇第二篇代代 谢谢第七章 新陈代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论二、生物氧化u 新陈代谢的概念新陈代谢的概念u 新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法u 生物体内能量代谢的基本规律生物体内能量代谢的基本规律u 高能化合物与高能化合物与ATPATP的作用的作用u 生物氧化的特点生物氧化的特点u 生物氧化中生物氧化中COCO2 2的生成的生成u 生物氧化中水的生成生物氧化中水的生成u 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、新陈代谢总论1.1 1.1 新陈代谢的概念新陈代谢的概念:新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。这是生物最基本的特征，也是生命存

2、在与能量交换的全过程。这是生物最基本的特征，也是生命存在的前提。的前提。生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢分解代谢分解代谢(异化作用异化作用)Catabolism合成代谢合成代谢(同化作用同化作用)Anabolism新陈代谢新陈代谢Metabolism1.2 1.2 新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法1.1.活体内活体内(用生物整体或整体器官研究用生物整体或整体器官研究,in vivo),in vivo)与与活体外实验活体外实验(用器官组织切片、匀浆或体外培养

3、的用器官组织切片、匀浆或体外培养的细胞、细胞器研究细胞、细胞器研究,in vitro),in vitro)2.2.使用使用酶的抑制剂酶的抑制剂(可使代谢途径受到阻断，结果造可使代谢途径受到阻断，结果造成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中间成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中间代谢物提供可能代谢物提供可能)3.3.同位素示踪法同位素示踪法(稳定同位素稳定同位素2 2H H、1515N N和放射性同位素和放射性同位素3232P P、125125I)I)4.4.核磁共振波谱法核磁共振波谱法(1313C C谱、谱、3131P P谱、谱、1515N N谱谱)1.3 生物体内能量代谢的基本规律生物

4、体内能量代谢同样服从热力学定律生物体内能量代谢同样服从热力学定律,最重要的热力学最重要的热力学函数是自由能函数是自由能(G(G )。ln oC DGGRTA B A+B C+Dk在生物体系内，在生物体系内，pH接近接近7，水的活度规定为，水的活度规定为1.0，用，用 G0代替代替 G0,则则:G02.303RT lgk当反应处于平衡时，当反应处于平衡时，G0 2.303RT lgk一个反应系统的一个反应系统的 G0只取决于产物与反应物的自由能之差只取决于产物与反应物的自由能之差,而与反应历程无关。而与反应历程无关。自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义自由能变化的可加性及其在生物化学反应

5、中的意义在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。步反应自由能变化的总和。例如例如A B+C G0+20.92kJ/molBD G0-33.47 kJ/molAC+D G0-12.55 kJ/mol在标准状况下在标准状况下,AB+C,AB+C不能自发进行，不能自发进行，BDBD容易进容易进行，因自由能变化是可加的，则行，因自由能变化是可加的，则AC+DAC+D可自发进行。可自发进行。这样，一个热力学上不能进行的反应，可由与它偶这样，一个热力学上不能进行的反应，可由与它偶联的、热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在联的、热

6、力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。生物化学反应中是很多的。1.4 高能化合物与ATP的作用(1)高能化合物生物体内有许多化合物，随水解或基团转移反应可释放出大生物体内有许多化合物，随水解或基团转移反应可释放出大量的自由能量的自由能,这类化合物称为高能化合物这类化合物称为高能化合物。磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键化合物硫酯键化合物甲硫键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物高能化合物高能化合物RCOSCoA如：如：ATP ADP+Pi pH7.0，25条件，条件，G0

7、=30.5 kJmol-1高能化合物释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环高能化合物释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分大多直接生成境中之外，其余部分大多直接生成ATPATP，以高能磷酸键的，以高能磷酸键的形式存在。形式存在。高能磷酸化合物高能磷酸化合物含自由能较多的磷酸化合物。水解时释放含自由能较多的磷酸化合物。水解时释放出自由能超过出自由能超过303067 kJ67 kJmolmol-1-1，常用，常用P或或 来表示。来表示。P(2)ATP在能量转运中的地位和作用ATPATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，作为是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，作为细胞

8、的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。无论从细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。无论从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用都是以利用都是以ATPATP为中心。为中心。焦磷酸焦磷酸O-POO-OPOO-O-OPOO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2OPOO-O-POO-ATP磷酯键酸酐键 ATP ATP的的“共同中间体共同中间体”作用作用ATPATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的能变化的中间位置中间位置，它能从具有更高能量的化合物中接受它能从具有

9、更高能量的化合物中接受高能磷酸键，也能将高能磷酸键，也能将PiPi转移给水解时标准自由能变化较转移给水解时标准自由能变化较小的化合物，从而将分解代谢的放能反应与合成代谢的吸小的化合物，从而将分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起，它本身是代谢的共同中间体。能反应偶联在一起，它本身是代谢的共同中间体。前体物质前体物质 组织成分组织成分合成代谢合成代谢底物底物产物产物ADP+PiATP分解代谢分解代谢PPi+AMP(3)ATP能量的转移能量的转移体内还有一些反应需要体内还有一些反应需要UTP(多糖合成多糖合成)、CTP(磷脂合成磷脂合成)或或GTP(蛋白质合成蛋白质合成)作供能物质。作为

