生物氧化本科班

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1、会计学1生物氧化本科班生物氧化本科班物质在生物体内进行氧化称生物氧化物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成时逐步释放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能 反应环境温和，酶促反应逐步进行，能反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成生成效率高。效率高。 通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧通过加水脱氢反应使物质能间

2、接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生合产生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 能量突然释放。能量突然释放。 物质中的碳和氢直接氧结合物质中的碳和氢直接氧结合生成生成CO2H2O 。糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP G甘油甘油 FAAA乙酰辅酶乙酰辅酶ACO22HADP+PiATPO2H2OCoASH三羧酸循环糖原糖原脂肪脂肪蛋白质蛋白质第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段物质代谢物质

3、代谢小分子合成为大分子小分子合成为大分子 合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢大分子分解为小分子大分子分解为小分子需要能量需要能量释放能量释放能量能量代谢能量代谢 第一节第一节生物体内能量载体生物体内能量载体ATPATP体内能量储存和利用都以体内能量储存和利用都以 ATPATP为中心为中心一、高能化合物一、高能化合物1 1 概念：每概念：每molmol水解释放出自由能大于水解释放出自由能大于 21kJ21kJ的化合物称为的化合物称为高能化合物高能化合物高能化合物高能化合物低能化合物低能化合物化合物化合物水解释放出自由能约为水解释放出自由能约为9 916kJ/mol16kJ/mol一些重要有机磷酸化

4、合物水解释放的标准自由能一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 高能磷酸键高能磷酸键高能磷酸化合物高能磷酸化合物高能硫酯化合物高能硫酯化合物高能硫酯键高能硫酯键 P S2 21 1）磷氧键型：如）磷氧键型：如ATPATP、磷酸烯醇式丙酮酸等、磷酸烯醇式丙酮酸等2 2）磷氮键型：如磷酸肌酸等）磷氮键型：如磷酸肌酸等3 3）硫酯键型：如脂酰）硫酯键型：如脂酰CoACoA等等4 4）甲硫键型：）甲硫键型：S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。进行分类。COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化

5、合物1,3-磷酸甘油酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺苷酸RCH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩

6、尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。O SOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶ACOO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸1 1 结构：结构： 腺嘌呤、腺嘌呤、D D核糖、三个磷酸核糖、三个磷酸二、二、ATP2 2 作用作用(1) 提供物质代谢时需要的能量提供物质代谢时需要的能量ATP+葡萄糖葡萄糖 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖ADP己糖激酶己糖激酶(2) 供给机体生命活动时需要的能量供给机体生命活动时需要的能量(3) 生成核苷三磷酸和磷酸肌酸生成核苷三磷酸和磷酸肌酸磷酸肌

7、酸（磷酸肌酸（C CP P）贮存（主要在肌肉和脑组织中）。贮存（主要在肌肉和脑组织中）。ATP+ATP+肌酸肌酸 磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP+ADP肌酸激酶肌酸激酶（CKCK）意义：防止脑、肌肉组织中意义：防止脑、肌肉组织中ATPATP的突然缺乏的突然缺乏C CP P中的中的P P不能直接利用不能直接利用 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMPn肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮

8、存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATP为中心。为中心。三、三、ATPATP生成方式生成方式1 1 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 某些反应中，由于脱氢或脱水等作用某些反应中，由于脱氢或脱水等作用，使代谢物分子内部能量重新分布而形成

9、，使代谢物分子内部能量重新分布而形成高能化合物，然后将高能键转移给高能化合物，然后将高能键转移给ADPADP（或（或GDPGDP）生成）生成ATPATP（或（或GTPGTP）的过程称为）的过程称为底物水底物水平磷酸化平磷酸化 发生底物水平磷酸化反应的发生底物水平磷酸化反应的三个高能化合物三个高能化合物1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 琥珀酸单酰琥珀酸单酰CoACoA 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2 2 氧化磷酸化氧化磷酸化 代谢物分子脱下的代谢物分子脱下的氢氢经过呼吸链的传经过呼吸链的传递递与氧结合生成水与氧结合生成水，在此传递过程中有能，在此传递过程中有能量的释放，并同时伴随有量

10、的释放，并同时伴随有ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，这种伴随氢的氧化产生，这种伴随氢的氧化产生ATP的偶联的偶联关系称为关系称为氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指是指在呼在呼吸链电子传递过程中偶联吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成磷酸化生成ATP(GTP)的过程。

