生物氧化-线粒体生成ATP的生物氧化体系（生物化学）

生物氧化生物化学线粒体生成ATP的生物氧化体系生物化学概念代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、氧化呼吸链（一）氧化呼吸链的组成成分和作用递氢体和递电子体共20余种，归纳为五大类。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2HHHeH+HRHCONH2N+Ce+RHHCONH2N+H++H+H+

NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H1、NAD+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•。2、FMN(FAD)OOCH3CH3RNNNHNOOCH3CH3RNNNHN+H-H+H-HHOOCH3CH3RNNNHNHHFMN(或FAD)FMNH(或FADH),即FMN•

FMNH2(或FADH2)氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+

Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫

3、铁硫蛋白ⓈⓈFeFeⓈFeⓈFeSCH2SCH2SCH2SCH2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。4、辅酶QoH3COH3COCH3oRRoHOH3COH3COCH3·H++eH++eH3CORoHOHH3COCH3泛醌泛醌H•

二氢泛醌氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型细胞色素c的结构CH3蛋白质H3CH3CNNNNFe3+CH3CH-CH3CH-CH3SCysSCysCOOHCH2CH2COOHCH2CH2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。5、细胞色素1926年凯林在昆虫翅膀肌肉中发现了一类有颜色的物质，定名为细胞色素（简称Cyt)目前已发现有很多种，根据其吸收光谱的不同可分为三大类，即细胞色素A、B、C、（Cyta、Cytb、Cytc）。b、c、c1、

a和a31）分类

线粒体bc1

caa3（重点）微粒体b5p4502）组成细胞色素酶蛋白（b、c1、c、aa3）辅基（铁卟啉）

3）特点：（1）细胞色素a与a3不易分离

细胞色素aa3

（2）细胞色素aa3

细胞色素氧化酶（3）细胞色素aa3

中除有2个铁原子，还有2个铜原子。（4）传递电子的顺序CytbCytc1CytcCytaa3

bc1caa3（5）细胞色素类为电子传递体，主要是通过细胞色素中的铁原子进行氧化还原反应。2Cyt-Fe3++2e-

还原2Cyt-Fe2+

氧化

2e-

（6）

细胞色素C

能溶于水，便于提纯，已应用于临床。（7）细胞色素属于电子传递体。（二）氧化呼吸链的酶复合体通过用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到四种仍具有传递电子功能的酶复合体，其中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的内侧。呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置e-e-e-e-e-ⅠO2FADH2NADH细胞色素C线粒体内膜胞液侧基质侧ⅣⅢⅡQ复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能:将电子从NADH传递给泛醌。复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌。琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c。QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

功能：将电子从细胞色素c传递给氧，其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

四种具有传递氢和电子功能的酶复合体

泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素还原酶FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2

排列顺序确定的实验依据(三)体内两条重要的呼吸链3.两条呼吸链的排列顺序NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2二、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的概念代谢物脱下的2H，经呼吸链氧化生成水时所释放的能量与ADP磷酸化生成ATP储能相偶联的过程称为氧化磷酸化。重点(二)氧化磷酸化偶联部位1.氧化磷酸化偶联部位

复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。2.偶联部位的确定

根据P/O比值和自由能变化（⊿Gº=-nF⊿Eº）。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Ⅲ2.4～2.8

2.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.71.5→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→O20.610.681～-P/O比值：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间的比例称为P/O比值。通过P/O比值可以了解物质氧化时每消耗1摩尔数氧原子生成ATP数。自由能变化每水解一分子ATP释放30.5KJ/mol

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1.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。

