生物化学与分子生物学：第8章 生物氧化

1、目录目录 2021-5-221 第八章第八章 生物氧化生物氧化 生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学教学课件教学课件 Biological Oxidation 目录目录 物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化 (biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋，主要指糖、脂肪、蛋 白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生 成成COCO2 2 和 和 H H2 2O O的过程。的过程。 n生物氧化的概念生物氧化的概念 目录目录 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

2、氨基酸 乙酰乙酰CoA CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 目录目录 线粒体氧化体系 目录目录 线粒体示意图线粒体示意图 目录目录 线粒体线粒体 (Mitochondria) 呼吸链呼吸链(Respiratory chain) 目录目录 第一节第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递氧化呼吸链是由具有电子传递 功能的复合体组成功能的复合体组成 目录目录 生物体将生物体将NADH+HNADH+H+ +和和FADHFADH2 2彻底氧化生成水和彻底氧化生成水和 ATPATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参的过程与细胞的呼吸有关

3、，需要消耗氧，参 与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白 酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称 为为氧化呼吸链氧化呼吸链（oxidative respiratory chain）。）。 也称也称电子传递链电子传递链( (electron transfer chain) )。 n氧化呼吸链的定义氧化呼吸链的定义 目录目录 9 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 延胡索酸 琥珀酸 e- Q e- e- Cytc e- e- 呼吸链电子传递的基本过程 目录目录

4、呼吸链各组分中，有的可呼吸链各组分中，有的可 以同时传递电子和质子以同时传递电子和质子 （递氢体），（递氢体）， 有的只能有的只能 传递电子传递电子（递电子体）（递电子体） 。 n组成组成 递氢体递氢体和和电子传递体（电子传递体（2H 2H 2H 2H+ + + 2e + 2e） 目录目录 o NADNAD+ +：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( (N Nicotinamide icotinamide A Adenine denine D Dinucleotide)inucleotide) ，又叫，又叫CoCo o NADPNADP+ +：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核

5、苷酸磷酸( (N Nicotin-icotin- amide amide A Adenine denine D Dinucleotide inucleotide P Phosphate) hosphate) ，又，又 叫叫CoCo o Vit PPVit PP（B B3 3）的衍生物的衍生物 递氢体递氢体 1. NAD1. NAD+ +/ / NADPNADP+ + 目录目录 R = H: NADR = H: NAD+ +; ; R = HR = H2 2POPO3 3: NADP: NADP+ + R R NADNAD+ +/ / NADPNADP+ + 的结构的结构 目录目录 NADNAD

6、+ +（NADPNADP+ +）的递氢机制）的递氢机制 （氧化型）（氧化型） N H CONH2 R + H + H + + e N H CONH2 R H + H + NAD +/NADP + NADH/NADPH （还原型）（还原型） 目录目录 oFMNFMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸( (F Flavinlavin M Monoonon nucleotide)ucleotide) oFADFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸( (F Flavin lavin A Adenine denine D Dinucleotide)inucleotide) oVit BVit B2 2

7、（核黄素）的衍生物（核黄素）的衍生物 目录目录 CH2OHOP OH OC C HOH C HOH HOH CHH NH N N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 异咯嗪异咯嗪 核醇核醇 FMN结构结构 目录目录 CH2O O OH OH HH H CH2 H OP OH O N N N N NH2 OP OH O C C HOH C HOH HOH CHH NH N N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 FAD结构结构 目录目录 FMN和和FAD递氢机制递氢机制 R NH N N NO O H3C H3C FMN/FAD 1 4 5 89 10 R NH N