11、不经的过程。不经电子传递。电子传递。nATP生成方式生成方式The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链又称电子传递链(electron transfer chain)。n定义定义递氢体

12、和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）n组成组成呼吸链呼吸链 在在线粒体内膜线粒体内膜上排列着一系列的酶和上排列着一系列的酶和辅酶所组成的递氢体和递电子体，能将从辅酶所组成的递氢体和递电子体，能将从代谢物上脱下的成对氢原子（代谢物上脱下的成对氢原子（2H2H）最终传）最终传递给氧生成水，并释放出能量，该传递链递给氧生成水，并释放出能量，该传递链称为称为呼吸链呼吸链，也称为，也称为电子传递链电子传递链线粒体纵切示意图线粒体纵切示意图3 3 氧化磷酸化氧化磷酸化（概念同前）（概念同前）ATP合酶合酶AH2A脱氢酶脱氢酶NADH+H+电子传递链电子传递链2H（或（或FADH2）N

13、AD+（或（或FAD）1/2O2H2O释放能量释放能量ADP+Pi ATP氧化氧化磷酸化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化二、呼吸链的类型二、呼吸链的类型1 NADH 1 NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链2 FADH2 FADH2 2 氧化呼吸链氧化呼吸链（即琥珀酸氧化呼吸链）（即琥珀酸氧化呼吸链）三、呼吸链的组成三、呼吸链的组成1 尼克酰胺核苷酸尼克酰胺核苷酸 递氢体递氢体NAD+NAD+和和NADP+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+NHCONH2R+ H + H + + eNHCONH2RH+ H +NAD +/NADP+NADH/NADPHNAD+（NADP+）和）和

14、NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2 2 黄素蛋白类黄素蛋白类 递氢体递氢体FMN / FADFMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。在。在可逆的氧化还原反应中显示可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、种分子状态，属于单、双电子传递体。双电子传递体。 3 3 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-S） 递电子体递电子体Fe2+ Fe3+ - e+ e铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫蛋白中

15、辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2 + Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体反应传递电子。属于单电子传递体。 表示无机硫表示无机硫4 4 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q CoQQ CoQ） 递氢体递氢体泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电在各复

16、合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。5 5 细胞色素（细胞色素（CytCyt） 递电子体递电子体Fe2+ Fe3+ - e+ e细胞色素类单电子传递体 FAD(Fe-S)NAD+ FMN(Fe-S) CoQbc1caa3O2琥珀酸琥珀酸四、呼吸链的排列四、呼吸链的排列SH2SNAD+NADH+ HFM NH2Fe SFM NFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQ H2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+

17、Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶） 复合物III（泛醌细胞色素c还原酶） 复合物IV（细胞色素c氧化酶） 复合物II（琥珀酸脱氢酶）酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒

18、体内膜，移出线粒体内膜，转变为跨内膜转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于梯度的能量，再用于ATP的生物的生物合成。合成。 （一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力种具有传递电子能力的复合体组成的复合体组成 FAD(Fe-S)NAD+ FMN(Fe-S) CoQbc1caa3O2琥珀酸琥珀酸呼吸链的复合体呼吸链的复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。 Cytcox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜

19、 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置 复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶。泛醌还原酶。 复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体胞浆侧，复合体有质子泵功能。有质子泵功能。1、复合体、复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递给中的电子传递给泛醌泛醌(ubiquinone)NA

20、D+和和NADP+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。在。在可逆的氧化还原反应中显示可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、种分子状态，属于单、双电子传递体。双电子传递体。 铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原

21、子和硫原子，其中一个铁原子可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2 + Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体反应传递电子。属于单电子传递体。 表示无机硫表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶

22、联中起着核心作用。子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2 复合体复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸称琥珀酸-泛醌还原酶。泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸电子传递：琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ 复合体复合体没有没有H+泵的功能。泵的功能。2、复合体、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。3 3、复合体、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素胞色素c c。 复

23、合体复合体又叫泛醌又叫泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶，细胞色还原酶，细胞色素素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌从复合体泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体梭传递到复合体。 电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。递的酶类，根据它们吸收光谱不

24、同而分类。 复合体复合体的电子传递通的电子传递通过过“Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体每传递每传递2个电个电子向内膜胞浆侧释放子向内膜胞浆侧释放4个个H+，复合体，复合体也有也有质子泵作用。质子泵作用。 Cyt c是呼吸链唯一水是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。 复合体复合体又称细胞色素又称细胞色素C氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将

