生物氧化级临床医学

关于生物氧化级临床医学第1页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能第2页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五注意严格的说，机体内进行的脱氢，加氧等氧化反应总称为生物氧化。按照生理意义不同可分为两大类：一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴有ATP的生成；另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP生物能的生成，这类反应进行过程中细胞要摄取O2，释放CO2故又形象地称之为细胞呼吸(cellularrespiration)。我们平常说的生物氧化就是指这一类。第3页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五生物氧化中二氧化碳和水的生成二氧化碳的生成生物氧化中CO2的生成是由于糖、脂类、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应所致。第4页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五水的生成生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。所以生物体主要以生物氧化体系(由脱氢酶、传递体及氧化酶组成)，促进水的生成。

第5页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五生物氧化与体外氧化之相同点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规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第6页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会与还原当量；脱下的氢与氧结合产生H2O，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体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第7页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五生物氧化的一般过程代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段1.糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基；2.乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使NAD+和FAD还原成NADH+H+、FADH2；3.NADH+H+和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成。从广义来讲，上述三个阶段均为生物氧化，狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化，本章只讨论第三个阶段。第8页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2第9页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。2.氧化进行过程中，必然伴随还原反应的发生。同时，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。3.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。生物氧化的特点第10页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五4.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。5.生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。第11页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。无氧氧化第12页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

有氧氧化

生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。第13页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第一节

氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成第14页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五生物体将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（oxidativerespiratorychain）。也称电子传递链(electrontransferchain)。氧化呼吸链的概念第15页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五注意糖类、脂肪、氨基酸等代谢物所含的氢，在一般情况下是不活泼的，必须通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。进人体内的氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。但激活的氧在一般情况下，尚不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，两者之间尚需传递激活才能结合生成水。第16页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第17页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五1967年，美国格林(Green)等实验室成功地在线粒体内膜上分离到具有催化活性的四种酶复合物以及CoQ和Cytc。他们又将这四种复合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cytc重组呼吸链，基本上恢复了线粒体原有的生物氧化能力。目前，呼吸链各组分的排列顺序已基本明确，但仍有些不一致的看法，其中以CoQ至细胞色素C这一部分研究得还不清楚，对于Fe-S和CoQ的定位和数量也有争议。第18页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五酶复合体有4种：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。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。复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ镶嵌在内膜中；Ⅱ镶嵌在内膜的内侧。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。

一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的(酶)复合体组成第19页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五功能递氢体和电子传递体（相关的酶与辅助因子）部位

在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上;原核生物中，它位于细胞膜上。注意：严格的说，呼吸链由4种酶复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和2种独立的有机物质泛醌、细胞色素c组成。第20页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCytc1，Cyta复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）

泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中。第21页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置第22页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第23页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-第24页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅰ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。复合体Ⅰ可催化两个同时进行的过程：

电子传递：

NADH→FMN→Fe-S→CoQ

质子的泵出：复合体Ⅰ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Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌（ubiquinone）第25页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五NAD+和NADP+的结构第26页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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。可同时传递氢和电子,属于双电子传递体。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

第27页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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，可同时传递氢和电子，属于单、双电子传递体。第28页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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。

Ⓢ表示无机硫注意：不能直接传递氢和质子。第29页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体I中含7个铁硫中心共20-26个铁原子，最终将FMNH2的电子传给泛醌。

复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2第30页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫第31页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异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。内膜中可自由扩散，是可移动电子载体，由于可同时传递氢和电子，所以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。属于单、双电子传递体。

第32页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2第33页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ(二)复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌

复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3注意：复合体Ⅱ没有H+泵的功能。第34页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五CoASHNADH+H+NAD+CO2NAD+NADH+H+CO2GTPGDP+PiFADFADH2NADH+H+NAD+H2OH2OH2OCoASHCoASH⑧①②③④⑤⑥⑦②H2O①柠檬酸合酶②顺乌头酸梅③异柠檬酸脱氢酶④α-酮戊二酸脱氢酶复合体⑤琥珀酰CoA合成酶⑥琥珀酸脱氢酶⑦延胡索酸酶⑧苹果酸脱氢酶GTPGDPATPADP核苷二磷酸激酶第35页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第36页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五(三)复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素C复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶或细胞色素b-c1复合体(人)，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(rieskeprotein)。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ接受还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。第37页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五电子传递过程：CoQH2→(Cytb562→Cytb566)→Fe-S→Cytc1→Cytc

复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1第38页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五概念：细胞色素（cyt）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。分类：各种细胞色素的辅基结构略有不同，据此分为细胞色素a,b,c等，每类中又可分多个亚类。功能：细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+的互变起传递电子的作用的,为单电子传递体。有时还需铜离子的参与。注意：1.均为线粒体呼吸链。2.不能直接传递氢和质子。细胞色素第39页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第40页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五补充材料：1926年Keilin首次使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊的吸收光谱，因此把细胞内的吸光物质定名为细胞色素。细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3，肝、肾等组织的微粒体中有细胞色素P450。细胞色素b、c1、c为红色细胞素，细胞色素aa3为绿色细胞素。不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。第41页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。第42页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五补充材料Q循环复合物Ⅲ的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜中自由扩散，在内膜C侧，还原型辅酶Q（氢醌）将一个电子交给Fe-S→细胞色素c1→细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566→b562，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色素b566得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌→b566→b562→辅酶Q。在内膜M侧，辅酶Q可被复合体Ⅰ（复合体Ⅱ）或细胞色素b562还原为氢醌。一对电子由辅酶Q到复合物Ⅲ的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。用简单的话说，Q是接受呼吸链传耒的电子，然后从基质里拿俩氢离子，传出去，再循环往复。