8、H H N NO O H3C H3C 1 4 5 89 10 + 2H FMNH2/FADH2 （氧化型）（氧化型） （还原型）（还原型） 目录目录 FMNH 目录目录 由多个异戊二烯连由多个异戊二烯连 接形成较长的疏水侧链接形成较长的疏水侧链 （人（人CoQCoQ10 10），氧化还原 ），氧化还原 反应时可生成中间产物反应时可生成中间产物 半醌型泛醌半醌型泛醌。内膜中。内膜中可可 移动电子载体移动电子载体，在各复，在各复 合体间募集并穿梭传递合体间募集并穿梭传递 还原当量和电子。在还原当量和电子。在电电 子传递和质子移动子传递和质子移动的偶的偶 联中起着核心作用。联中起着核心作用。 目录目

9、录 递电子体递电子体 o 含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。 o 铁原子可进行铁原子可进行FeFe2+ 2+ Fe Fe3+ 3+e +e 反应传递反应传递 电子，为电子，为单电子传递体单电子传递体。 目录目录 Fe3+Fe2+ -e +e 目录目录 铁硫蛋白铁硫蛋白 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫 Fe4S4 表示无机硫表示无机硫 目录目录 目录目录 CytochromeCytochrome 这是广布于需氧生物线粒体内膜上的一类传递这是广布于需氧生物线粒体内膜上的一类传递 电子的色素蛋白，辅基为含电子的色素蛋白，辅基为含铁卟啉铁卟啉的衍生物。的衍生物。 参与线粒体生物氧化体系

10、的细胞色素有参与线粒体生物氧化体系的细胞色素有CytaCyta， CytaCyta3 3，CytbCytb，CytcCytc和和CytcCytc1 1 目前尚不能将目前尚不能将CytaCyta和和CytaCyta3 3分开，故将他们合分开，故将他们合 称为称为细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（ CytaaCytaa3 3 ）。）。 目录目录 血红素血红素A A CytCyt的辅基是的辅基是血红素血红素 目录目录 血红素血红素C 血红素血红素B 目录目录 一、氧化呼吸链由一、氧化呼吸链由4 4种具有传递电子种具有传递电子 能力的复合体组成能力的复合体组成 目录目录 人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸

11、链复合体 复合体复合体酶名称酶名称质量质量 (kD)(kD) 多肽多肽 链数链数 功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点 复合体复合体NADH-NADH-泛醌还泛醌还 原酶原酶 8508503939FMNFMN，Fe-SFe-SNADHNADH（基质侧）（基质侧） CoQCoQ（脂质核心）（脂质核心） 复合体复合体琥珀酸琥珀酸- -泛醌泛醌 还原酶还原酶 1401404 4FADFAD，Fe-SFe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧） CoQCoQ（脂质核心）（脂质核心） 复合体复合体泛醌泛醌- -细胞色细胞色 素素C C还原酶还原酶 2502501111血红素血红素b bL L, b, bH

12、H, c, c1 1, , Fe-SFe-S Cyt cCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 细胞色素细胞色素c c13131 1血红素血红素c cCyt cCyt c1 1， Cyt aCyt a 复合体复合体细胞色素细胞色素C C氧氧 化酶化酶 1621621313血红素血红素a a，a a3 3， CuCuA A, Cu, CuB B Cyt cCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 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。 目录目录 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 目录目录 复合体复合体又称又称NADH-NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶

13、 功能：功能：接受来自接受来自NADH+HNADH+H+ +的电子并转移给泛醌的电子并转移给泛醌 （ubiquinoneubiquinone）。）。 复合体复合体可催化两个同时进行的过程：可催化两个同时进行的过程： 电子传递：电子传递： NADH NADH CoQCoQ 质子泵出：质子泵出：复合体复合体有质子泵功能，每传递有质子泵功能，每传递 2 2个电子可将个电子可将4 4个个H H+ +从内膜基质侧泵到胞浆侧。从内膜基质侧泵到胞浆侧。 （一）（一） 复合体复合体将将NADH+HNADH+H+ +中的电子传递给中的电子传递给 泛醌泛醌 目录目录 复合体复合体的功能的功能 NADH+HNADH

