生物氧化与新陈代谢

1、第五章第五章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化第一第一 节、节、 新陈代谢总论新陈代谢总论第二节第二节 、 生物氧化生物氧化第一节第一节 新陈代谢总论新陈代谢总论一一 新陈代谢的概念新陈代谢的概念新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢二、新陈代谢的共同特点：二、新陈代谢的共同特点：1. 由酶催化，反应条件温和。由酶催化，反应条件温和。2. 诸多反应有严格的

2、顺序，彼此协调。诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3. 对周围环境高度适应。对周围环境高度适应。三三 、 新陈代谢的调节新陈代谢的调节 三个水平调节：三个水平调节：分子水平分子水平-酶浓度和数量的调节酶浓度和数量的调节 （包括基因水平上的调节）（包括基因水平上的调节）细胞水平细胞水平-细胞区域化调节细胞区域化调节整体水平整体水平-激素和神经的调节激素和神经的调节四、生物体内能量代谢的基本规律四、生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度

3、或无序性，是一种无用的能。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。G = H - TS对于对于 A +B C +DG= -2.303RTlgK K=CD/AB 生物体中生物体中 T2 =T1 所以热不能作功，能作功的能量是自由能。所以热不能作功，能作功的能量是自由能。通常人们可以把能量分为两种。一种是热能，热能做功只能引起温度和压力的变通常人们可以把能量分为两种。一种是热能，热能做功只能引起温度和压力的变化；另一种是自由能可在恒温恒压下做功。自由能公式为：化；另一种是自由能可在恒温恒压下做功。自由能公式为： G HT SG在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化在恒温、恒压下，体系发生变化时的自

4、由能变化H体系焓的变化；体系焓的变化；T体系的绝对温度；体系的绝对温度； S-体系的墒变。体系的墒变。 生物能学生物能学 (Bioenergetics) 生物能的性质生物能的性质1. 自由能的概念自由能的概念：热机作功公式为：热机作功公式为： W = QT2 T1T2 W W：所做的功：所做的功 Q Q：吸收的热量吸收的热量 T T1 1：作功前温度作功前温度 T T2 2：作功后温度作功后温度自由能可以简单的看成是用于做功的能量自由能可以简单的看成是用于做功的能量在热力学中对自由能有严格的定义，在热力学中对自由能有严格的定义，在生化中在生化中，生物体用以做功的能量正是，生物体用以做功的能量正

5、是体内化学反应释放的自由能，或者说，在生物体内体现自由能变化是一个能体内化学反应释放的自由能，或者说，在生物体内体现自由能变化是一个能量逐步浓缩的过程：量逐步浓缩的过程： 光能光能ATP 碳水化合物碳水化合物这个过程用最简洁的热力学语言描述为：这个过程用最简洁的热力学语言描述为： “自由能不断增加，熵值不断减小自由能不断增加，熵值不断减小的过程的过程”。2、什么是生物能、什么是生物能 生物能主要是指生物分子的化学能，也包括一些形式的物生物能主要是指生物分子的化学能，也包括一些形式的物理能如：动能、电能、辐射能、热能等。理能如：动能、电能、辐射能、热能等。生命活动中的能量形式同自然界能量形式一样

6、，同样遵循热力学第一定律生命活动中的能量形式同自然界能量形式一样，同样遵循热力学第一定律 即即一种能量形式的产生，必然有另一种能量消失。一种能量形式的产生，必然有另一种能量消失。 3. 生物能的性质生物能的性质 1) 生物能的来源；生物能的来源； 例如例如 光合碳素循环作用（植物的能量生成光合碳素循环作用（植物的能量生成 光能电能活跃化学能稳定化学能光能电能活跃化学能稳定化学能 （ATP、NADPH (碳水化合物碳水化合物) 活跃化学能转变为稳定化学能的过程：活跃化学能转变为稳定化学能的过程： CO2NADPH(ATP)CH2O2) 标准生成自由能标准生成自由能 标准生成自由能标准生成自由能-

7、在标准状态下，由稳定单质生成在标准状态下，由稳定单质生成1摩尔纯化摩尔纯化合物的合物的G 就等于该化合物的就等于该化合物的 标准自由能生成。见表标准自由能生成。见表20-2 3) 偶联反应自由能变化的可加性及其意义偶联反应自由能变化的可加性及其意义 例例 两个相偶联的反应：两个相偶联的反应： A-B+C G = + 5kcal / mol (+20.92 kj / mol) B-D G = - 8 kcal / mol (-33.47 kj / mol) A-C + D G = - 3 kcal /mol (- 12,55 kj / mol) 偶联反应的自由能是可以加和的偶联反应的自由能是可以

