生物化学与分子生物学：8生物氧化

1、目录目录 第 八 章 生生 物物 氧氧 化化 Biological Oxidation 目录目录 o1.掌握掌握生物氧化的概念；呼吸链的概念、组成及特生物氧化的概念；呼吸链的概念、组成及特 点，两条呼吸链排列顺序点，两条呼吸链排列顺序 o2.掌握掌握氧化磷酸化的概念及偶联部位；了解氧化磷氧化磷酸化的概念及偶联部位；了解氧化磷 酸化的偶联机制，熟悉氧化磷酸化的影响因素酸化的偶联机制，熟悉氧化磷酸化的影响因素 o3.掌握掌握体内能量的储存和利用形式，体内能量的储存和利用形式，ATP的生成和的生成和 利用；熟悉高能键与高能化合物的概念，常见的高能利用；熟悉高能键与高能化合物的概念，常见的高能 化合物

2、。化合物。 o4. 掌握掌握胞液中胞液中NADH转运进入线粒体氧化的机制转运进入线粒体氧化的机制 ，了解腺苷酸载体及线粒体蛋白的跨膜转运。，了解腺苷酸载体及线粒体蛋白的跨膜转运。 o5.了解其他氧化体系。了解其他氧化体系。 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+Pi ATP 热能热能 n

3、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 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 目录目录 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点 o 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱 氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般 规律。规律。 o 物质在体内、外氧化时所消耗的氧量、物质在体内、外氧化时所消耗的氧量、 最终产物（最终产物（CO2，H2O）和释放能量均）和释放能量均 相同。相同。

4、 目录目录 w是在细胞内温和的环境中（体是在细胞内温和的环境中（体 温，温，pH接近中性），在一系列接近中性），在一系列 酶促反应逐步进行，能量逐步酶促反应逐步进行，能量逐步 释放有利于机体捕获能量，提释放有利于机体捕获能量，提 高高ATP生成的效率。生成的效率。 w进行广泛的加水脱氢反应使物进行广泛的加水脱氢反应使物 质能间接获得氧，并增加脱氢质能间接获得氧，并增加脱氢 的机会；脱下的氢与氧结合产的机会；脱下的氢与氧结合产 生生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 w能量是突然释放的。能量是突然

5、释放的。 w产生的产生的CO2、H2O由物质由物质 中的碳和氢直接与氧结中的碳和氢直接与氧结 合生成。合生成。 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+H+和和FADH2彻底氧化生成水彻底氧化生成水 和和ATP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，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 为氧化呼吸链（为氧化呼吸链（ox

6、idative respiratory chain）。也）。也 称电子传递链称电子传递链(electron transfer chain)。 n氧化呼吸链的定义氧化呼吸链的定义 递氢体递氢体（2H 2H+ + 2e）和电子传递体和电子传递体 n组成组成 目录目录 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子传递过程释放的能量驱动驱动H+移出移出线粒体内膜，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

7、成。合成。 一、氧化呼吸链由一、氧化呼吸链由4 4种具有种具有传递电传递电 子能力子能力的复合体组成的复合体组成 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 2

8、5011血红素血红素bL, bH, c1, Fe-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 u 位置：位置： u 组成：组成：递氢体和电子传递体递氢体和电子传递体(2H 2H+ +2e)。 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用，所以不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用，所以 呼吸链又叫电子传递链呼吸链又叫电子传递链

9、u 本质：本质：递氢体和电子传递体的本质是递氢体和电子传递体的本质是酶和辅酶酶和辅酶 目录目录 基质基质 嵴嵴 目录目录 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 目录目录 复合体复合体又称又称NADH-NADH-泛醌还原酶或泛醌还原酶或NADHNADH脱氢脱氢 酶，接受来自酶，接受来自NADH+H

10、NADH+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： NADHFMNFe-S CoQNADHFMNFe-S CoQ 质子的泵出：质子的泵出：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个电子个电子 可将可将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+H+中的电子传递中的电子传递 给泛醌给泛醌 目录目录 N+ O CH2OP O OH P O O OH O OH O O P

11、OHOH N N N N NH2 O CH2 O OH CONH 2 R NAD+：R为为 H PO OH OH NADP+：R为为 尼克酰胺 目目 录录 NAD+和和NADP+的结构的结构 目录目录 尼克酰胺核苷酸的作用原理尼克酰胺核苷酸的作用原理 R H CONH2 N+ C R H H CONH2 N + + H H + + e e + + H H+ + + + H H+ + 2 2H H H H H H e e H H+ + H H NAD(P)+ NAD(P)H+H+ +2H+2H -2H-2H 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。

12、 目录目录 (半醌型半醌型) 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FMNH ， 在可逆的氧化还原反应中显示在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于种分子状态，属于 单、双电子传递体单、双电子传递体。 NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 目录目录 铁硫蛋白中辅基铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫中心(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。反应传递电子。属于单电子传递体属于单电

13、子传递体。 表示无机硫表示无机硫 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 目录目录 -e+e 目录目录 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），），是呼吸链中唯一的是呼吸链中唯一的 非蛋白质组分非蛋白质组分。它分子小，且呈脂溶性，是。它分子小，且呈脂溶性，是内膜中内膜中可可 移动的电子载体移动的电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原，在各复合体间募集并穿梭传递还原 当量和电子。在当量和电子。在电子传递和质子移动电子传递和质子移动的偶联中起着核的偶联中起着核 心作用。心作用。

14、 NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 目录目录 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接 形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应 时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。 目录目录 泛醌作用泛醌作用 o1.可移动电子载体可移动电子载体 o2.募集、穿梭、传递募集、穿梭、传递 o3.电子传递和质子移动起核心作用电子传递和质子移动起核心作用 目录目录 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 NAD

15、H+H+ FMN 4Fe-4S Q2Fe-2SQH2QH2 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 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，又 称称琥珀酸琥珀酸-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。 （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 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 目录目录 黄素蛋白是指以黄素核苷酸黄素蛋白是指以黄素核苷酸(FAD或或FMN)为辅基的为辅基的 酶。所以，黄素蛋白有两种，分别以酶。所以，黄

16、素蛋白有两种，分别以FAD及及FMN作为辅作为辅 基。基。 FP分布在线粒体的内膜上。它的辅基分布在线粒体的内膜上。它的辅基FAD或或FMN与与 蛋白质部分结合得很牢固，有的甚至是共价连结。蛋白质部分结合得很牢固，有的甚至是共价连结。 FP在呼吸链中作为在呼吸链中作为双电子传递体。双电子传递体。 黄素蛋白黄素蛋白 (FP) 目录目录 黄素腺嘌呤二核苷酸的结构黄素腺嘌呤二核苷酸的结构 NH2 O OCH2 CH H HOH HOH P O O OH P O O OH N N N N O O CH3 CH3 CH2 OHH OHH OHH HOH N N NH N O O CH3 CH3 R N

17、N NH N 目录目录 目录目录 FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是结构中含核黄素，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异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是 FMNH 。 目录目录 目录目录 （三）复合体（三）复合体将电子从还原型泛醌传递给细将电子从还原型泛醌传递给细 胞色素胞色素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还原酶还原酶。人。人复合复合 体体含有细胞色素含有细胞色素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)。 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电

18、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 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并穿梭募集还原当量和电子并穿梭 传递到复合体传递到复合体。 电子传递过程：电子传递过程： CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 目录目录 细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传铁卟啉为辅基的催化电子传 递的酶类递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。 目录

19、目录 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接 形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应 时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。 目录目录 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是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水 溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包含，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

20、。 目录目录 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循环循环”实现。实现。 复合体复合体每传递每传递2个电子向内膜胞浆侧释放个电子向内膜胞浆侧释放 4个个H+，复合体复合体也有质子泵作用也有质子泵作用。 Cyt 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，不包，不包 含在复合体中。将获得的电子传递到复合含在复合体中。将获得的电子传递到复合 体体。 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

21、子传递给形成活性双核中心，将电子传递给 O2。复合体复合体也也有质子泵功能，有质子泵功能，每每传递传递2个电子个电子 使使2个个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 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。 目录目录 总结：呼吸链各组分的作用总结：呼吸链各组分