(三)氧化磷酸化的偶联机理ⅢⅠ

ⅡⅣF0F1

Cytc

Q

NADH+H+

NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+

H2O

ADP+PiATP

胞液侧基质侧++++++++++

---------

化学渗透假说详细示意图4H+

4H+

4H+

4H+

2H+

2H+

H+

H+

2、ATP合酶(复合体V）在线粒体内膜上存在着利用呼吸链所释放的能量催化ADP与pi生成ATP的酶。

ATP合酶结构疏水的F0部位亲水的F1部位F1部位：催化ADP生成ATP。F0部位：与H+顺浓度梯度回流有关。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体F1F0γαααβββδε内膜当H+顺浓度梯度经F0回流时，F1催化ADP生成ATP。H+F1：催化ATP合成F0：跨内膜质子通道功能：

每分子ATP在线粒体中生成共需要4个H+回流氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、ⅣNADH氧化呼吸链：

10/4=2.5个ATPFADH2氧化呼吸链：

6/4=1.5个ATP（四）影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、氰化物、CO等。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如解偶联蛋白、2，4-二硝基酚。3.ATP合酶抑制剂对电子传递及ATP合酶均有抑制作用。如寡霉素。4.甲状腺激素--调节氧化磷酸化的重要激素甲状腺激素诱导Na+、K+-ATP酶ATP分解导致

ATPADP引起氧化磷酸化甲状腺机能亢进甲状腺素氧化磷酸化导致产热多、出汗多、基础代谢率高5.ADP/ATP比值的调节剧烈运动ATPADP促进氧化磷酸化促进三羧酸循环

休息ATPADP抑制氧化磷酸化抑制三羧酸循环节约能源物质意义：合理进行氧化磷酸化，防止能源浪费。重点三、ATP的转移与利用（一）腺苷酸转运蛋白参与ADP与ATP反向转运。H+H2PO4-ADP3-H2OATP4-基质侧胞液侧线粒体内膜磷酸盐载体腺苷酸载体H2PO4-H+ADP3-ATP4-ATP、ADP、Pi的转运（二）高能化合物的储存和利用高能化合物：含有高能键的化合物，如ATP、辅酶A、磷酸肌酸等。

1、高能化合物高能键

能释放大于21KJ/mol能量的化学键，如高能硫酯键和高能磷酸键，以“

”表示。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式肌酸激酶肌酸NH2NHNCOOHCH3CCH2磷酸肌酸NNHNCOOHCH3CCH2H~P+ATP+ADP几种常见的高能化合物通式举例释放能量

pH7.0，25℃KJ/mol(kcal/mol)NHRCNH~PO3H2CH2RCO~PO3H2ORCO~PO3H2ORC~SCoA~POOHPOOHOOH磷酸肌酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoAATP,GTP,UTP,CTP-43.9(-10.5)-61.9(-14.8)-41.8(-10.1)-31.4(-7.5)-30.5(-7.3)

ATP生成方式氧化磷酸化80%

底物水平磷酸化

重点特点：通过底物水平磷酸化产生ATP的方式体内共有三步反应。（糖代谢）1，3二磷酸甘油酸+ADP

磷酸甘油激酶

3-磷酸甘油酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

丙酮酸激酶丙酮酸+ATP琥珀酰COA+GDP

琥珀酰COA合成酶琥珀酸+

GTP2、高能化合物的储存和利用机体能量的释放、储存和利用都以ATP为中心。（1）能量的生成、利用：ATP是生物界普遍的供能物质，体内能量代谢的重要反应是ADP/ATP转换，ADP吸收能量磷酸化生成ATP,ATP水解放出能量产生ADP。释放的能量用于各种生命活动如：呼吸、泌尿、神经传导、合成代谢、肌肉收缩等。

（2）能量的转移ATP+UDPADP+UTP

参与糖原合成ATP+CDPADP+CTP

参与磷脂合成ATP+GDPADP+GTP

参与蛋白质合成（3）能量的储存1）磷酸肌酸是脑、肌肉组织能量贮存形式2）经常锻炼，肌肉中磷酸肌酸含量升高3）肌无力症，磷酸肌酸含量下降。

ATP的生成和利用ATP

ADP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。四、线粒体外NADH的氧化

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。α-磷酸甘油穿梭

(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭

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