8、加和的 加和的结果是加和的结果是A生成生成C和和D的反应可以自发进行。的反应可以自发进行。一个热力学上不利的反应一个热力学上不利的反应, 可以由热力学上有利的反应所驱动。可以由热力学上有利的反应所驱动。 4、能量学用于生物化学反应的一些规定、能量学用于生物化学反应的一些规定 1) 自由能自由能: 物理化学中的标准自由能（物理化学中的标准自由能（G ）为）为25、一个大气压，参与反应的物质均、一个大气压，参与反应的物质均为为1 1个个molmol时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有 H+ 参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则

9、这个标准条件的参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则这个标准条件的pH值为值为 0 0 ，显然，不符合生物体系反应条件。显然，不符合生物体系反应条件。生物体系中，生物体系中，其标准自由能是指其标准自由能是指pH7.0时的自由能时的自由能，用，用G 表示表示 ，自由能的变化用，自由能的变化用 G 表示表示2) 氧化还原电位氧化还原电位：生物体系中为：生物体系中为 pH7.0 时的电位（时的电位（E ）3) 自由能与氧化还原电位的关系自由能与氧化还原电位的关系：G = -n FE n：转移电子数目：转移电子数目 F：法拉第常数：法拉第常数 96.4914kJ/mol V 概概 念念： 水解自由能

10、在水解自由能在20.92 kJ/mol （ 5千卡千卡/mol ）以上的化合物。）以上的化合物。 高能化合物中被水解的基团称为高能化合物中被水解的基团称为“高能基团高能基团”，被水解的键称为，被水解的键称为“高能键高能键”用用“”表示表示 以磷酸作为高能基团的高能化合物称为以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合高能磷酸化合物” 五、五、 高能化合物高能化合物CCOOHCH2OPOHPOOHOPOHOHOPEPPPi1 磷氧键磷氧键型，其高能键是由磷和型，其高能键是由磷和氧原子构成即氧原子构成即“OP ”如：如：磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦）、焦磷酸（磷酸（PPi）

11、等。）等。高能化合物类型高能化合物类型：2 氮磷键氮磷键型，高能键是由氮和磷构型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸成，如磷酸肌酸3 硫酯键硫酯键型型 ，高能键是属于硫，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶酯键，如脂酰辅酶ARCOSCoANCHNCH3NHCH2COOHP磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 1,3 二磷酸甘油酸 磷酸肌酸 ATPADP + Pi -61.92 -49.37 -43.01 -30.54 ADPAMP + Pi AMP腺苷 + Pi 1磷酸葡萄糖 6磷酸葡萄糖 -30.54 -14.22 -20.92 -13.81 常见磷酸化合

12、物标准水解自由能常见磷酸化合物标准水解自由能OO HO HHHACH2OPOOPOOOOPOOOATPAMPADP ATP的结构特性的结构特性1 . 结构结构水解自由能水解自由能：每个高能键的水解自每个高能键的水解自由能为由能为 30.5kJ/mol或或7.3kcar/mol 细胞内影响细胞内影响ATP自由能释放的因素自由能释放的因素 ATP水解释放的自由能受到许多因素的的影响水解释放的自由能受到许多因素的的影响 , 主要包括主要包括: 1. pH 值值 2. ATP的浓度的浓度 多数细胞多数细胞ATP 、 ADP和无机磷酸的浓度大约和无机磷酸的浓度大约 在在2-10mmol /L之间之间.A

13、TP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+负电荷集中，共振杂化，负电荷集中，共振杂化，H+ 浓度浓度低低OHPOHOHOOHPOOHOHOHPOHOOHOPOHOHOH 2. 产生高水解自由能的原因产生高水解自由能的原因 ATP在能量转换中的地位和作用在能量转换中的地位和作用 作为能量通货的原因作为能量通货的原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体磷酸烯醇式丙酮酸PPPPATP甘油酸1,32P18161412108642 生物能流生物能流：化学能太阳 光能呼吸作用能量通货损 失：热、熵光合作用CO2+H2O 有机物