10、供能物质所需要的作供能物质。作为供能物质所需要的UTP、CTP和和GTP可经下述反应再生：可经下述反应再生：NDP+ATPNTP+ADP (N:U,C,或或G)dNTP由由dNDP的生成过程也需要的生成过程也需要ATP供能：供能：dNDP+ATPdNTP+ADP(4)(4)其它贮能物质：磷酸肌酸其它贮能物质：磷酸肌酸在肌肉、神经组织，磷酸肌酸是主要的贮能物质，在肌肉、神经组织，磷酸肌酸是主要的贮能物质，但是它含有的能量需转化成但是它含有的能量需转化成ATPATP后再利用。后再利用。2.1 概述2.2 生物氧化中CO2的生成2.3 生物氧化中H2O的生成 2.3.1 呼吸链 2.3.2 呼吸链的

11、组成 2.3.3 呼吸链中传递体的顺序2.4 氧化磷酸化 2.4.1 ATP的生成 2.4.2 胞浆中NADH的氧化磷酸化 2.4.3 氧化磷酸化中ATP的合成部位 2.4.4 氧化磷酸化的偶联机制二、生物氧化(Biological oxidation)2.1 概述 一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。有机分子在机体内氧化分解成H2O和CO2，并释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化-还原反应，所以又称为呼吸作用或细胞呼吸(cellular respiration)。生物氧化的特点：1.1.在生物体内在生物

12、体内,电子转移主要有以下三种形式电子转移主要有以下三种形式:(1)(1)直接的电子转移直接的电子转移:Fe:Fe2+2+Cu+Cu2+2+FeFe3+3+Cu+Cu+(2)(2)氢原子的转移氢原子的转移(H=H(H=H+e):AH+e):AH2 2+B+BA+BHA+BH2 2(3)(3)有机还原剂直接加有机还原剂直接加O O2 2:RH+O:RH+O2 2+2H+2H+2eROH+H+2eROH+H2 2O O在活细胞内、体温、近于中性的含水环境中由酶催化在活细胞内、体温、近于中性的含水环境中由酶催化下进行。下进行。生物氧化是逐步氧化、逐步释放能量。释放的能量一生物氧化是逐步氧化、逐步释放能

13、量。释放的能量一般都先贮存在般都先贮存在ATPATP中中,然后再通过然后再通过ATPATP的转移作用，将的转移作用，将能量释放。能量释放。真核生物的生物氧化在线粒体内进行，不含线粒体的真核生物的生物氧化在线粒体内进行，不含线粒体的原核生物则在细胞膜上进行。原核生物则在细胞膜上进行。生物氧化主要包括三方面的内容:1、细胞如何在酶的催化下，把代谢物分子的CCO2？2、细胞如何将代谢物分子脱下的H2交给O2生成水?3、细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变为ATP的高能键?2.2 生物氧化中CO2的生成生物体内生物体内COCO2 2的生成来源于含羧基的有机化合物的脱羧作用。的生成来源于含羧基的有

14、机化合物的脱羧作用。直接脱羧直接脱羧 氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化(脱氢脱氢)。CH3CCOOHCH3CHO+CO2O丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶(-脱羧脱羧)HOOCCH2CCOOHOCH3CCOOHO+CO2丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶(-脱羧脱羧)苹果酸酶苹果酸酶CH3CCOOHO+CO2HOOCCH2CHCOOHNADP+NADPH+H+OHMH2M递氢体递氢体H2 递氢体递氢体 NAD+、FMN、FAD、COQ还原型还原型氧化型氧化型Cyt递电子体递电子体 b,c1,c,aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶传递体传递体线粒体2.3 生

15、物氧化中H2O的生成 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。化作用和吸入的氧结合而成的。生物体主要以生物体主要以脱氢酶脱氢酶、传递体传递体及及氧化酶氧化酶组成生物氧化组成生物氧化体系，以促进水的生成。体系，以促进水的生成。2.3.1 呼吸链(respiratory chain)代谢物上的氢被脱氢酶激活脱下后代谢物上的氢被脱氢酶激活脱下后,经过一系列经过一系列传递体传递体,最后传递给被激活的氧而生成水的全部体系最后传递给被激活的氧而生成水的全部体系称称呼吸链呼吸链或或电子传递链电子传递链(electron tran

16、sport chain)。l 在具有线粒体的生物中，在具有线粒体的生物中，呼吸链分布在线粒体内膜呼吸链分布在线粒体内膜上上线粒体呼吸链线粒体呼吸链。l 典型的呼吸链有两种典型的呼吸链有两种:1.NADH 1.NADH呼吸链呼吸链 2.FADH2.FADH2 2呼吸链呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链)Mitochondrion Impermeable to ions and most other compoundsNADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 MHMH2 2：作用物；：作用物；(Fe-S)(Fe-S)：铁硫中心；：铁硫中心；1.NADH1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 体内大多数

17、脱氢酶都是以体内大多数脱氢酶都是以NADNAD+为辅酶，在脱氢酶催化下为辅酶，在脱氢酶催化下,底物底物MHMH2 2脱下的氢交给脱下的氢交给NADNAD+生成生成NADH+HNADH+H+；在；在NADHNADH脱氢酶脱氢酶作用下，作用下，NADH+HNADH+H+将两个氢原子传递给将两个氢原子传递给FMNFMN生成生成FMNHFMNH2 2,再将氢传递至再将氢传递至CoQCoQ生成生成CoQHCoQH2 2，此时两个氢原子解离成，此时两个氢原子解离成2H2H+2e+2e-,2H,2H+游离于介质中，游离于介质中，2e2e-经经CytCyt b b、c c1 1、c c、aaaa3 3传递，最

18、后将传递，最后将2e2e-传递给传递给1/2O1/2O2 2，生成，生成O O2-2-,O,O2-2-与介质中游离的与介质中游离的2H2H+结合生成水。结合生成水。2.琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FADFAD接受接受两个氢原子生成两个氢原子生成FADHFADH2 2，然后再将氢传递给，然后再将氢传递给CoQCoQ，生成，生成CoQHCoQH2 2，此，此后的传递和后的传递和NADHNADH氧化呼吸链相同。氧化呼吸链相同。Electron Transport chain(ETC)(respiratory chain)T

19、he electron transport chain in the inner mitochondrial membrane can be isolated in four proteins complexes(I,II,III,IV).A lipid soluble coenzyme(Q)and a water soluble protein(cyt c)shuttle between protein complexes.Electrons transfer through the chain-from complexes I and II to complex IV.Electron t

20、ransport chainMitochondrial Complexes2.3.2 呼吸链的组成NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶(NADH(NADH脱氢酶脱氢酶)琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶 细胞色素细胞色素c 还原酶还原酶 细胞色素细胞色素c 氧化酶氧化酶 1.1.蛋白质复合体蛋白质复合体 (酶蛋白和电子载体酶蛋白和电子载体)2.2.电子载体电子载体(或电子传递体或电子传递体)NADHFMNFeSFADFeSCyt b FeSCyt c1Cyt aCyt a3 1/2 O2 ubiquinoneI复合体II复合体III复合体IV复合体Ubiquinone Cyt c 1 1、复合物、复

21、合物I I NADH NADH 泛醌还原酶泛醌还原酶 简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶,又称又称NADHNADH脱氢酶。它的作用是脱氢酶。它的作用是先与先与NADHNADH结合并将结合并将NADHNADH上的两个高势能电子转移到上的两个高势能电子转移到FMNFMN辅基上，使辅基上，使NADHNADH氧化，并使氧化，并使FMNFMN还原。所以它既是一种还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。脱氢酶，也是一种还原酶。NADHNADHH H+FMNFMNFMNHFMNH2 2NADNAD+它的活性部分含有辅基它的活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫聚族和铁硫聚族电子载体。电子载体。

22、电子传递顺序：电子传递顺序：NADHFMNNADHFMN铁硫聚族铁硫聚族泛醌泛醌 黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)FMNFMN既可以接受既可以接受2 e2 e-形成形成FMNHFMNH2 2，又可以接受，又可以接受1 e1 e-，或由，或由FMNHFMNH2 2给给出出1 e1 e-形成一个稳定的半醌中间产物形成一个稳定的半醌中间产物。NADH+H+FMN NAD+FMNH2FMNH2+Fe3+FMNH+Fe2+H+CCCHCCHCNCCNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2CO

23、HOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNHCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHe+H+e+H+FMN FMNH2 FMNH 110 铁硫聚族铁硫聚族(Iron-sulfur clusters,Fe-S)Iron-sulfur clusters transfer only one electron,even if they contain two or more iron atoms.E.g.,a 4-Fe center might cycle between redox states:Fe+3,Fe+1(oxidized)+1 e Fe+2,F

24、e+2(reduced)又称铁硫中心又称铁硫中心(Iron-sulfur Centers)(Iron-sulfur Centers)，含有非卟啉铁含有非卟啉铁和无机硫。和无机硫。作用是通过铁的变价互变进行电子传递。作用是通过铁的变价互变进行电子传递。铁硫聚族与蛋白质相结合称为铁硫聚族与蛋白质相结合称为铁硫蛋白。铁硫蛋白。在线粒体呼在线粒体呼吸链中，有多个铁硫聚族，存在于吸链中，有多个铁硫聚族，存在于NADHNADH脱氢酶、琥珀脱氢酶、琥珀酸酸-泛醌还原酶及细胞色素泛醌还原酶及细胞色素c c还原酶中。还原酶中。常见的铁硫中心有：常见的铁硫中心有：FeSFeS:单个铁原子与单个铁原子与4 4个半胱

25、氨酸残基上的巯基硫相连。个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。2Fe-2S2Fe-2S:两个铁原子、两个无机硫原子组成，其中每个铁两个铁原子、两个无机硫原子组成，其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。4Fe-4S:4Fe-4S:由由4 4个铁原子与个铁原子与4 4个无机硫原子相连，铁与硫相间个无机硫原子相连，铁与硫相间排列在一个正六面体的排列在一个正六面体的8 8个顶角端；此外个顶角端；此外4 4个铁原子还各与一个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。2 2、泛醌、泛醌(ubiquinone,Q(ubiquin

26、one,Q)l 在呼吸链中是唯一一个不在呼吸链中是唯一一个不与蛋白质结合的电子载体与蛋白质结合的电子载体，可以在膜内自由穿梭，将上可以在膜内自由穿梭，将上游的黄素蛋白类和下游的细游的黄素蛋白类和下游的细胞色素联系起来，在电子传胞色素联系起来，在电子传递链中处于中心地位。递链中处于中心地位。OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3OHOHCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH32 e+2 H+coenzyme Q coenzyme QH2 l 亦称辅酶亦称辅酶Q(coenzymeQ(coenzyme Q)Q)，为一脂溶性的醌类物，为一脂溶性的醌类物质，能溶于线粒体

27、内膜。质，能溶于线粒体内膜。l 侧链是由侧链是由多个异戊二多个异戊二烯烯(isoprene)(isoprene)单位构成单位构成，最常见的是最常见的是n n1010。n CoQ can accept/donate 1 or 2 e-.CoQ can mediate e-transfer between 2 e-that transfer and 1 e-carriers.OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3OHOHCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3e+2 H+coenzyme Q coenzyme QH2 OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2

28、)nHCH3e coenzyme Q semiquinone radical3、复合物II琥珀酸-Q还原酶 琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶是嵌在线粒体内膜上的蛋白复合物，还原酶是嵌在线粒体内膜上的蛋白复合物，完整的酶应该还包括三羧酸循环中使琥珀酸氧化为延完整的酶应该还包括三羧酸循环中使琥珀酸氧化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。胡索酸的琥珀酸脱氢酶。琥珀酸是生物代谢过程琥珀酸是生物代谢过程(三羧酸循环三羧酸循环)中产生的中间产中产生的中间产物，它在琥珀酸物，它在琥珀酸-Q-Q还原酶催化下脱氢氧化，将两个高还原酶催化下脱氢氧化，将两个高能电子传递给能电子传递给Q Q。其活性部分含有辅基其活性部分含有辅基FA

29、DFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。FADFAD总是参与两总是参与两电子反应，传递电子反应，传递2 2 e e-和和 2 H2 H+；电子传递顺序：琥珀酸电子传递顺序：琥珀酸FADFAD铁硫聚族铁硫聚族泛醌泛醌 催化的反应：催化的反应：FADHFADH2 2+Q+Q FAD+QH FAD+QH2 24、复合物III细胞色素c还原酶(cytochrome c reductase)又称辅酶又称辅酶Q Q细胞色素细胞色素c c还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素bcbc1 1复合体，复合体，是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，细胞色素细胞色素c c还原酶活性部分主要包括细

30、胞色素还原酶活性部分主要包括细胞色素b b和和c c1 1，以及铁硫蛋白（以及铁硫蛋白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。作用是催化还原型作用是催化还原型QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c的还原，使的还原，使电子从电子从QHQH2 2转移到细胞色素转移到细胞色素c c。QH2 +2 cyt c(Fe3+)Q +2 cyt c(Fe2+)+2H+细胞色素类细胞色素类(cytochromes(cytochromes)l 细胞色素是一类含有血红素辅基细胞色素是一类含有血红素辅基(铁卟啉铁卟啉)的电子传递的电子传递蛋白质的总称。蛋白质的总称。l 根据吸收光谱的不同，将细胞色素分为根据吸

31、收光谱的不同，将细胞色素分为a a、b b、c c三类，三类，不同类的细胞色素其铁卟啉辅基结构及与蛋白质的连接不同类的细胞色素其铁卟啉辅基结构及与蛋白质的连接方式不同。方式不同。l 细胞色素中的血红素铁能通过细胞色素中的血红素铁能通过FeFe3+3+e+e-Fe Fe2+2+进行进行1 e1 e-传递。传递。l cytcyt aa aa3 3中除铁卟啉外，还含有两个铜原子，依靠中除铁卟啉外，还含有两个铜原子，依靠CuCu+CuCu2+2+e+e-，把电子从，把电子从a a3 3传递给氧。传递给氧。l 在线粒体呼吸链中有细胞色素在线粒体呼吸链中有细胞色素b b、c c1 1、c c、aaaa3