14、+H+ + NADNAD+ + FMN FMN FMNHFMNH2 2 还原型还原型Fe-SFe-S 氧化型氧化型Fe-SFe-S Q Q QHQH2 2 目录目录 复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶， 又称又称琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶。 电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FADFAD几种几种Fe-SCoQFe-SCoQ 复合体复合体没有没有H H+ +泵的功能泵的功能。 （二）复合体（二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌将电子从琥珀酸传递到泛醌 目录目录 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子募集还原当量和电子 并穿梭传递到复合体并穿梭传递到

15、复合体。 目录目录 （三）复合体（三）复合体将电子从还原型泛醌传递给将电子从还原型泛醌传递给 细胞色素细胞色素c c 复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌- -细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶。人复合。人复合 体体含有细胞色素含有细胞色素b(b562(bH), b566(bL)b(b562(bH), b566(bL)、 细胞色素细胞色素c1c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske (Rieske protein)protein)。 电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1CytcbH) Fe-S C

16、ytc1Cytc 目录目录 复合体复合体的电子传递通过的电子传递通过“Q Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体每传递每传递2 2个电子向内膜胞浆侧释个电子向内膜胞浆侧释 放放4 4个个H H+ +，复合体复合体也有质子泵作用。也有质子泵作用。 Cyt cCyt c是是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不不 包含在复合体中。将获得的电子传递到复包含在复合体中。将获得的电子传递到复 合体合体。 目录目录 人复合体人复合体又称又称细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶(cytochrome c (cytochrome c oxidase)oxidase)。 电子传递：电子传递：Cyt

17、 cCuACyt aCyt aCyt cCuACyt aCyt a3 3CuB CuB OO2 2 Cyt aCyt a3 3CuBCuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O O2 2。 复合体复合体也也有质子泵功能，每有质子泵功能，每传递传递2 2个电子使个电子使2 2个个H H+ + 跨内膜向胞浆侧转移跨内膜向胞浆侧转移 。 （四）复合体（四）复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C C传递给氧传递给氧 目录目录 复复 合合 体体 的的 电电 子子 传传 递递 过过 程程 目录目录 1 1、NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 NADH NADH 复合体复合体Co

18、QCoQ 复合体复合体Cytc Cytc 复合体复合体OO2 2 2 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 CoQ CoQ 复合体复合体Cytc Cytc 复合体复合体OO2 2 二、二、NADHNADH和和FADHFADH2 2是氧化呼吸链的电子供体是氧化呼吸链的电子供体 根据电子供体及其传递过程，目前认为，氧化根据电子供体及其传递过程，目前认为，氧化 呼吸链有两条途径：呼吸链有两条途径： 目录目录 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2 NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链

19、FADHFADH2 2氧化呼吸链氧化呼吸链 目录目录 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 特异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 将呼吸链拆开和重组将呼吸链拆开和重组 氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下 实验确定的实验确定的 目录目录 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 氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V) NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22 FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254

20、FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35 Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 目录目录 第二节第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与 ADPADP磷酸化偶联生成磷酸化偶联生成ATPATP 目录目录 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在是指在 呼吸链电子传递过程中偶联呼吸链电子传递过程中偶联ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成 ATPATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联

21、磷酸化。 nATPATP生成方式生成方式 底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 与脱氢等反应偶联，生成底物分子的高能键，使与脱氢等反应偶联，生成底物分子的高能键，使 ADP(GDP)ADP(GDP)磷酸化生成磷酸化生成ATP(GTP)ATP(GTP)的过程。不经电子的过程。不经电子 传递。传递。 目录目录 一、氧化磷酸化偶联部位在复合体一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、 、内内 根据根据P/OP/O比值比值 自由能变化自由能变化: G: G=-nFE=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、 目录目录 线线粒粒体体

22、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 2.5 Cyt c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 1.5 Cyt c复复合合体体O2 抗抗坏坏血血酸酸Cyt c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 1 （一）（一）P/O 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1/21/2摩尔摩尔O O2 2所生所生 成成ATP

23、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ATPATP分子数）。分子数）。 目录目录 （二）自由能变化（二）自由能变化 根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化 ( (G0)G0)与还原电位变化与还原电位变化( (E0)E0)之间有以下关系：之间有以下关系： n n为传递电子数；为传递电子数；F F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV)(96.5kJ/molV) G0 = -nFG0 = -nFE0E0 目录目录 NADH FMN （Fe-S） CoQCyt bCyt c1Cy

24、t cCyt aa3O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 能量 ADP + PiATP 能量 ADP + PiATP 能量 ADP + PiATP -0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.82 0.36V 0.21V 0.53V 69.5kJ/mol69.5kJ/mol 40.5kJ/mol40.5kJ/mol 102.3kJ/mol102.3kJ/mol 目录目录 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

25、.53V 102.3KJ/mol 能能 NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能 CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能 目录目录 ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2 目录目录 二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒 体内膜的质子梯度体内膜的质子梯度 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可电子经呼吸链传递时，可 将质子将质子(H

26、(H+ +) )从线粒体内膜的基从线粒体内膜的基 质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜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。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当质子顺浓度梯度回流时驱动 ADPADP与与PiPi生成生成ATPATP。 Peter mitchell 目录目录 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 H+ +、OHOH 、 、K K 、 、ClCl 离子是不通透 离子是不通透 的；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

27、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ATPATP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ATPATP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 目录目录 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 目录目录 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+

28、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 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程电子传递过程复合体复合体 (4H (4H+ +) ) 、 (4 H (4 H+ +) )和和 (2H (2H+ +) )有质子泵功能有质子泵功能。 目录目录 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 目录目录 三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于 合成合成ATPATP F F1 1

29、：亲水部分：亲水部分 （动物：（动物：3 33 3亚基复合体，亚基复合体， OSCPOSCP、IF1IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒），线粒体内膜的基质侧颗粒 状突起，状突起，催化催化ATPATP合成。合成。 F F0 0：疏水部分：疏水部分（abab2 2c c912 912亚基，动物还有其他辅助亚 亚基，动物还有其他辅助亚 基），镶嵌在线粒体内膜中，形成基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子跨内膜质子 通道通道 。 nATPATP合酶结构组成合酶结构组成 目录目录 目录目录 nATPATP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 F F0 0的的2 2个个b b亚基

30、的一端锚定亚基的一端锚定F F1 1的的亚基，另一端通亚基，另一端通 过过和和3333稳固结合，使稳固结合，使a a、b b2 2和和3 33 3、亚亚 基组成稳定的基组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3 33 3间中轴，间中轴， 还与还与1 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 c亚基环紧密结合。亚基环紧密结合。c c亚基环、亚基环、和和亚基组成亚基组成转转 子部分子部分。 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ATPATP合酶利用释放的能量合

31、酶利用释放的能量合成合成ATPATP。 目录目录 当当H H+ +顺浓度递度经顺浓度递度经F F0 0中中a a亚基和亚基和c 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 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 nATPATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制(binding change (binding change mechanism) mechanism) 目录目录 ATP 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 H2PO4- ATP 3H+ 3H+ H+ H+

32、 H2PO4- H2PO4- ADP ADP 每分子每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆在线粒体中生成并转运到胞浆 需需4个个H 回流进入线粒体基质中 回流进入线粒体基质中 目录目录 o NADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 2.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。 o FADH2氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 1.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。 目录目录 四、四、ATPATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用 细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步 得失。得失。 ATPA

33、TP称之为称之为高能磷酸化合物高能磷酸化合物，可直接为细胞，可直接为细胞 的各种生理活动提供能量，同时也有利于细的各种生理活动提供能量，同时也有利于细 胞对能量代谢进行严格调控。胞对能量代谢进行严格调控。 生物体能量代谢有其明显的特点。生物体能量代谢有其明显的特点。 目录目录 n高能磷酸键高能磷酸键 水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol21KJ/mol的磷酸酯的磷酸酯 键，常表示为键，常表示为 P P。 n高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物 目录目录 化合物化合物 E0 kJ/mol(kcal/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮

34、酸61.9(14.8) 氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸51.4(12.3) 1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸49.3(11.8) 磷酸肌酸磷酸肌酸43.1(10.3) ATP ADPPi30.5(7.3) 乙酰辅酶乙酰辅酶A31.5(7.5) ADP AMPPi27.6(6.6) 焦磷酸焦磷酸27.6(6.6) 葡糖葡糖-1-磷酸磷酸20.9(5.0) 一些重要有机磷酸化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 目录目录 （一）（一）ATPATP是体内能量捕获和释放利用的重要是体内能量捕获和释放利用的重要 分子分子 ATPATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞是体内最重

35、要的高能磷酸化合物，是细胞 可直接利用的能量形式。可直接利用的能量形式。 ATPATP在生物能学上最重要的意义在于，通过其在生物能学上最重要的意义在于，通过其 水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶 联，使这些反应在生理条件下完成。联，使这些反应在生理条件下完成。 目录目录 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMPADP + ADP ATP + AMP （二）（

36、二）ATPATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物是体内能量转移和磷酸核苷化合物 相互转变的核心相互转变的核心 目录目录 （三）（三）ATPATP通过转移自身基团提供能量通过转移自身基团提供能量 因为因为ATPATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多，分子中的高能磷酸键水解释放能量多， 易释放易释放PiPi、PPiPPi基团，很多酶促反应由基团，很多酶促反应由ATPATP通过通过 共价键与底物或酶分子相连，将共价键与底物或酶分子相连，将ATPATP分子中的分子中的 PiPi、PPiPPi或者或者AMPAMP基团转移到底物或酶蛋白上而基团转移到底物或酶蛋白上而 形成中间产物，经过化学转变后再将这些基团

37、形成中间产物，经过化学转变后再将这些基团 水解而形成终产物。水解而形成终产物。 目录目录 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 （四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式 目录目录 ATP ATP的生成、储存和利用的生成、储存和利用 ATP ATP ADP 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) )

38、 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ATPATP为中心。为中心。 目录目录 第三节第三节 氧化磷酸化的影响因素氧化磷酸化的影响因素 目录目录 一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是机体合成能量载体氧化磷酸化是机体合成能量载体ATPATP的最主要的最主要 的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷 酸化速率，从而调节酸化速率，从而调节ATPATP的生成量。的生成量。 目录目录 二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程 （一）呼吸链抑制

39、剂阻断电子传递过程（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程 复合体复合体抑制剂：鱼藤酮抑制剂：鱼藤酮(rotenone)(rotenone)、粉蝶、粉蝶 霉素霉素A(piericidin A)A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥 (amobarbital)(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)(carboxin)。 目录目录 复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A(antimycin A)A(antimycin A)阻断阻断 Cyt bHCyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(Q

40、(QN N) ) ；黏噻唑菌醇则作；黏噻唑菌醇则作 用用Q QP P位点位点。 复合体复合体抑制剂：抑制剂：CNCN 、 、N N3 3 紧密结合中氧化型 紧密结合中氧化型 Cyt aCyt a3 3，阻断电子由，阻断电子由Cyt aCyt a到到CuB- Cyt aCuB- Cyt a3 3间传递。间传递。 COCO与还原型与还原型Cyt aCyt a3 3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O O2 2。 目录目录 NADHNADH FMNFMN (Fe-S)(Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FADFAD (Fe-S)(Fe-S) CoQCoQCyt bCyt cCyt cCyt bCyt

41、cCyt cCyt aaCyt aa3 3O O2 2 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 COCO、CNCN- -、 N N3 3- -及及H H2 2S S 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 目录目录 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 目录目录 （二）解偶联剂阻断（二）解偶联剂阻断ADPADP的磷酸化过程的磷酸化过程 解偶联剂解偶联剂(uncoupler)(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

42、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，ATPATP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) (dinitrophenol, DNP) ；解；解 偶联蛋白偶联蛋白(uncoupling protein(uncoupling protein，UCP1)UCP1)。 目录目录 婴儿和初生的哺乳动物体婴儿和初生的哺乳动物体 内含有较多的棕色脂肪组内含有较多的棕色脂肪组 织，可维持体温。织，可维持体温。 目录目录

43、 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 cCyt c Q Q 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 ADP+Pi ATP ATP 目录目录 目录目录 （三）（三）ATPATP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ATPATP 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ADPADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制 作用。例如作用。例如寡霉素寡霉素(oligomycin)(oligomycin)可结合可结合F F0 0单位，单位，二二 环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(dicyclo

44、hexyl carbodiimide, (dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)DCCP)共价结合共价结合F F0 0的的c c亚基谷氨酸残基，阻断质子从亚基谷氨酸残基，阻断质子从 F F0 0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATPATP合酶活性。由于线粒合酶活性。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泵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。的功能，继而抑制电子传递。 目录目录 寡霉素寡霉素(oligomycin) (oligomycin) 寡霉素寡霉素 ATPATP合酶结构模式图合酶结构模式图 可阻止质子从可阻

45、止质子从 F0F0质子通道回质子通道回 流，抑制流，抑制ATPATP生生 成。成。 目录目录 电子传递链及氧化电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌磷酸化系统概貌 H+ 跨膜质子电化跨膜质子电化 学梯度；学梯度；H+m内膜内膜 基质侧基质侧H+；H+c 内内 膜胞液侧膜胞液侧H+ 目录目录 Na Na+ +，K K+ +ATPATP酶和解偶联蛋白基因表达均增酶和解偶联蛋白基因表达均增 加，导致机体耗氧量和产热比例均增加，所以甲加，导致机体耗氧量和产热比例均增加，所以甲 亢患者的基础代谢率增高。亢患者的基础代谢率增高。 三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热 目录目录

46、 四、线粒体四、线粒体DNADNA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。 mtDNAmtDNA呈裸露的呈裸露的 环状双螺旋结构，环状双螺旋结构， 缺乏蛋白质保护和缺乏蛋白质保护和 损伤修复系统，容损伤修复系统，容 易受到损伤而发生易受到损伤而发生 突变，其突变率远突变，其突变率远 高于核内的基因组高于核内的基因组 DNADNA。 目录目录 五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷 酸化相关代谢物酸化相关代谢物 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

47、中不同转运蛋白 (transporter)(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。 目录目录 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-ADPATP-ADP转位酶转位酶ADPADP3- 3- ATPATP4- 4- 磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H H2 2POPO4 4- - + H + H+ + 二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPOHPO4 42- 2- 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- -谷氨酸转运蛋谷氨酸转运蛋 白白 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

48、酮酸OHOH- - 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 目录目录 （一）胞浆中（一）胞浆中NADHNADH通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机制进入线粒体 氧化呼吸链氧化呼吸链 胞浆中胞浆中NADHNADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线进入线 粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。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 shu

49、ttle) ) 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： 目录目录 1. 1. -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中主要存在于脑和骨骼肌中 目录目录 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 Pi CH2O- CH2OH C=O Pi CH2O- CH2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O- CH2OH CHOH PiCH2O

50、- CH2OH CHOH 目录目录 2. 2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中主要存在于肝和心肌中 目录目录 NADH +H+ NAD+ -OOC-CH 2-C-COO - O -OOC-CH2-C-COO- OH H NADH +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-CH 2-C-COO- OH 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 -OO

51、C-CH 2-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-CH 2-C-COO - H3N + H 天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH 2-C-COO - H3N + H -OOC-CH 2-CH2-C-COO - H3N + H 目录目录 （二）（二）ATP-ADP转位酶协调转运转位酶协调转运ADP进入和进入和 ATP移出线粒体移出线粒体 目录目录 ATP4- 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 AD