14、有机物化学能渗透能电能机械能热能ATP 高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键化合物硫酯键化合物甲硫键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物六、能量代谢与物质代谢的关系六、能量代谢与物质代谢的关系 异氧生物分解有机营养物质并产生异氧生物分解有机营养物质并产生ATP的三个阶段：的三个阶段：乙酰辅酶A三羧酸循环脂肪酸 多糖多糖蛋白质蛋白质脂肪脂肪单糖甘油氨基酸草 酰 乙 酸柠 檬 酸顺 乌 头 酸异 柠 檬 酸草 酰 琥 珀 酸-酮 戊 二 酸琥 珀 酰 CoA琥 珀 酸延 胡 索

15、酸苹 果 酸乙 酰 CoA丙 酮 酸第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段乙酰辅酶A生物氧化的方式及特点生物氧化的方式及特点一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程如如 葡萄糖葡萄糖 6 CO2 + 6 H2O + 能量能量 （2870.22 kJ/mol） 碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP二、生物氧化的方式二、生物氧化的方式 1 加氧氧化加氧氧化RROH1/2O2第二节第二节 生物氧化与氧

16、化磷酸化生物氧化与氧化磷酸化(Biological oxidation and oxidative phosparylation) 2 脱氢氧化脱氢氧化 加水脱氢加水脱氢:RCHO+H2ORCHOHOHRCOHO+2H+2e-Fe2+ Fe3+ e（3）脱电子脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶 延胡索酸延胡索酸直接脱氢直接脱氢：三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点：生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所

17、是细胞，其基本过程是大分子分解为为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和和H2O，并产，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellular respiration) 1) 逐步氧化，有序可控；逐步氧化，有序可控； 2) 条件温和，多步酶促反应条件温和，多步酶促反应; 3) 能量逐步释放并以能量逐步释放并以ATP的方式贮存。的方式贮存。 4） 分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。 思考题：思考题：线粒体氧化体系是线粒体氧化体系是ATP生成和彻底氧化的主要途径？生成和彻底氧化的主要途径？什么是电子传递呼吸链？递体的

18、组成有哪些？什么是电子传递呼吸链？递体的组成有哪些？物质代谢时氧化和磷酸化是如何偶联的？物质代谢时氧化和磷酸化是如何偶联的？四、四、CO2生成方式生成方式 R-CH(NH2)-COOH RCH2-NH2+ CO2 氨基酸 氨基酸脱羧酶 胺 CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）生物体内生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用（1） 直接脱羧直接脱羧（2）氧化脱羧）氧化脱羧:CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸 丙酮酸苹果酸酶CHCOOHOHCH2C

19、OOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸 丙酮酸苹果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH + CO2NADP+NADPH + H+OAH2AH2O1/2O2酶 一酶体系一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1酶2酶3酶n多酶体系多酶体系五、五、H2O的生成方式的生成方式 H2O的生成的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。生物体主要以脱氢酶、生物体主要以脱氢酶、传递体传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成的生成。MH2M递氢体递氢体递氢体递氢体H H

20、2 2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型还原型氧化型氧化型Cyt递电子体递电子体 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶六、氧化酶类六、氧化酶类 1.电子转移酶电子转移酶 如：细胞色素类，如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应子催化反应Fe3+Fe2+S1P1S2P22. 氧化酶氧化酶： （1）一般氧化酶一般氧化酶：单独使底物脱：单独使底物脱氢，并把氢交给氧的酶类氢，并把

21、氢交给氧的酶类，如一酶体系中的多酚氧化酶。Cu2+Cu+OHOHOO1/2O2H2O22（3）末端氧化酶）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶（2）黄素氧化酶：）黄素氧化酶：接受底物的氢，接受底物的氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢并把它交给氧分子而生成过氧化氢的酶。辅基通常是的酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤。如黄嘌呤氧化酶氧化酶3. 脱氢酶脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常氢交给递氢体的酶。辅基通常

22、FAD或或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：如：琥珀酸脱氢酶：O2H2O2FADFADH2黄 嘌呤尿酸4. 加氧酶加氧酶：加双氧酶和加：加双氧酶和加单氧酶单氧酶QH2FADFADH2琥珀酸延 胡 索酸QRROH1/2O2一、一、电子传递呼吸链电子传递呼吸链 指线粒体内膜上的电子传递系统，即电子从指线粒体内膜上的电子传递系统，即电子从NADH到到O2的传递经过的途径的传递经过的途径 类类 别：别： NADH呼吸链呼吸链：NADH脱氢酶、脱氢酶、Fe-S蛋白、蛋白、CoQ、Cyt b、 Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3 FADH2呼吸链呼吸链：琥珀酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、蛋白、C