25、电子传递给O2。每。每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 。4、复合体、复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。结合，不会引起细胞损伤。 FAD(Fe-S)NADH FMN(Fe-S) CoQbc1caa3O2琥珀酸琥珀酸四、呼吸链的排列四、呼吸链的排列标准氧化还原电位标准氧化还原电位拆开和重组拆开和重组特异

26、抑制剂阻断特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 由以下实验确定由以下实验确定: :n标准氧化还原电位以标准氧化还原电位以E0表示。表示。n E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；能力越强；nE0值越大，接受电子的倾向越强。值越大，接受电子的倾向越强。n在生物体内氧化还原过程中，电子总是从在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0值较小的物质移向值较小的物质移向E0值较大的物质，即从还值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧

27、化还原对的标准氧化还原电位1、NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22 2、琥珀酸氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 根据根据P/O比值比值 自由能变化自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：复合体氧化磷酸化偶联部位：复合体、线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比

28、值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.5 2.5Cytc复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.5 1.5Cytc复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cytc复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61- 0.68 11、P/O 比值比值指氧化磷酸化过程中，每消耗指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所生所生成成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成给氧所生成ATP分子数）

29、。分子数）。 2 2、自由能变化、自由能变化根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化(G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)之间有以下关系：之间有以下关系：n为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV)G0 = -nFE0电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 4

30、0.5KJ/mol 能能ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2 FAD(Fe-S)NAD+ FMN(Fe-S) CoQbc1caa3O2琥珀酸琥珀酸五、五、ATP的生成部位的生成部位PADP ATPP ADP ATPPADP ATP3H+3H+Transport of ATP, ADP, & Pi1、化学渗透假说、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线从线粒体内膜的基质侧泵到

31、内膜胞浆侧，产生膜粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子

32、梯粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。生成减少。 n化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说化学渗透假说线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + +

33、 + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程电子传递过程复合体复合体 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有质子泵功能有质子泵功能。化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响（三）质子顺梯度回流释放能量被（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶合酶利用催化利用催化ATP合成合成F1：亲水部分：亲水部分 （动物：（动物：33亚基复合体，亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，粒状突起，催化催化ATP合成合成。 F0：疏水部分：疏水部分（ab2c912亚基，动物还

34、有其他辅助亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质跨内膜质子通道子通道 。nATP合酶结构组成合酶结构组成nATP合酶组成可旋转的发动机样结构合酶组成可旋转的发动机样结构 F0的的2个个b亚基的一端锚定亚基的一端锚定F1的的亚基，另一端通亚基，另一端通过过和和33稳固结合，使稳固结合，使a、b2和和33、亚基组亚基组成稳定的成稳定的定子部分定子部分。 部分部分和和亚基共同形成穿过亚基共同形成穿过33间中轴，间中轴，还与还与1个个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基亚基环紧密结合。环紧密结合。c亚基环、亚

35、基环、和和亚基组成亚基组成转子部分转子部分。 质子质子顺梯度向基质顺梯度向基质回流回流时，转子部分相对定子部时，转子部分相对定子部分旋转，使分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合酶利用释放的能量合成合成ATP。 当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间回流时亚基之间回流时，亚基发生旋转亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生改变亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制nATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制(binding change mechanism) （一）有（一）有3类氧化磷酸化抑制剂类氧化磷酸化抑制剂1 1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程

36、、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程 复合体复合体抑制剂：鱼藤酮抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶、粉蝶霉素霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)等等阻断传递电子到泛醌阻断传递电子到泛醌 。 复合体复合体的抑制剂：萎锈灵的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。 复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断阻断Cyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作；粘噻唑菌醇则作用用QP位点位点。 复合体复合体 抑制剂：抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由，阻断电

37、子由Cyt a到到CuB- Cyt a3间传递间传递。CO与还原型与还原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。 NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点NAD+ FMN(Fe-S) CoQbc1caa3O2鱼藤酮、阿密鱼藤酮、阿密妥、粉蝶霉素妥、粉蝶霉素A A抗霉素抗霉素A ACN- -、CO、N3- -不同底物和抑制剂对线粒体

