生物化学：第十一章 生物氧化

1、第十一章 生物氧化 biologic oxidation 营养物在生物体内氧化成CO2和H2O， 并逐步释放出能量的过程。 生物氧化的概念 糖 脂肪 蛋白质 COCO2 2和和H H2 2O O O2 能量 ADP+PiADP+Pi ATPATP 热能 物质在体内和体外的氧化还原过程的比较 1.都遵循同样的规律 2.不同点 生物体内物质氧化方式是：加氧；脱氢；失电子。 相同点：终产物都是CO2和H2O 总能量变化相同 耗氧量相同 同时失去H+和电子 在细胞内温和的环境（37C，pH近中性），由酶催化进行 逐步释放能量，并贮存于ATP中 通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧,并增加脱氢的机会； 脱

2、下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。 1.呼吸链上的电子传递-电子传递链 2.氧化磷酸化-机制和调节 3.胞液中NADH的再氧化利用（胞液Mit） 教学重点: 1.复合体电子传递过程-Q Q循环 2.化学渗透学说和结合变构学说 3.胞液中NADH的再氧化利用（胞液Mit） 教学难点: 部位：线粒体 生物氧化的主要内容 1、代谢物分子如何脱氢？（NAD+、FAD） 2、脱下的氢如何能与O2结合生成水？（电子传递链） 3、细胞如何在酶的催化下把代谢物分子中的碳变成CO2 4、能量是如何释放的？（ADP ATP） ATP合酶 真核生物电子传递和氧化磷酸化作用 1.部位：线粒体内膜 2.过

3、程： 三羧酸循环（线粒体基质） 糖酵解（胞液） 脂肪酸氧化（线粒体基质） NADH NADH、FADH2 NADH、FADH2 再氧化 释放能量 ADPATP 第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递 功能的复合体组成 生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP 的过程与细胞的呼吸有关，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酶复合体 组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸 链（oxidative respiratory chain）。也称电子 传递链(electron transfer chain)。 氧化呼吸链的定义 一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力 的

4、复合体组成 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。 人线粒体呼吸链复合体 复合体复合体酶名称酶名称质量质量 (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-泛醌泛醌 还原酶还原酶 85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧） CoQ（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 1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧） CoQ（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还原酶还原酶 25011血红素血红素bL, bH, c1, Fe-

5、S Cyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt a 复合体复合体细胞色素细胞色素C氧氧 化酶化酶 16213血红素血红素a，a3， CuA, CuB Cyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 泛醌和细胞色素泛醌和细胞色素C C不包含在上述四种复合体中。不包含在上述四种复合体中。 复合体全 称e传递方向组成功能 NADH泛醌还原酶NADHCoQFMN、FeS、Q 催化NADH氧化、 CoQ还原 琥珀酸泛醌还原酶琥珀酸CoQ FAD、铁硫族、 Cytb560 催化琥珀酸等 的氧化、CoQ 还原 泛醌-细胞色素C还原酶CoQ Cytc2个Cytb、1个

6、 Cytc、1个铁 硫族 使Cytc还原 细胞色素C氧化酶Cytaa3O2Cytaa3、2个 Cu（1和2价） 使分子O2还原 泛醌和细胞色素C不包含在上述四种复合体中。 人线粒体呼吸链复合体 Cytc ox 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 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ Cytc ox Cytc red Cytc red 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 Cytc Cytc Q Q NADNADH H+ +H H+ +

7、 NADNAD+ + 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O1/2O2 2+ +2H2H+ + H H2 2O O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e e- - e e- - e e- - e e- - e e- - 电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置 1、复合体又称NADH-泛醌还原酶或NADH脱氢酶，接受来 自NADH+H+的电子并转移给泛醌（ubiquinone）。 2、复合体可催化两个同时进行的过程： 电子传递： NADHFMNFe-S CoQ 质子的泵出：复合体有质子泵功能，每传递2个电 子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧。 （一） 复合体将NADH+H+中

8、的电子传递给 泛醌 NAD+和NADP+的结构 R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）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。 FMN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FMN。在可逆的氧化还原反 应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。 铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫 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。 表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 SS无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫 泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异