23、oQ、Cyt b、 Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3 呼吸链主要由蛋白质复合体组成分为四部分：呼吸链主要由蛋白质复合体组成分为四部分： NADHQ还原酶；还原酶； 琥珀酸琥珀酸Q还原酶；还原酶； 细胞色素还原酶；细胞色素还原酶； 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 电子传递和氧化呼吸链电子传递和氧化呼吸链 NADNADHQ还原酶还原酶Q细胞色素还原酶细胞色素还原酶细胞色素细胞色素C细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 O2 琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶 黄素蛋白中的黄素蛋白中的FADH2 二、组成呼吸链的成员二、组成呼吸链的成员2. 琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶（复合酶（复合酶II）：）：与铁硫蛋白形

24、成复合体，是膜内侧与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。酸，无质子泵功能。1. NADH脱氢酶（脱氢酶（复合酶复合酶I：辅：辅基为基为FMN，是一个跨膜蛋白，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化其活性中心在膜的内侧，可催化NADH脱氢，并具有质子泵功能，脱氢，并具有质子泵功能，其与铁其与铁-硫蛋白形成复合体硫蛋白形成复合体FMNFMNH2NAD+NADH+H+2e2H+内膜外内FADFADH22e2H+琥珀酸延 胡 索酸内膜外内3. CoQ：是醌式化合物，是

25、醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下：OORRRR2 H+2 e-O HO HRRRR+ +（1）Cytb：Cytb是膜的是膜的嵌入蛋白嵌入蛋白，可，可接受接受CoQ的电子，且具有质子泵功能的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的膜的嵌入蛋白嵌入蛋白，与，与Cytb组成组成一个复合体，它可接受一个复合体，它可接受b的电子，并把的电子，并把它传给它传给Cytc 4. 细胞色素还原酶细胞色素还原酶 （复合酶复合酶III） 所有的细胞色素类都是蛋白质，所有的细胞色

26、素类都是蛋白质，都含有辅基都含有辅基血红素，如血红素，如Cytc的的辅基与蛋白质的结合。辅基与蛋白质的结合。Fe2+ Fe3+eNMCHCH3SNPMNMCHCH3SFeNMPCysCysHisMetSCH3N其中的铁离子可接受电子和释放电子其中的铁离子可接受电子和释放电子QH2QCyt bCyt c12e-2H+内膜外内5 .细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 （复合酶（复合酶IV）主要催化细胞色素主要催化细胞色素C到细胞色素到细胞色素aa3 的的电子传递：电子传递： aa3是两个细胞色素的复合是两个细胞色素的复合体，是一个体，是一个跨膜蛋白跨膜蛋白，含有，含有Cu离子。在离子。在膜的外部，膜的外

27、部，Cyta接受接受Cytc的电子，经过的电子，经过Cu传给传给a3 ，a3 的活性中心在膜的内侧，的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。该复合体也有质子泵功能。 该复合体又称呼吸链末端氧化酶。该复合体又称呼吸链末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上：是膜上唯一的外周蛋白唯一的外周蛋白，处，处于膜的外侧，可接受于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给的电子，并传给Cyta a3。Cytc2e-内膜外内aa31/2O2 + 2H+H2O2e-2H+内膜外内NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2-0.32

28、0.30 00.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2 +0.06三、三、工作机理工作机理： 1. 呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：NADH + H+NAD+FMNFMNH2NADH脱氢 酶12O2O2-+2H+H2OFe3+Fe2+Fe S22QQH2CoQFe3+Fe2+Cyt b22Fe3+Fe2+Cytc122Fe3+Fe2+Cyt c22Fe3+Fe2+Cyta.a322琥珀酸延胡索酸FADFADH2琥珀酸脱氢酶Fe3+Fe2+Fe S222. 工作机理工作机理： 复合酶I

29、II复合酶I复合酶IV复合酶II内外IIIIIIIVc内膜QNADH琥珀酸1/2O2四、四、存在状态存在状态 四个复合体四个复合体： 复合体复合体I： NADH脱氢酶、铁硫蛋白脱氢酶、铁硫蛋白 复合体复合体II： 琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白 复合体复合体III： 细胞色素细胞色素b、c1 复合体复合体IV： 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 IIIIIIIVcQ内膜内外外膜FP2FP3FP4b5 NADHFP2（内膜内侧）（内膜内侧）Qbc1caa3O2 NADHFP3（内膜外侧）（内膜外侧）Qbc1caa3O2 NADHFP4（外膜）（外膜）b5caa3O2五、五、植物中的呼吸

30、支路植物中的呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADHNADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2六、六、电子传递抑制剂电子传递抑制剂：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素抗霉素ACN 、N3 CO、H2S 抑制部位抑制部位 1. 抑制抑制NADH Q 还原酶内的电子传递还原酶内的电子传递 抑制部位抑制部位 2. 抑制抑制CoQ c1 的所在传递的所在传递抑制部位抑制部位 3. 抑制细胞色素氧化酶中电子的传递抑制细胞色素氧化酶中电子的传递 氧化磷酸化氧化磷酸化 一、概念概念:伴随生物氧化的放能反应并由伴随生物氧化的放能反应并由ADP与与Pi合成合成ATP的过程。的过程。二、类型二、类型: 底

31、物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能磷酸基底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能磷酸基 团转移给团转移给ADP合成合成ATP的过程。的过程。CC O O HC H2OPCC O O HOC H3A T PA D PP E P丙酮酸丙酮酸激酶氧化磷酸化氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程的过程 , 又叫又叫偶联磷酸化偶联磷酸化 。 NADHO2呼吸链能量ADP + PiATP三、三、偶联部位偶联部位: 1. 电位电位：电位差在：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADH

32、QbcaO2 每消耗每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子对电子可偶联产生几分子ATP 底物底物NADH琥珀酸琥珀酸CoQ 细胞色素细胞色素c P/O 3 2 2 1 ATP 2.5 1.5 1.5 12. P/O：NADH FMN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a.a3 O2ADP + PiATPADP + PiATPADP + PiATPIIIIIV琥珀酸FADII呼吸主链产能部位呼吸主链产能部位: 第一部位第一部位 NADH-CoQ 产生产生 1个个ATP 第二部位第二部位 CoQ- Cyt C 产生产生

33、0.5个个ATP 第三部位第三部位 Cyt C1 - O2 产生产生 1个个ATP 四、四、氧化磷酸化机理氧化磷酸化机理: 1.氧化磷酸化的细胞结构基础氧化磷酸化的细胞结构基础线粒体（mitochondria）外 膜（outer membrane）内 膜（inner membrane）嵴（sterility）2. F1-F0因子：结构膜bd g ebbd g eF1F0F1：3、3b、g、d、e 5种共9个亚基，b亚基b为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底。g亚基突出与F0结合ATPADP+Pigbbb内膜bd g ebADP + PiATP2H+F1-F0的工

34、作机理的工作机理IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F0 （1）化学偶联假说（化学偶联假说（Chemical coupling hypothesis ) （2）构象偶联假说构象偶联假说 (conformational coupling hypothesis ) （3） 化学渗透学说化学渗透学说 （Chemical osmotic theory）（Mitchell 1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位

35、梯度，总称为质子的的电化学梯度电化学梯度2H+2. 氧化磷酸化机理氧化磷酸化机理化学渗透学说机理化学渗透学说机理化化 学学 渗渗 透透 学学 说说 要要 点点线粒体的内膜是完整的封闭系统。线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。酸化的能量。4. 质子经质子经F1F0复合体回到内膜内侧，推动复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP。化学渗透学说的试验根据化学渗透学说的试验根据 氧化磷酸化重建试

36、验（只传递电子）（水解ATP）（电子传递、氧化磷酸化）（电子传递、氧化磷酸化）外膜内膜MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e O2O2-X- + IO-XHIOHH2OXIXIXI 头部头部ATP合酶合酶ADP +PiATP2H+X- +IO-H2O化学渗透学说化学渗透学说设A、B为呼吸链邻近的两个电子传递体AH2 + B + I AI + BH2 （可进行下一轮传递）（可进行下一轮传递）AI + X XI + AXI +Pi XP +IXP + ADP ATP + X作用机理作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧

37、，从而瓦解质子的电化学梯度。将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。解偶联解偶联(uncoupling) 使相互偶联的电子传递的放能过程和使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。 解偶联剂解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、有多种物质，如：解偶联蛋白、 2.4-二硝基苯酚、双香豆素等二硝基苯酚、双香豆素等 典型的解偶联剂典型的解偶联剂 2，4 二硝基苯酚作用机理。二硝基苯酚作用机理。外内内膜五、五、氧化磷酸化的解偶联剂氧化磷酸化的解偶联剂(uncoup

38、ler)和抑制剂和抑制剂ONO2NO2OHNO2NO2H+OHNO2NO2ONO2NO2H+氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂(oxidative phosphorylation inhibitor) ：直接作用于直接作用于F1F0复合复合体，抑制体，抑制ATP合成的物质合成的物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。内膜bd g ebb内膜d g e2H+2H+2H+2H+2H+寡Qb c1 c a.a3内膜外膜细胞质六、六、氧化磷酸化物质的运输氧化磷酸化物质的运输IIICH2OHCHCH2OOHPCH2OHCCH2OOPNADH + H+NAD+1.