32、3，其电子，其电子传递顺序是传递顺序是bcbc1 1caacaa3 3OO2 2，其中只有，其中只有a a3 3能与氧结合，能与氧结合，被分子氧直接氧化。被分子氧直接氧化。l cytcyt aa aa3 3中铁原子能通过第中铁原子能通过第6 6个配位键与个配位键与O O2 2、CNCN-等结合等结合.其他细胞色素中的铁原子均与卟啉环和蛋白质形成其他细胞色素中的铁原子均与卟啉环和蛋白质形成6 6配位配位.l 细胞色素细胞色素c c是是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内外膜的间隙，属膜外周蛋白，是唯一能溶于位于线粒体内外膜的间隙，属膜外周蛋白，

33、是唯一能溶于水的细胞色素。水的细胞色素。l 细胞色素细胞色素c c交互地与细胞色素交互地与细胞色素c c还原酶还原酶(复合体复合体III)III)的细胞的细胞色素色素c c1 1和细胞色素和细胞色素c c氧化酶氧化酶(复合体复合体IV)IV)接触，起到在复合体接触，起到在复合体IIIIII和和IVIV之间传递电子的作用。之间传递电子的作用。5、细胞色素c NNNNCH3HCCH3SCH2CH3CHSCH2CH3CH2CH2COOCH3H3CCH2CH2OOCproteinproteinFeHeme c 6、复合物IV细胞色素c氧化酶 位于线粒体呼吸链的末端，是线粒体内膜的跨膜蛋白。位于线粒体呼

34、吸链的末端，是线粒体内膜的跨膜蛋白。细胞色素细胞色素c c氧化酶的活性部分主要包括氧化酶的活性部分主要包括cytcyt a a和和a a3 3。cytcyt a,a a,a3 3中铁原子能通过第中铁原子能通过第6 6个配位键与个配位键与O O2 2、CNCN-等结等结合，还含有两个铜原子，依靠合，还含有两个铜原子，依靠CuCu+CuCu2+2+e+e-，把，把电子从电子从a a3 3传递给氧。传递给氧。它的作用是催化还原性的细胞色素它的作用是催化还原性的细胞色素c c氧化，并将氧化，并将4 4个电个电子传递给分子氧。子传递给分子氧。cytcyt c(c(还原性还原性)+1/2 O)+1/2 O

35、2 2 cytcyt c(c(氧化性氧化性)+H)+H2 2O O 电子传递顺序为：电子传递顺序为：cytcyt c(c(还原性还原性)cyt)cyt acyt acyt a a3 3OO2 2NAD+,flavins and Q carry electrons and H+.Cytochromes and non-heme iron proteins carry only electrons.NAD+,FAD undergoes only a 2 e-reaction;Cytochromes undergo only 1e-reactions;FMN,Q undergoes 1e-and 2

36、 e-reaction.Summary:Electron carriers(1)(1)根据各种电子传递体的标准氧化还原电位根据各种电子传递体的标准氧化还原电位(E(E 0 0)来确定来确定电子总是从低氧化还原电位向高的电位流动。电子总是从低氧化还原电位向高的电位流动。E E 0 0 越低，越低，供电子的倾向越大，越易成为还原剂，而处在呼吸链的供电子的倾向越大，越易成为还原剂，而处在呼吸链的前面；反之，前面；反之，E E 0 0 越高，越处在呼吸链的后面。因此越高，越处在呼吸链的后面。因此呼呼吸链中各种组分的排列顺序应当由低电位依次向高电位吸链中各种组分的排列顺序应当由低电位依次向高电位排列。排

37、列。2.3.3 呼吸链中传递体的顺序Order and Reduction Potentials+0.077+0.22+0.25+0.29+0.55-0.32+0.03+0.045+0.82-0.3NADHFMNFeSFADFeSCyt aCyt a3 1/2 O2Cyt b FeSCyt c1 ubiquinoneI复合体II复合体III复合体IV复合体UbiquinoneCyt c(2)(2)使用电子传递的抑制剂使用电子传递的抑制剂能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂递抑制剂。当特异的抑制剂阻断呼吸链中的特定环节时，阻断部

38、位底当特异的抑制剂阻断呼吸链中的特定环节时，阻断部位底物一侧的各种传递体应为还原型，阻断部位的氧一侧各种物一侧的各种传递体应为还原型，阻断部位的氧一侧各种传递体应为氧化型。传递体应为氧化型。+0.077+0.22+0.25+0.29+0.55-0.32+0.03+0.045+0.82-0.3NADHFMNFeSFADFeSCyt aCyt a3 1/2 O2Cyt b FeSCyt c1 ubiquinoneI复合体II复合体III复合体IV复合体UbiquinoneCyt cRotenone鱼藤酮鱼藤酮Antimycin A抗霉素抗霉素ACN-CORotenone helps natives