22、的作用 传递电子物质传递电子物质 在呼吸链中作用在呼吸链中作用 NADNAD+ + 、 、 NADPNADP+ + NAD(P)+ NAD(P)H+H+ +2H+2H -2H-2H FMN FMN 、FADFAD FAD/FMN FADH2/FMNH2 +2H+2H -2H-2H Fe -S Fe2+ Fe 3+ -e +e 目录目录 CoQ CoQH2 +2H+2H -2H-2H 辅酶辅酶Q Q (CoQ)(CoQ) Fe2+ Fe 3+ -e +e 细胞色素细胞色素 (Cyt) (Cyt) + 2+ -e +e 目录目录 Cytc ox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O

23、 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 QH2 Q 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 目录目录 1、NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 NADH 复合体复合体CoQ 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2 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 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2 二、二、NADH和和FADH2是氧化呼吸链的电子是氧化呼吸链的电子 供体供体

24、 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 cCyt cCyt aa3O2 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2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实氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实 验确定的验确定的 目录目录 呼吸链中各种氧化还原对

25、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 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 ADP磷

26、酸化偶联生成磷酸化偶联生成ATP 目录目录 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。不经的过程。不经 电子传递。电子传递。 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼是指在呼 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， 又称为又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 nATP生成方式生成方式 目录目录 一、氧化磷酸化偶联部位在复合

27、体一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、 、内内 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：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+)

28、 复复合合体体O20.61-0.68 1 （一）（一）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）。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，pH7.0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 目录目录

29、 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 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

30、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。 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+、OH 、 、K 、 、Cl 离子是不通 离子是不通

31、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。 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

32、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 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 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。 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

33、释放能量用于 合成合成 ATP 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粒状突起，），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起， 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 。 nATP合酶结构组成合酶结构组成 目录目录 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，另一端通过亚基，另一端通

34、过 和和33稳固结合，使稳固结合，使a、b2和和33、亚基组成稳亚基组成稳 定的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亚基环亚基环 紧密结合。紧密结合。c亚基环、亚基环、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。 目录目录 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

35、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) 目录目录 四、四、ATP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、能量逐步得失。细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。 ATP称之为称之为高能磷酸化合物高能磷酸化合物，可直接为细胞的，可直接为细胞的 各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对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。能量代谢进行严格调控。 生物体能量代谢有其

36、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/mol的磷酸酯的磷酸酯 键，常表示为键，常表示为 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

37、 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）ATP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 ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞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。可直接利用的能量形式。 ATP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

38、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 + AMP （二）（二）ATP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）ATP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ATP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Pi、PPi基团，很多酶

39、促反应由基团，很多酶促反应由ATP通通 过共价键与底物或酶分子相连，将过共价键与底物或酶分子相连，将ATP分子中分子中 的的Pi、PPi或者或者AMP基团转移到底物或酶蛋白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。基团水解而形成终产物。 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的生成、储存和利用的生成、储存和利用 ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸 肌酸肌酸

40、 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。 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

41、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)、粉蝶霉、粉蝶霉 素素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)。 目录目录 复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A(

42、antimycin A)阻断阻断Cyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用；粘噻唑菌醇则作用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。 目录目录 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

43、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 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)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

44、。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 protein，UCP1)。 目录目录 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 c 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 ATP 目录目录 （三）（三）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(oligomyci

45、n)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，阻断质子从亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质质 子半通道回流，抑制子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内合酶活性。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。能，继而抑制电子传递。 目录目录 寡霉素寡霉素(oligomycin) 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，

46、抑制流，抑制ATP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+，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。 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 四、线粒体四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸突变可影响机体氧化磷酸 化功能。化功能。 线粒体线粒体DNA（mtDNA）呈裸露的环状双螺）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

47、旋结构，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受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基 因组因组DNA。 目录目录 五、线粒体的内膜选择性协调转运氧五、线粒体的内膜选择性协调转运氧 化磷酸化相关代谢物化磷酸化相关代谢物 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中不同转运蛋白 (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-ADP转位酶转位酶ADP3-ATP4- 磷酸盐转运蛋白

48、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 目录目录 （一）胞浆中（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机

49、制进入线粒体 氧化呼吸链氧化呼吸链 胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定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： 目录目录 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 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

50、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- CH2OH CHOH 目录目录 2. 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 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

51、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 -OOC-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