39、外源外源NADH运输运输 （1）动物动物：穿梭系统穿梭系统：磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶组成：两种磷酸甘油脱氢酶O2NADH + H+NAD+磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸二羟丙酮-磷酸甘油酶 II 嵌入蛋白功能功能：将磷酸甘油的电子传给：将磷酸甘油的电子传给CoQ，而使外源，而使外源NADH 的电子进入呼吸链。的电子进入呼吸链。外源外源NADH的电子被转移到呼吸链，这种系统中，的电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH可以产生可以产生2个个ATP。酶 I ：可溶性酶，存在于细胞质中-磷酸甘油磷酸二羟丙酮FADFADH2呼吸链C2内膜外膜C1苹果酸穿梭苹果酸穿梭: 该系统由两种

40、苹果酸脱氢酶（该系统由两种苹果酸脱氢酶（，存在于细胞质和线粒体），存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶两种谷草转氨酶 （，存在于细胞质和线粒体）和，存在于细胞质和线粒体）和C1 、C2两个载体组成两个载体组成外源外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，被转移到线粒体内，这种系统中，NADH可以产生可以产生3个个ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸草酰乙酸NADH + H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH + H+酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链呼吸链苹果酸苹果酸-天冬氨酸转运天冬氨酸转运NADH系

41、统系统（2）植物植物 植物可以通过其呼吸支路将外源植物可以通过其呼吸支路将外源NADH转移到呼吸链，当然这种方式转移到呼吸链，当然这种方式每个每个NADH 只能产生只能产生2个个ATPIIIIIVcQ1/2O2内膜内外外膜NADHFP3FP4b52. ATP、ADP和无机磷酸的运输和无机磷酸的运输（1）ATP、ADP 的交换运输的交换运输 ATP、ADP 是由同一个载体叫是由同一个载体叫ATP/ADP 交换交换体，也叫腺苷酸载体的膜蛋白进行交换运输的。这个载体为二聚体，其机理见体，也叫腺苷酸载体的膜蛋白进行交换运输的。这个载体为二聚体，其机理见图。图。 属于属于主动运输主动运输（2）无机磷酸的

42、运输无机磷酸的运输 由线粒体膜上的磷酸载体进行交换运输，属于由线粒体膜上的磷酸载体进行交换运输，属于主动运输主动运输线粒体内膜细胞质H2PO4HO线粒体内膜细胞质ADP3ATP4ATP4ADP3ATP4 1. ATP能量的利用能量的利用 其主要方式是水解，以释放其高的水解自由能，催化方其主要方式是水解，以释放其高的水解自由能，催化方式有两种：式有两种：ATP + H2O ADP + Pi ATP 水解的高能磷酸基团往往使底物磷酸化，使有机分子提高能位或蛋白水解的高能磷酸基团往往使底物磷酸化，使有机分子提高能位或蛋白质分子发生变构。质分子发生变构。 ATP +H2O AMP + PPi 这种水解

43、方式产生的这种水解方式产生的PPi 迅速被焦磷酸酶水解，因此该过程消耗了迅速被焦磷酸酶水解，因此该过程消耗了ATP 的两的两个高能键，是高度供能的过程。个高能键，是高度供能的过程。 2. ATP能量的贮存能量的贮存七、七、ATP能量的利用与贮存能量的利用与贮存肌酸磷酸肌酸CNNHNH2CH2COOHCH3CNNHCH2COOHCH3NH PATP+ADP+八、八、细胞内细胞内ATP 含量的调节含量的调节 能荷（能荷（energy charge）：总腺苷酸中所负荷的总腺苷酸中所负荷的ATP 的比例的比例 2/1ATPADPAMPADPATP能荷正常条件下，细胞中能荷在正常条件下，细胞中能荷在0.8左右。左右。ATP、ADP、AMP以及以及Pi 是一些调节酶的变构剂，通过调节酶是一些调节酶的变构剂，通过调节酶的活性来调节细胞的能荷。的活性来调节细胞的能荷。 其它末端氧化酶其它末端氧化酶一、一、多酚氧化酶系统多酚氧化酶系统