第06章生物氧化PPT讲稿.ppt

第06章生物氧化第1页，共85页，编辑于2022年，星期一物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化(biological oxidation)，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释放能量，最终生成释放能量，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+PiATP热能热能n生物氧化的概念生物氧化的概念 第2页，共85页，编辑于2022年，星期一n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生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物物(CO2，H2O)和释放能量均相同。和释放能量均相同。第3页，共85页，编辑于2022年，星期一反反应应环环境境温温和和，酶酶促促反反应应逐逐步步进进行行，能能量量逐逐步步释释放放，能能量量容容易易捕捕获，获，ATP生成效率高。生成效率高。通通过过加加水水脱脱氢氢反反应应使使物物质质能能间间接接获获得得氧氧，并并增增加加脱脱氢氢的的机机会会；脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合合产产生生H2O，有有机机酸酸脱羧产生脱羧产生CO2。n 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能量突然释放。能量突然释放。物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接氧氧结合生成结合生成CO2和和H2O 。第4页，共85页，编辑于2022年，星期一糖原糖原 三脂酰甘油三脂酰甘油 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 TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程第5页，共85页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing第6页，共85页，编辑于2022年，星期一指指线线粒粒体体内内膜膜中中按按一一定定顺顺序序排排列列的的一一系系列列具具有有电电子子传传递递功功能能的的酶酶复复合合体体，可可通通过过连连锁锁的的氧氧化化还还原原将将代代谢谢物物脱脱下下的的电电子子最最终终传传递递给给氧氧生生成成水水。这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链(respiratory chain)又又称称电电子子传传递递链链(electron transfer chain)。一、呼吸链一、呼吸链n定义定义递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）n组成组成第7页，共85页，编辑于2022年，星期一酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，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。电子传递过程释放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驱动的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度梯度的能量，再用于的能量，再用于ATP的生物合成。的生物合成。（一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合种具有传递电子能力的复合体组成体组成第8页，共85页，编辑于2022年，星期一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25011血红素血红素bL,bH,c1,Fe-SCyt 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,CuBCyt 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。第9页，共85页，编辑于2022年，星期一 Cytcox 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 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 2H+2H+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第10页，共85页，编辑于2022年，星期一复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶。泛醌还原酶。复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到胞浆从内膜基质侧泵到胞浆侧，侧，复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能。1、复合体、复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递给泛中的电子传递给泛醌醌(ubiquinone)第11页，共85页，编辑于2022年，星期一NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+第12页，共85页，编辑于2022年，星期一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氧化还原反应时变化发生在五价氮五价氮和和三价氮三价氮之间。之间。第13页，共85页，编辑于2022年，星期一FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。在在可可逆逆的的氧氧化还原反应中显示化还原反应中显示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。第14页，共85页，编辑于2022年，星期一铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫中中心心(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中一一个个铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反反应应传传递递电子。电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。表示无机硫表示无机硫第15页，共85页，编辑于2022年，星期一 铁硫蛋白铁硫蛋白 SS无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫第16页，共85页，编辑于2022年，星期一泛泛醌醌（辅辅酶酶Q,CoQ,Q）由由多多个个异异戊戊二二烯烯连连接接形形成成较较长长的的疏疏水水侧侧链链（人人CoQ10），氧氧化化还还原原反反应应时时可可生生成成中中间间产产物物半半醌醌型型泛泛醌醌。内内膜膜中中可可移移动动电电子子载载体体，在在各各复复合合体体间间募募集集并并穿穿梭梭传传递递还还原原当当量量和和电电子子。在在电电子子传传递递和和质质子子移移动动的的偶联中起着核心作用。偶联中起着核心作用。第17页，共85页，编辑于2022年，星期一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 QQH2第18页，共85页，编辑于2022年，星期一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，又称，又称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶。人复合体。人复合体又称黄素蛋白又称黄素蛋白2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。2、复合体、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。第19页，共85页，编辑于2022年，星期一第20页，共85页，编辑于2022年，星期一3 3、复合体、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素色素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，细胞色素，细胞色素b-c1复合体（人），含有细胞色素复合体（人），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、募集还原当量和电子并穿梭传递募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体到复合体。第21页，共85页，编辑于2022年，星期一细胞色素细胞色素(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递铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类的酶类，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。铁铁-原卟啉原卟啉，与，与Hb相同相同第22页，共85页，编辑于2022年，星期一o人复合体人复合体为二聚体，呈梨形。其铁硫蛋白和细为二聚体，呈梨形。其铁硫蛋白和细胞色素胞色素c1结构类似，都有球形结构域，以疏水结构类似，都有球形结构域，以疏水区段锚定内膜。区段锚定内膜。o还原电位较低称还原电位较低称Cyt bCyt bL L（Cyt b566)Cyt b566)；还原电位较还原电位较高称高称Cyt bCyt bH H(Cyt b562(Cyt b562）o两个泛醌结合位点：分处内膜胞质侧和基质侧，称两个泛醌结合位点：分处内膜胞质侧和基质侧，称QP，QNo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。