39、 of the Amazon rain forest catch fish!Drugs that inhibit the ETC上述阻断剂的阻断位置正是呼吸链中的三个放能部位。上述阻断剂的阻断位置正是呼吸链中的三个放能部位。2.4.1 ATP的生成ATP主要由主要由ADP磷酸化所生成，少数可由磷酸化所生成，少数可由AMP焦磷酸化生成焦磷酸化生成 ADP+Pi+能量能量ATP AMP+PPi+能量能量ATP2.4 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)l 氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指ADPADP与与PiPi合成合成

40、ATPATP的过程。的过程。氧化释放的能量用于氧化释放的能量用于ATPATP合成，这个过程就是氧化磷酸化合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。基础，而磷酸化是氧化的结果。(1)底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)底物分子中的能量直接以高能磷酸键形式转移给底物分子中的能量直接以高能磷酸键形式转移给ADP生成生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化。，这个过程称为底物水平磷酸化。XPADPATPX XP代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物。其代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物。其能量来源于底物

41、的脱氢、分子内部能量的重新分布和集中。能量来源于底物的脱氢、分子内部能量的重新分布和集中。甘油酸甘油酸-1,3-1,3-二磷酸二磷酸+ADP+ADP甘油酸甘油酸-3-3-磷酸磷酸+ATP+ATP磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸+ADP+ADP烯醇丙酮酸烯醇丙酮酸+ATP+ATP丙酮酸激酶丙酮酸激酶例如：例如：(2)电子传递体系磷酸化l 在在结构完整的线粒体结构完整的线粒体中中,当电子从当电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2经电子传递经电子传递链传递给氧形成水时，同时伴有链传递给氧形成水时，同时伴有ADPADP磷酸化为磷酸化为ATPATP，这一全过，这一全过程

42、称为电子传递体系磷酸化。通常氧化磷酸化就是指电子传程称为电子传递体系磷酸化。通常氧化磷酸化就是指电子传递体系磷酸化，它是生物体内生成递体系磷酸化，它是生物体内生成ATPATP的一种主要方式。的一种主要方式。l 在在NADHNADH呼吸链中呼吸链中,有三处能使氧化还原过程释放的能量转有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为化为ATP,ATP,这三个部位称为这三个部位称为氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位。而且这三。而且这三个部位也是传递链上可被特异性抑制剂阻断的地方个部位也是传递链上可被特异性抑制剂阻断的地方。l 呼吸链的氧化磷酸化的全过程可用下述方程式表示呼吸链的氧化磷酸化的全过程可用下述

43、方程式表示:NADH+H NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O+3ADP+3Pi+1/2O2 2NADNAD+3ATP3ATP+4H+4H2 2O O FADH FADH2 2+2ADP+2Pi+1/2O+2ADP+2Pi+1/2O2 2FAD+FAD+2ATP2ATP+3H+3H2 2O OSites of ATP CouplingNAD+FMNFeSubiquinoneFADFeSCyt b FeSCyt c1Cyt cCyt aCyt a3 1/2 O2 ubiquinoneIIIIIIIVADP+PiATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP P/O值测定值测定l P/O值是指

44、在氧化磷酸化过程中值是指在氧化磷酸化过程中,每消耗一摩尔氧分子所消耗每消耗一摩尔氧分子所消耗的无机磷酸的摩尔数，或者说每消耗一摩尔氧所生成的的无机磷酸的摩尔数，或者说每消耗一摩尔氧所生成的ATP的的摩尔数。摩尔数。l P/O值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。NADH呼吸呼吸链的链的P/O值是值是3；FADH2呼吸链的呼吸链的P/O值是值是2。l 测定测定P/O值的方法值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化

45、磷酸化进行。反应终了时测定磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量消耗量(可用氧电极法可用氧电极法)和和Pi消消耗量耗量(或或ATP生成量生成量)就可以计算出就可以计算出P/O值。值。l 在反应系统中加入不同的底物，可测得各自的在反应系统中加入不同的底物，可测得各自的P/O值，结合值，结合呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位。呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位。确定氧化磷酸化偶联部位通常用两种方法确定氧化磷酸化偶联部位通常用两种方法：(自学自学)u比较表中比较表中(1)(1)和和(2)(2)，呼吸链传递的差异是在，呼吸链传递的差异是在Q Q之前，两者之前，两者ATPATP的生成数

46、相差的生成数相差1 1，所以这个，所以这个ATPATP的生成部位一定在的生成部位一定在NADHQNADHQ之间之间u比较表中比较表中(2)(2)和和(3)(3)，呼吸链传递的差异是在，呼吸链传递的差异是在CytCyt c c之前，两者之前，两者ATPATP的生成数相差的生成数相差1 1，所以这个，所以这个ATPATP的生成部位在的生成部位在QCytQCyt c c之间之间u比较表中比较表中(3)(3)和和(4)(4)，生成的，生成的ATPATP数均为数均为1 1，呼吸链传递的区别，呼吸链传递的区别是在是在Cyt cCytCyt cCyt aa aa3 3，故，故CytcaaCytcaa3 3不