第43页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五补充材料第44页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五细胞色素c细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。细胞色素C比较容易分离提纯，其结构已清楚。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。哺乳动物的Cytc由104个氨基酸残基组成，并从进化的角度作了许多研究。Cytc的辅基血红素(亚铁原卟啉)通过共价键(硫醚键)与酶蛋白相连，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。第45页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。(四)复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧第46页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五电子传递：

Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2

复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位将电子交给O2。第47页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅳ的电子传递过程第48页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五细胞色素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。第49页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五细胞色素a和a3细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。细胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。

第50页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五铁卟啉辅基可有Fe2+←→Fe3++e的互变，因此起到传递电子的作用。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。细胞色素aa3和P450辅基中的铁原子只形成5个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与CO、氰化物、H2S或叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。第51页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→CoQ

→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸(FADH2)氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ

→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2二、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：第52页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链注意：此呼吸链成分的排列顺序是以辅助因子为主。目前多采用。第53页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列

由以下实验确定:第54页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第55页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.30CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.06CytaFe3+/Fe2+0.29Q10/Q10H20.045Cyta3Fe3+/Fe2+0.35CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)1/2O2/H2O0.816第56页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第57页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五可以这样认为：质子或电子是按照氧化还原电位在一系列辅助因子中传递，最终激活氧生成水。而酶(酶蛋白)就是催化质子或电子与辅助因子的结合或解离，即在不同辅助因子间的转移。因此，狭义的呼吸链(电子传递链)的组成仅有这些辅助因子即可！第58页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五接受还原性辅酶上的氢原子对(2H++2e)，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。呼吸链的作用第59页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第60页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五电子传递链与电子迁移方向第61页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联

氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)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ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式第62页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五一、氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ第63页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.681(一)P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。第64页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五(二)自由能变化n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)⊿G0′=-nF⊿

E0′

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：第65页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五电子传递链自由能变化

ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链E0‘值在三个部位有大的“跳动”，基本在0.2伏以上。第66页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位第67页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)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。第68页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

历史英国生物化学家P.Mitchell于1961年提出了化学渗透偶联假说（chemiosmoticcouplinghypothesis）解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为：在电子传递过程中，伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应（提供了动力），合成了ATP.这一学说具有大量的实验支持，得到公认并获得了1978年诺贝尔奖。化学渗透学说可以很好地说明线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立、ADP磷酸化的关系。

第69页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第70页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的；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；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP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度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。第71页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图第72页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

第73页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五三、质子顺梯度回流释放能量用于合成

ATPF1：亲水部分（动物：α3β3γδε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。

F0：疏水部分（ab2c9~12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。ATP合酶结构组成OSCP:寡霉素敏感蛋白第74页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

ATP合酶结构模式图第75页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第76页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分第77页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第78页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第79页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第80页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五F0的2个b亚基的一端锚定F1的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β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、γ和ε亚基组成转子部分。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。

F1-ATP合酶作用机理自学第81页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五F1是酶的膜外部分，3个α亚基与3个β亚基交替排列，形成一个对称的橘瓣状结构。F0嵌在膜上，a亚基和b亚基二聚体排列在12个c亚基形成的环的外侧。F0和F1主要由b和δ等几个小亚基组在一侧连接起来。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。γ和ε亚基组成的位于酶的中央部位,类似于“轴”。a、b和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。第82页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五简单说：abα3β3δ组成了“定子（stator）”

cγε组成“转子（rotor）”当H+质子穿过a和c之间的通道时产生了力矩，从而推动了转子与定子间的相对转动，这样在F1中合成了ATP.ATP合酶组成可旋转的发动机样结构第83页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五结合变构模型（binding-changemodel）ATP合酶合成ATP的分子机理的研究一直是研究的热点，为多数人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“结合变构模型”。该模型认为F1中的γ亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆，旋转时会引起αβ复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力：①O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合；②L型同ADP和Pi的结合较强；③T型与ADP和Pi的结合很紧，能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当γ亚基旋转并将αβ复合物转变成O型则会释放ATP（见图）。第84页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五美国Boyer（1989）提提出了结合变构模型来解释ATP合成过程，并因此于1997年获得诺贝尔化学奖。PaulDBoyer第85页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第86页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β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(bindingchangemechanism)第87页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五四、ATP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。ATP称之为高能磷酸化合物，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能量代谢进行严格调控。生物体能量代谢有其明显的特点。第88页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物第89页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五化合物△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→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)葡糖-1-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第90页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五（一）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子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。

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。第91页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP（二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心

第92页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五（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。第93页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五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第94页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

ATP的生成、储存和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P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。第95页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五第三节

氧化磷酸化的影响因素

第96页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五一、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。

第97页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五二、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复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。第98页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型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。

第99页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点第100页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

第101页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程

解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。第102页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP第103页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五（三）ATP合酶抑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(dicyclohexylcarbodiimide,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。第104页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五

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。第105页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+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+第106页，共121页，2022年，5月20日，11点11分，星期五Na+，K+–ATP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