9、戊二烯连接形成较长的疏 水侧链（人CoQ10），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，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。 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 Q QH2 将NADH+H+中的电子传递给泛醌 1、复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶， 又称琥珀酸-泛醌还原酶。 2、电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 3、复合体没有H+泵的功能。 （二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌 （三）复合体将电子从还原型泛醌传递给细 胞色素c

10、 1、复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶。人复合体 含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和一种可移 动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 2、泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭 传递到复合体。 3、电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 细胞色素(cytochrome, Cyt) 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。 复合体的电子传递通过 “Q循环”实现。 复合体每传递2个电子向 内膜胞浆侧释放4个H+，复 合体也有质子泵作用。 Cyt c是呼吸链唯一水溶性 球状蛋白，不包含在复

11、合 体中。将获得的电子传递 到复合体。 1、人复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 2、电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 3、Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给 O2。复合体也有质子泵功能，每传递2个电子 使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。 （四）复合体将电子从细胞色素C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c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水 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。 1、NADH氧化呼吸链 NADH NADH 复合体复合体Co

12、Q CoQ 复合体复合体Cyt c Cyt c 复合复合 体体OO2 2 2、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Cyt c Cyt c 复合复合 体体OO2 2 二、NADH和FADH2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，氧化呼吸链有 两条途径： NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2 呼吸链各组分的电子传递顺序，要牢记。 定位:真核生物细胞的线粒体内膜 组成:四种复合体()及游离的CoQ和Cytc 主要功能:通过氧化磷酸化产生ATP 由以下实验确

13、定: 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧 氧化呼吸链各组分的顺序排列是氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实验由以下实验 确定的确定的 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E0(V)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 FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+

14、/Fe2+0.35 Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 呼吸链的成员按一定的顺序传递氢或电子即由其还原电位决定的，电子 从还原电位低向高的方向传递 NADH氧化呼吸链：为体内最常见的一条重要的呼吸链。传递苹 果酸、乳酸等脱下的氢。催化这些脱氢反应的脱氢酶的辅酶为 NAD+。此条呼吸链由复合体、组成。 在线粒体内，主要的呼吸链有两条，即： 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）：传递琥珀酸、脂酰 CoA和-磷酸甘油等脱下的氢。催化这些脱氢反应的脱氢酶的 辅酶为FAD。此条呼吸链由复合体、组成。 线粒体内重要代谢物氧化的途径 NADH FMN （Fe-S） c1 caa3

15、O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 -磷酸甘油 CoQCyt b 苹果酸 -羟脂酰CoA -羟丁酸 异柠檬酸 谷氨酸 FAD 硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸 FAD 脂酰CoA 第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与 ADP磷酸化偶联生成ATP 1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)(substrate level phosphorylation)是底物分子是底物分子 内部能量重新分布内部能量重新分布, ,例如与脱氢反应偶联例如与脱氢反应偶联, , 生成底物分子的高生成底物分子的高 能键，使能键，使ADP(GDP)ADP(GDP)磷酸

16、化生成磷酸化生成ATP(GTP)ATP(GTP)的过程。不经电的过程。不经电 子传递。子传递。 2 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)(oxidative phosphorylation)指指在呼吸链电子传递在呼吸链电子传递 过程中偶联过程中偶联ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATPATP，又称为偶联磷酸化。，又称为偶联磷酸化。 两层含义两层含义: : 体内ATP生成方式: 一是:电子在呼吸链上传递时必然发生氧化磷酸化 二是:只有发生氧化磷酸化,电子才可能在呼吸链上进行传递 底物O2 能量 ADP + H3PO4ATP 氧化 磷酸化 偶联 自由

17、能（供生理活动、生化反应需要） 呼吸链 一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内 1、根据P/O比值 2、自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：复合体、 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值 底 物呼吸链的组成P/O 比值可能生成的 ATP数 -羟丁酸NAD +复合体 CoQ复合体 2.52.5 Cyt c复合体O 2 琥珀酸复合体 CoQ复合体1.5 1.5 Cyt c复合体O 2 抗坏血酸Cyt c复合体O 2 0.881 细胞色素 c (Fe 2+) 复合体O 2 0.61- 0.68 1、P/O 比值 1 指电子传递过程中,每消耗1摩尔O原子所消耗的无机磷酸 的摩尔数 2、自由