38、氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响2 2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解偶联剂解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是联相互分离，基本作用机制是破坏破坏电子传递过程建电子传递过程建立的跨内膜的立的跨内膜的质子电化学梯度质子电化学梯度，使电化学梯度储存，使电化学梯度储存的的能量以热能形式释放能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶；解偶联蛋白联蛋白(uncoupling p

39、rotein，UCP1)。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能ADP+Pi ATP 3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成的生成这类抑制剂对电子传递及这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合可结合F0单位，二单位，二环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合共价结合F0的的c亚基谷氨酸残基，阻断质子亚基谷氨

40、酸残基，阻断质子从从F0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。泵的功能，继而抑制电子传递。 寡霉素寡霉素ATP合酶结构模式图合酶结构模式图可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回质子通道回流，抑制流，抑制ATP生生成。成。Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（二）（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。的主要因素。 呼吸控制率呼吸控制率(respiratory

41、 control ratio, RCR)（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。突变可影响机体氧化磷酸化功能。H+ 跨膜质子电化学梯跨膜质子电化学梯度；度；H+m内膜基质侧内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧内膜胞液侧H+线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。转运蛋白转运蛋白进入线粒体进入线粒体出线粒体出线粒体ATP-A

42、DP转位酶转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4- + H+二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸苹果酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白单羧酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运 胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定

43、转运机制转运机制进入进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。- -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)n转运机制：转运机制：1 1、-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中1.1.胞浆胞浆-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶 2.2.线粒体线粒体-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶1.5ATP NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体

44、 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH2 2、苹果酸、苹果酸- -天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中2.5ATP2.5ATPNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OH

45、H苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+HATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3-

46、H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP4-和和ADP3-反向转运时，向内膜外净反向转运时，向内膜外净转移转移1个负电荷个负电荷 ，相当于多，相当于多1个个H+转入线粒体基质。转入线粒体基质。 The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing（一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 （二）过氧化物酶（二）过氧化物酶(perioxi

47、dase)以血红素为辅基，催化以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化直接氧化酚类或胺类化合物酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ * * 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽还谷胱甘肽还原酶原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 反应氧族反应氧族超氧离子超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基、羟自由基(OH)的统称。的统称。 2O2+

48、2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能能n反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)O2e-O-2e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类反应活性氧类nROS主主要来源要来源 线粒体：线粒体：超氧阴离子超氧阴离子O-2，是体内，是体内O-2的主要来的主要来源；源； O-2在线粒体中再生成在线粒体中再生成H2O2和和OH。 过氧化酶体：过氧化

49、酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电将从脂肪酸等底物获得的电子交给子交给O2生成生成H2O2和羟自由基和羟自由基OH。 胞浆胞浆需氧脱氢酶需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成化生成O-2。 细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等等外源因素外源因素也可导致细胞产生活性氧类。也可导致细胞产生活性氧类。 （一）加单氧酶（一）加单氧酶(monoxygenase)* 催化的反应：催化的反应：RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 故又称混合功能氧化酶故又称混合功能氧化酶(mixed-func

50、tion oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450 (Cyt P450)参与。参与。RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 上述反应需要细胞色素上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。参与。n细胞色素细胞色素P450单加氧酶单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又称混合功能氧化酶，又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)（二）加双氧酶（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的此酶催

51、化氧分子中的2个氧原子加到底个氧原子加到底物中带双键的物中带双键的2个碳原子上。个碳原子上。ONH2NHNHOCOOHNH2CHO例例 如：如： (O2) 色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶1 1 结构：结构： 腺嘌呤、腺嘌呤、D D核糖、三个磷酸核糖、三个磷酸二、二、ATP3 3 氧化磷酸化氧化磷酸化（概念同前）（概念同前）ATP合酶合酶AH2A脱氢酶脱氢酶NADH+H+电子传递链电子传递链2H（或（或FADH2）NAD+（或（或FAD）1/2O2H2O释放能量释放能量ADP+Pi ATP氧化氧化磷酸化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化2 2 黄素蛋白类黄素蛋白类 递氢体递氢体FMN / FAD泛醌（辅酶泛醌

52、（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。 复合体复合体的电子传递通的电子传递通过过“Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体每传递每传递2个电个电子向内膜胞浆侧释放子向内膜胞浆侧释放4个个H+，复合体，复合体也有也有质子泵作

53、用。质子泵作用。 Cyt c是呼吸链唯一水是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH