生成ATP的氧化体系

1、第八章生物氧化第八章生物氧化 第二节 生成ATP的氧化体系定义定义：代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合 生 成 水 ， 这 一 系 列 酶 和 辅 酶 称 为 呼 吸 链合 生 成 水 ， 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)。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） 一、呼吸链一、呼吸链（一）呼吸链的主

2、要成分（一）呼吸链的主要成分四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) 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复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌

3、还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 * * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中均不包含在上述四种复合体中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 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 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 e-e-e-e-e-1. 复合体复合体: NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能

4、功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 递氢体：递氢体：在呼吸链中即可接受氢又可把氢传递给另一种物质的成分。在呼吸链中即可接受氢又可把氢传递给另一种物质的成分。NAD+和和NADP+的结构的结构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。尼克酰胺核苷酸的作用原理尼克酰胺核苷酸的作用原理RHCONH2N+CRHHCONH2N+ +

5、H H + + e e + + H H+ + + H H+ +NAD(P)+ NAD(P)H+H+2H+2H-2H-2HFMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧结构中含核黄素，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化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。FMN和和FAD黄素核苷酸的作用原理黄素核苷酸的作用原理OOCH3CH3RNNNHN核黄素核黄素( (黄色黄色) )FAD/FMN FADH2/FMNH2+2H+2H-2H-2H-2H-2H+2H+2HHNNOOCH3CH3NHNHH还原型还原型 核黄素核黄素( (无色无色) )辅酶辅酶Q泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, Co

6、Q, Q）由多个异戊二烯连接形成较）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。产物半醌型泛醌。辅酶辅酶Q Q的结构及作用原理的结构及作用原理O CH3 CH3H3CO H3COO（CH2CH=C CH2）n HOOH3CO H3COCH3RH3CO H3COOHOHCH3R+2H+2H-2H-2H递电子体：递电子体：呼吸链中既能接受电子又能将电子传递给其他物质的成分呼吸链中既能接受电子又能将电子传递给其他物质的成分铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，含有等量铁

7、原子和硫原子，其中铁原子可进行其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。铁硫蛋白铁硫蛋白 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Fe 2+ Fe 3+-e+e铁硫蛋白的作用原理铁硫蛋白的作用原理FMN （Fe-S）FAD (Fe-S)b 细胞色素细胞色素 细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递细胞色素是一类以铁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。的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。2. 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶u 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 复合体复

8、合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 3. 复合体复合体: 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1CytCyt在呼吸链中的作用在呼吸链中的作用2Cyt-Fe3+2e 2Cyt-Fe2+ 2Cytaa3-Fe2+ +1/2O2 2Cytaa3-Fe3+ +O2- 4. 复合体复合体: 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还

9、原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。（二）呼吸链组分的排列顺序（二）呼吸链组分的排列顺序1. NADH1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 SH2 NAD+ FMNH2 CoQ 2Cyt-Fe2+ 1/2O2 （Fe-S） S NADH FMN CoQH2 2Cyt-Fe3+ O2- （Fe-S）每每2H2H通过此呼吸链可生成通过此呼吸链可生成2.52.5分子分子ATPATP。每每2H2H通过此呼吸链可生成通过此呼吸链可生成1.51.5分子分子ATPATP。2. 2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀

10、酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸1 2 FAD （Fe-S）b FADH2 （Fe-S）bCoQH2 CoQ2Cyt-Fe3+ 2Cyt-Fe2+ O2O2-(b、 c1、 c 、 aa3)NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链电子传递链电子传递链二、二、ATP的生成的生成ATPATP的的生成方式生成方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化(最主要最主要)（一）氧化磷酸化（一）氧化磷酸化呼呼 吸吸 链链AH2 2H(2H+2e)A能量能量ADP+PiATPO21 2氧化氧化磷酸化磷酸化偶偶联联H2O2. 2. 氧化磷酸化的偶联部位氧化磷酸化的偶联部位P/OP/O值：

11、值：是指氧化磷酸化过程中，无机磷原子是指氧化磷酸化过程中，无机磷原子消耗的摩尔数与氧原子消耗的摩尔数之比。消耗的摩尔数与氧原子消耗的摩尔数之比。从从P/O值值可了解物质氧化时每消耗可了解物质氧化时每消耗1 1摩尔原子摩尔原子氧所产生的氧所产生的ATPATP的摩尔数。的摩尔数。离体线粒体实验中测得一些底物的离体线粒体实验中测得一些底物的P/OP/O值值底物底物 呼吸链的组成呼吸链的组成 P/OP/O值值 生成生成ATPATP数数1.1.-羟丁酸羟丁酸 NADNAD+ +FMNCoQCytOFMNCoQCytO2 2 2.42.42.8 2.8 3 3琥珀酸琥珀酸 FADCoQCytOFADCoQ

12、CytO2 2 1.7 1.7 2 2抗坏血酸抗坏血酸 CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2 0.88 0.88 1 1Cytc(FeCytc(Fe2+2+) ) CytaaCytaa3 3OO2 2 0.61 0.610.68 0.68 1 12.3.4.比较比较1 1、2 2，第一个偶联部位，第一个偶联部位 NADNAD+ + CoQ CoQ 之间之间比较比较2 2、3 3，第二个偶联部位，第二个偶联部位 CoQCoQ Cytc Cytc 之间之间比较比较3 3、4 4，第三个偶联部位，第三个偶联部位 CytaaCytaa3 3 O O2 2 之间之间ATPATP ATP

13、氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位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 能能氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMNCoQCyt bc1caa3O2琥珀酸 FADFADADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPppp氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制-化学渗透学说化学渗透学说 F0 F1

14、 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 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 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，产生膜内外质子电化学梯度储存能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量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 3.氧化磷酸化的影响因素氧化磷酸化的影响因素 细胞内ADP/ATP浓度比

15、值：H2O + NAD+NADH + H+ + + O212ADP+PiATP氧化磷酸化氧化磷酸化ADP/ATPADP/ATP： 抑制氧化磷酸化，抑制氧化磷酸化，ATPATP生成生成ADP/ATPADP/ATP： 促进氧化磷酸化，促进氧化磷酸化，ATPATP生成生成 甲状腺激素： 甲状腺素可诱导细胞膜上甲状腺素可诱导细胞膜上NaNa+ +-K-K+ +-ATP-ATP酶的生成，使酶的生成，使ATPATP加速分解为加速分解为ADPADP和和PiPi，从而又促进了氧化磷酸化的，从而又促进了氧化磷酸化的进行，甲状腺激素还可使解偶联蛋白基因表达增加，进行，甲状腺激素还可使解偶联蛋白基因表达增加，因而引

16、起耗氧和产热增加因而引起耗氧和产热增加。ATPATP分解分解 产热量产热量ATPATP合成合成 耗氧量耗氧量呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂作用：作用：阻断电子传递阻断电子传递琥珀酸琥珀酸FADFAD 抑制剂： 能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP的过程的过程。 作用：作用：使使氧化过程与磷酸化过程脱节氧化过程与磷酸化过程脱节举例：举例：2 2，4-4-二硝基苯酚二硝基苯酚 解偶联蛋白解偶联蛋白解偶联剂解偶联剂解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线

17、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 磷酸化抑制剂磷酸化抑制剂 作用：作用：抑制磷酸化过程抑制磷酸化过程 举例：举例：寡霉素寡霉素寡霉素：可寡霉素：可阻止质子阻止质子从从F0质子质子通道回流，通道回流，抑制抑制ATP生成生成ATPATP合酶结构模式图合酶结构模式图（二）底物水平磷酸化（二）底物水平磷酸化 底物分子在分解过程中，由于去氢或脱水等断键，底物分子在分解过程中，由于去氢或脱水等断键，使分子内部能量重新分布而形成的高能键直接转使分子内部能量重新分布而形成的高能键直接转移至移至ADP（或（

18、或GDP），生成），生成ATP（或（或GTP）的过程。）的过程。 磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶HOHOOCCHCH2OPOOHOH 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸这是糖酵解这是糖酵解中第一次中第一次底物水平底物水平磷酸化反应磷酸化反应ADPATPOHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3-DPG)OPO 3 2- （一）（一）ATP的利用的利用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利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。三、能量的利用、转移与储存三、能量的利用、转移与储存（二）能量的转移（二）能量的转移 1. ATP 1. ATP是直接能源是直接能源 A AP PP PP P 多数多数 ATP ADP+PiATP ADP+Pi 少数少数 ATP AMP+PPi ATP AMP+PPi 2. 2. 其它核苷三磷酸为直接能源的情况其它核苷三磷酸为直接能源的情况