18、能变化 根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化 (G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系： n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV) G0 = -nFE0 2.自由能变化( G0)： G0nFE0 NADH FMN （Fe-S） CoQCyt bCyt c1Cyt 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/mol 40.5kJ/mol 102

19、.3kJ/mol 大于30.5kJ即可 生成1摩尔ATP 电子传递链自由能变化 区段 电位变化 (E) 自由能变化 G=-nFE 能否生成ATP (G是否大于30.5KJ) Cyt aa 3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能 NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能 CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能 偶联部位： 根据计算自由能变化和测定P/O比值可知，氧化磷酸化的偶 联部位在复合体（NADH和CoQ之间）、（CoQ和Cytc之间） 和（Cytaa3和O2之间）。 故NADH氧化呼吸链有三个偶联部位，P/O 3，可产生2.5 分子ATP。而琥珀酸氧化呼吸

20、链只有两个偶联部位，P/O 2， 可产生1.5分子ATP。 ATPATP ATP ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位 NADHNADH FMNFMN (Fe-S)(Fe-S) 琥珀酸 FADFAD (Fe-S)(Fe-S) CoQCoQCyt bCyt cCyt cCyt bCyt cCyt cCyt aaCyt aa3 3O O2 2 三个偶联部位：、 NADHNADH氧化呼吸链有三个偶联部位，氧化呼吸链有三个偶联部位，P/O 3P/O 3，产生，产生2.52.5分子分子ATPATP 琥珀酸氧化呼吸链有两个偶联部位，琥珀酸氧化呼吸链有两个偶联部位，P/O 2P/O 2，产生，产生1.

21、51.5分子分子ATPATP 1. 1.电子传递：电子传递：电子传递链电子传递链（化学渗透学说）（化学渗透学说） 2.ATP合成：ATP合酶（结合变构学说） (二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜 的质子梯度 质子梯度形成 1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜 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。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。 电化学势能:化学势能-质子的浓度差 电势能-内负外正 质子驱动力 内膜 1、氧化磷酸化的进行需要完整封闭的线粒体内膜的存在 2、线粒体内膜对

22、H+、OH、K、Cl离子是不通透的 3、使用精确的pH计可检测到跨线粒体内膜的质子梯度 4、破坏质子驱动力的化学试剂能抑制ATP的合成,例如缬氨霉素 5、从线粒体内膜纯化得到一种酶能够直接利用质子梯度合成 ATP,此酶称为F1F0-ATP合酶 化学渗透假说已经得到广泛的实验支持 线粒体基质线粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H H+ + O O2 2 H H2 2O O H H+ + e- ADPADP + + Pi Pi ATP ATP 化学渗透假说简单示意图 内膜对质子不通透 F0 F1 CytCyt c c Q NADNADH H+ +H H+ + NADNAD+ +

23、延胡索酸 琥珀酸 H H+ + 1/2O1/2O2 2+ +2H2H+ + H H2 2O O ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP 4H4H+ + 2H2H+ + 4H4H+ + 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程复合体(4H+)、(4H+)和(2H+) 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 （三）质子顺梯度回流释放能量被ATP 合酶利用催化ATP合成 ATP合酶结构组成： F0：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶 嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。 F1：亲水部分（

24、动物33亚基复合体，OSCP、IF1亚基）， 线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 ATP合酶 即复合体。位于线粒体内膜的基质侧。 ATP合酶组成可旋转的发动机样结构 1、F0的2个b亚基的一端锚定F0的a亚基，另一端通过和33稳固结合，使a、b2 和33、亚基组成稳定的定子部分。 2、部分和亚基共同形成穿过33间中轴，还与1个亚基疏松结合作用，下 端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分:。 3、质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用 释放的能量合成ATP。 ATP合酶（ATP synthase）： 分布：线粒体内膜的基质侧 组成：F

25、0（疏水部分）和F1（亲水部分） 功能： F0将质子梯度产生的能量导向F1（镶嵌于内膜中的质子通道） F1的功能是结合ADP、Pi，并利用质子梯度的能量合成ATP。 当H+顺浓度梯度经F0回流时，F1催化ADP和Pi，生成并 释放ATP 当H+顺浓度梯度经F0中a亚基和c亚基之间回流时， 亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。 ATP合酶的工作机制 ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism) - 1977年Paul Boyer提出 四、ATP在能量代谢中起核心作用 1、细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。 2、ATP称之为高能磷酸化合物，可直接为细胞的各