47、存在偶联部位，而在不存在偶联部位，而在CytCyt aaaa3 3OO2 2之间存在着一个偶联部位。之间存在着一个偶联部位。底物呼吸链的组成P/O比值生成ATP数(1)-羟丁酸NADHNADHFMNQCytOFMNQCytO2 22.43 3(2)琥珀酸FADFADQQCytOCytO2 21.72 2(3)抗坏血酸CytCyt c cCytCyt aa aa3 3OO2 20.881 1(4)细胞色素c Cyt Cyt aa aa3 3OO2 20.61-0.681 1离体线粒体的P/O比值注：由于线粒体的偶联作用在离体条件下不能完全发挥，故可认为实际的注：由于线粒体的偶联作用在离体条件下不

48、能完全发挥，故可认为实际的ATP生成数是生成数是P/O值值(小数小数)所接近的正整数值。所接近的正整数值。根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是否能满足根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是否能满足ATPATP合成的需要合成的需要氧化还原反应中释放的自由能氧化还原反应中释放的自由能G G0 0 与反应物和产物的标与反应物和产物的标准氧化还原电位差值准氧化还原电位差值(E E 0)之间存在下述关系：之间存在下述关系：G GO O =-nF=-nFE E O O n n为电子转移数，为电子转移数，F F为法拉弟常数为法拉弟常数96.49kJ/V,96.49kJ/V,E E O O为电位差值。为

49、电位差值。例如例如,细胞色素细胞色素a1/2Oa1/2O2 2 G GO O =-2=-296.4996.49(0.816-0.29)=-99.9kJ/mol(0.816-0.29)=-99.9kJ/mol每摩尔每摩尔ATPATP水解生成水解生成ADPADP与与PiPi所释放的能量为所释放的能量为30.52kJ30.52kJ，只要氧，只要氧化过程中释放的能量大于化过程中释放的能量大于30.52kJ30.52kJ，均有可能生成，均有可能生成1 1摩尔摩尔ATPATP，就可能存在有一个偶联部位。就可能存在有一个偶联部位。2.4.2 胞浆中NADH的氧化磷酸化糖酵解作用在胞浆中进行，真核细胞胞浆中的

50、糖酵解作用在胞浆中进行，真核细胞胞浆中的NADHNADH不能自由通过线粒体内膜，要使不能自由通过线粒体内膜，要使糖酵解产生的糖酵解产生的NADHNADH进入进入呼吸链氧化生成呼吸链氧化生成ATPATP，必须借助某些能自由通过线粒体内，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能被转入线粒体，这就是所谓膜的物质才能被转入线粒体，这就是所谓穿梭机制。穿梭机制。(1)(1)甘油甘油-磷酸穿梭磷酸穿梭(glycerol-(glycerol-phosphate shuttle)-phosphate shuttle)(2)(2)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-(malate-aspar

51、tateaspartate shuttle)shuttle)体内主要有两种穿梭机制：体内主要有两种穿梭机制：甘油甘油-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶甘油甘油-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶甘油-磷酸穿梭作用CH2OC=OCH2OHPCHOCHOHCH2OHP净结果净结果NADHNADH(胞质胞质)FADHFADH2 2(线粒体线粒体)净结果净结果NADHNADH(胞质胞质)NADHNADH(线粒体线粒体)线粒体线粒体苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶胞质中胞质中苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶转氨酶转氨酶转氨酶转氨酶ATPATP是由是由ATPATP合成酶催化合成酶催化ADPADP与与PiPi合成的。合成的。ATPATP合成酶合成酶

52、位于线粒体内膜基质侧位于线粒体内膜基质侧,是是一个大的膜蛋白质复合体，一个大的膜蛋白质复合体，起质子通道作用的单元称为起质子通道作用的单元称为F F0 0(疏水疏水)，催化，催化ATPATP合成的单合成的单元称为元称为F F1 1(亲水亲水),),又称又称F Fo oF F1 1复复合体。合体。2.4.3 氧化磷酸化中ATP的合成部位F F1 1是线粒体内膜基质侧是线粒体内膜基质侧的球状的头与茎部分，的球状的头与茎部分，由由 3 3 3 3组成。组成。亚基亚基是催化是催化ATPATP合成的部位；合成的部位；亚基是亚基是F F1 1与膜上与膜上F Fo o相连相连所必需的。所必需的。F F0 0

53、是跨线粒体内膜的疏是跨线粒体内膜的疏水蛋白质水蛋白质,F,F0 0主要构成质主要构成质子通道。子通道。MatrixIntermembrane space2.4.4 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说 呼吸链中递氢体和电子传递体是相间交替排列，在线粒呼吸链中递氢体和电子传递体是相间交替排列，在线粒体内膜上都有特定的位置体内膜上都有特定的位置,催化反应是定向的。催化反应是定向的。递氢体有质子泵的作用。在电子传递过程中释放的能量递氢体有质子泵的作用。在电子传递过程中释放的能量的驱动下，递氢体将的驱动下，递氢体将H H+从线粒体内膜基质侧泵到内外膜从线粒体内膜基质侧泵到内外膜间隙。间隙。H H+不能自由

54、透过线粒体内膜，结果使得线粒体内外膜间不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内外膜间隙隙H H+浓度高于基质内浓度高于基质内H H+浓度，在线粒体内膜两侧形成一个浓度，在线粒体内膜两侧形成一个跨膜质子梯度跨膜质子梯度 pHpH。同时使得线粒体内膜外侧带正电荷，。同时使得线粒体内膜外侧带正电荷，内侧带负电荷，形成跨膜电位内侧带负电荷，形成跨膜电位。底物氧化过程中释放。底物氧化过程中释放的自由能就储存于的自由能就储存于和和 pHpH中。中。在在 pHpH和和的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道(ATP(ATP酶的酶的F F0 0部分部分)，跨膜回到膜内侧。质

55、子跨膜过程中释，跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动放的能量，直接驱动ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP。Matrix H+NADH NAD+2H+2H+O2 H2O 2 e I Q III IV +4H+4H+2H+Intermembrane Space cyt c 2-3H+F1 Fo ADP+Pi ATP wComplex I,III,IV drive H+transport from matrix to the intermembrane space when e-flow through,which creates proton gradient(electr

56、ochemical potential)across the inner membrane.w4H+are pumped per 2e passing through complex III,probably 4H+/2e for complex I;2H+/2e for complex IV.化学渗透学说的实验证据：化学渗透学说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要线粒体膜的完整性，因为膜不氧化磷酸化作用的进行需要线粒体膜的完整性，因为膜不完整则不能形成跨膜完整则不能形成跨膜H H+梯度。梯度。线粒体内膜对线粒体内膜对H H+、OHOH-、ClCl-、K K+等离子都是不通透的。等离子都是不通

57、透的。破坏破坏H H+浓度梯度的形成浓度梯度的形成(用解偶联剂或离子载体用解偶联剂或离子载体)都破坏氧都破坏氧化磷酸化作用的进行。化磷酸化作用的进行。解偶联剂解偶联剂(如如2,4-2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚,DNP),DNP)：使线粒体内膜对：使线粒体内膜对H H+的通透性增加，促进的通透性增加，促进H H+被动扩散通过线粒体内膜，从而消除被动扩散通过线粒体内膜，从而消除线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成ATPATP。离子载体离子载体(如缬氨霉素、短杆菌肽如缬氨霉素、短杆菌肽)：与某些除：与某些除H H+以外的以外的1 1价阳离子结合并作为它们的

58、载体使这些离子能够穿过膜。价阳离子结合并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜。生物氧化是生物体内有机物所进行的氧化作用。生物氧化是在酶的催化下在比较温和的条件下实现的。生物氧化的结果形成高能磷酸化合物。研究生物氧化的机理必须对氧化-还原电势有较清楚的概念。生物氧化中的自由能是表示一个系统能否转移电子的能力。需氧细胞内，糖、脂及氨基酸的分解都通过各自的分解途径，但最终都经过共同的氧化途径，由NADH或FADH2电子传递链将它们氧化脱下的氢传递给氧而形成水，其中所释放的自由能用于促使ADP和Pi形成ATP。这个全过程称为氧化磷酸化。NADH呼吸链主要包括NADH-Q还原酶、细胞色素c还原酶以及细胞色

59、素c氧化酶。它们在电子传递链中的排列顺序是根据它们的还原电势大小，越靠近氧的成员对电子亲和力越大。本章提要能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。利用电子传递抑制剂是研究电子传递链顺序的种重要手段。鱼藤酮专一抑制NADHCoQ的电子传递;抗霉素A专一地抑制CoQCyt c的电子传递;CN-、CO和NaN3均抑制aa3O2的电子传递。其阻断剂的阻断位置正是呼吸链中的三个放能部位。P/O值是指在氧化磷酸化过程中,消耗一摩尔氧所消耗的无机磷酸的摩尔数，或者说消耗一摩尔氧所生成的ATP的摩尔数。NADH呼吸链P/O值为3.目前解释氧化磷酸化的偶联机理主要是化学渗透学说。认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜梯度。分离的完整线粒体悬液中含有大量的分离的完整线粒体悬液中含有大量的ADPADP、PiPi、O O2 2和和NADHNADH。请说出向线粒体中加入下列物质将会对。请说出向线粒体中加入下列物质将会对O O2 2的消的消耗和耗和ATPATP的合成产生什么影响。的合成产生什么影响。(1)DNP(1)DNP，然后是，然后是CNCN-(2)(2)鱼藤酮，然后是琥珀酸鱼藤酮，然后是琥珀酸课堂练习