26、 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。 生物体能量代谢有其明显的特点： 1 1、高能磷酸键、高能磷酸键 水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸 酯键，常表示为P。 2 2、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 ATP是人体内能量的直接供给者。 N N N N 9 NH2 O OH OH HH H CH2 H 1 2 OP O- - O O PO O- - O P O- - - -O O 一磷酸腺苷（AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP） 化合物 E0 kJ/mol(kcal/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8) 氨基甲酰磷

27、酸51.4(12.3) 1，3-二磷酸甘油酸49.3(11.8) 磷酸肌酸43.1(10.3) ATP ADPPi30.5(7.3) 乙酰辅酶A31.5(7.5) ADP AMPPi27.6(6.6) 焦磷酸27.6(6.6) 1-磷酸葡萄糖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）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子 2、ATP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联， 使这些反应在生理条件下完成。 1、ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可 直接利用的能量形式 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP +

28、 UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP （二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物 相互转变的核心 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP （三）ATP通过转移自身基团提供能量 因为ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多，易 释放Pi、PPi基团，很多酶促反应由ATP通过共价键与 底物或酶分子相连，将ATP分子中的Pi、PPi或者AMP 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水解而形成终产物。 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存形式。 磷酸肌酸 + ADP 肌酸 + ATP

29、肌酸激酶 COOH CH2 N C H3C NH2 NH COOH CH2 N C H3C N NH H P （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 1.高能磷酸键 磷酸胍类 磷酸肌酸 磷酸烯醇丙酮酸 PEP 混合酸酐 1，3二磷酸甘油酸 磷酸酐 ATPGTPUTPCTP 2高能硫酯键：乙酰CoA，琥珀酰CoA 肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温) 生物体内能量的储存和利 用都以ATP为中心。 ATP的生成、储存和利用 第三节 氧化磷酸化的影响因素 一、体

30、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ATP的最主要的途 径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从 而调节ATP的生成量。 二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程 （一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程 （二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程 （三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成 1、复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A) 及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 2、复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin) （一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程 3、复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断C

31、yt bH传递电子 到泛醌(QN)；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 4、复合体抑制剂：CN、N3紧密结合其中氧化型Cyta3，阻 断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻 断电子传递给O2。 NADH FMN (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 COCO、CNCN- -、 N N3 3- -及及H H2 2S S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点 (二)解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解

32、偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基 本作用机制是它们能够快速消耗跨膜质子梯度,使得质子难以通 过F1F0-ATP合酶上的质子通道来合成ATP,从而使储存在质子梯度 中的电化学势能转变成热，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶联蛋白 (uncoupling protein，UCP1)。 （二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程 解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） Cyt c Q 胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白 热能 ADP+Pi ATP DNP作用机制 CytCyt c c Q 胞液侧 基质侧 DNP 热能 ADP+P

33、iADP+Pi ATP ATP 问题: 1.受试大鼠注射DNP(二硝基苯酚)可引起什么现象?试解释其原因 或:现在已不再使用的减肥药2,4-二硝基苯酚，其减肥原理是什么？ DNP是呼吸链解偶联剂，使呼吸链传递电子过程中泵出的H+ +不 经ATP合酶的F0 0质子通道回流，而通过与DNP结合返回线粒体基质， 从而破坏内膜两侧的电化学梯度，使ATP生成受抑制，由电化学梯 度储存的能量以热能形式释放。 在解耦联剂存在下，增加呼吸链的活性就需要更多额外燃料的降 解。生成同样量的ATP，就要消耗包括脂肪在内的大量的燃料，这 样可以达到减肥的目的。 当P/O比接近零时，会导致生命危险。 （三）ATP合酶抑

34、制剂同时抑制电子传递和ATP的生成 这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如 寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从 F0质子半通道回流，抑制ATP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 泵的功能,继而抑制电子传递。 寡霉素(oligomycin) 寡霉素 ATP合酶结构模式图 可阻止质子从F0质 子通道回流，抑制 ATP生成。 抑制类型 抑制剂名称 作用位点和作用机制 呼吸链抑制剂 鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素 复合体 萎锈灵 复

35、合体 抗霉素A 复合体 氰化物、CO、H2S、叠氮化物 复合体 F1F0-ATP合酶抑制剂 寡霉素 抑制F0 DCCD 阻止质子通过质子F0通道 解偶联剂 DNP 脂溶性质子载体 缬氨霉素 钾离子载体,破坏电势能 产热素 质子通道 ATP/ADP交换体抑制剂 苍术苷、米酵菌酸 抑制线粒体基质内的ATP 与细胞液中的ADP间交换 氧化磷酸化的抑制剂 ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素 氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节 ADP或 ADP/ATP比率是调节氧化磷酸化最基本的机制 线粒体内ADP浓度F1F0-ATP合酶活性 耗氧率 质子梯度 细胞呼吸电子传递速率 O2作为呼吸链的最终电子

36、受体,它的消耗程度 直接反映电子传递和氧化磷酸化的效率 ADP调节的意义： 这一机制保证，只有当需要ATP时，电子才沿呼吸 链往下流动。如果ATP水平高，而ADP水平低，则不发 生电子传递，NADH和FADH2堆积，于是TCA循环和糖 酵解作用被抑制。 NaNa+ +，K K+ +ATPATP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 1.诱导细胞膜上Na+,K+-ATP酶生成，使ATP加速分解为ADP 和Pi，从而促进氧化磷酸化 2.增加解偶联蛋白基因表达，引起耗氧和产热均增加 甲亢病人的基础代谢率 三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热 （四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸

37、化功能 影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成, ,与线粒体DNA 病及衰老有关 线粒体线粒体DNADNA（mtDNAmtDNA）呈裸露的环状双螺旋结）呈裸露的环状双螺旋结 构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损 伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNADNA。 氧化磷酸化作用的条件： 底物（NADH和FADH2）、完整的呼吸链、ADP、氧、 无机磷酸 H+ 跨膜质子电化 学梯度；H+m内膜 基质侧H+；H+c 内 膜胞液侧H+ 电子传递链及氧化磷酸化系统概貌 五、线粒体的内膜选择性协调转运 氧化磷酸化

38、相关代谢物 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(transporter)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-ADP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

39、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 不可通过物质：不可通过物质：H H+ +、NADPHNADPH、NADPNADP、草酰乙酸、乙酰、草酰乙酸、乙酰CoACoA （一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体 氧化呼吸 胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒 体,再经呼吸链进行氧化磷酸化。 -磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 转运机制： 1、-磷酸甘油

40、穿梭主要存在于脑和骨骼肌中 通过此种穿梭作用，1对氢可生成1.5分子ATP。 NADHH FADH2 1.5ATP (胞液) （Mit） NADH+HNADH+H+ + FAD FADH H2 2 NADNAD+ + FAD FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜 膜间隙 线粒体 基质 -磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链 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- CH2OH CHOH 2、苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中 通过此种穿梭作用，1对氢可生成2.5分子ATP NA

41、DHH NADHH 2.5ATP (胞液) （Mit） NADH NADH +H+H+ + NADNAD+ + -OOC-CH 2-C-COO - O -OOC-CH2-C-COO- OH H NADH NADH +H+H+ + NADNAD+ + 谷氨酸- 天冬氨酸 转运体 苹果酸-酮 戊二酸转运体 -OOC-CH 2-C-COO- OH H 苹果酸 -OOC-CH2-C-COO- O 草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO- O -OOC-CH2-CH2-C-COO- O -酮戊二酸 -OOC-CH 2-CH2-C-COO - H3N + H 谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶

42、胞液 线 粒 体 内 膜 基质 呼吸链 -OOC-CH 2-C-COO - H3N + H 天冬氨酸 -OOC-CH 2-C-COO - H3N + H -OOC-CH 2-CH2-C-COO - H3N + H 入：ADP、Pi、H+ 出：ATP （二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和 ATP移出线粒体 有氧氧化生成的ATP计算? ATP4- F 0 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- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个 负电荷 ，相当于多1个H+转入线粒体基质。 第四节 其他氧化与抗氧化体系 反应活性氧类(reactive oxyge