第23页，共85页，编辑于2022年，星期一电子从泛醌经铁硫蛋白电子从泛醌经铁硫蛋白传递给细胞色素传递给细胞色素C1。每每2分子分子QH2经过经过Q循环，循环，生成生成1分子分子QH2,将将2个电个电子转给细胞色素子转给细胞色素C1。从化学反应计算是一个从化学反应计算是一个QH2将将2个电子分别转给个电子分别转给2分子细胞色素分子细胞色素C。第24页，共85页，编辑于2022年，星期一o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。oCyt 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，不包含在复，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体合体中。将获得的电子传递到复合体。o电子传递过程：电子传递过程：QH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cytc1CytcoCytc可将获得的电子传递到复合体可将获得的电子传递到复合体第25页，共85页，编辑于2022年，星期一复合体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)。包含包含13个亚基，亚基个亚基，亚基-由线粒体基因编码，含必需由线粒体基因编码，含必需的的Fe,Cu离子位点，其他离子位点，其他10亚基起调节作用。亚基起调节作用。亚亚基基、分分别别位位于于两两侧侧，亚亚基基内内膜膜胞胞质质侧侧膜膜外外域域含含桶桶状状的的10股股结结构构，稳稳定定一一Cu离离 子子 ，称，称CuA4、复合体、复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧第26页，共85页，编辑于2022年，星期一亚亚基基呈呈圆圆柱柱形形，含含2个个与与内内膜膜垂垂直直的的血血红红素素辅辅基基，还还原原电电位位不不同同，称称Cyt a，Cyt a3，由由-螺螺旋旋结结构构支持。另一个支持。另一个Cu离子，称离子，称CuB 复复合合体体含含有有4个个氧氧化化还还原原中中心心，即即Cyt a，Cyt a3，CuA，CuB。形形成成Cyt a-CuA，Cyt a3-CuB两两组组传传递递电电子子功功能能单单元元。CuA 与与Cyt a 的的Fe密密切切接接触触，仅仅距距1.5nm。CuB 和和Cyt a3的的Fe接接近近，且且共共结合同一配体（结合同一配体（S），形成），形成双核中心双核中心的功能单元。的功能单元。第27页，共85页，编辑于2022年，星期一o电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2o依次传递依次传递4个电子，最终将个电子，最终将1分子氧还原成分子氧还原成2分子分子水水oCyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每。每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移。第28页，共85页，编辑于2022年，星期一复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程第29页，共85页，编辑于2022年，星期一细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶CuB-Cyta3中中心心使使O2还还原原成成水水的的过过程程，有有强强氧氧化化性性中中间间物物始始终终和和双双核核中中心心紧紧密密结结合合，不不会会引起细胞损伤。引起细胞损伤。第四个电子第四个电子2H2O2H+2+第30页，共85页，编辑于2022年，星期一标准氧化还原电位标准氧化还原电位拆开和重组拆开和重组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（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列的顺序排列 由以下实验确定由以下实验确定:第31页，共85页，编辑于2022年，星期一呼吸链中各种氧化还原对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+0.22FMN/FMNH20.219Cyt c Fe3+/Fe2+0.254FAD/FADH20.219Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816第32页，共85页，编辑于2022年，星期一1、NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22 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 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2第33页，共85页，编辑于2022年，星期一NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt a，a3O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链第34页，共85页，编辑于2022年，星期一二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP偶联偶联 氧氧化化磷磷酸酸化化(oxidative phosphorylation)是是指指在在呼呼吸吸链链电电子子传传递递过过程程中中偶偶联联ADP磷磷酸酸化化，生生成成ATP，又又称为称为偶联磷酸化偶联磷酸化。底底物物水水平平磷磷酸酸化化(substrate level phosphorylation)与与脱脱氢氢反反应应偶偶联联，生生成成底底物物分分子子的的高高能能键键，使使ADP(GDP)磷磷酸化生成酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。的过程。不经电子传递。nATP生成方式生成方式第35页，共85页，编辑于2022年，星期一（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体（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、第36页，共85页，编辑于2022年，星期一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 2.5Cyt 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 1.5Cyt 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+)复复合合体体O20.61-0.68 11、P/O 比值比值指指氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每消消耗耗1/2摩摩尔尔O2所所生生成成ATP的的摩摩尔尔数数（或或一一对对电电子子通通过过氧氧化化呼呼吸吸链链传传递递给给氧氧所所生成生成ATP分子数）。分子数）。第37页，共85页，编辑于2022年，星期一2 2、自由能变化、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)与还与还原电位变化原电位变化(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第38页，共85页，编辑于2022年，星期一电电子子传递链传递链自由能自由能变变化化 第39页，共85页，编辑于2022年，星期一ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2第40页，共85页，编辑于2022年，星期一(二二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度的质子梯度1、化学渗透假说、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，可可将将质质子子(H+)从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度（H+浓浓度度梯梯度度和和跨跨膜膜电电位位差差)储储存存能能量量。当当质质子子顺顺浓浓度度梯梯度度回回流流时时驱驱动动ADP与与Pi生生成成ATP。第41页，共85页，编辑于2022年，星期一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离子是不通透的；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；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，而线粒体内合成，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。第42页，共85页，编辑于2022年，星期一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 ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图第43页，共85页，编辑于2022年，星期一 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。第44页，共85页，编辑于2022年，星期一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第45页，共85页，编辑于2022年，星期一（三）质子顺梯度回流释放能量被（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催合酶利用催化化ATP合成合成 F1：亲亲水水部部分分（动动物物：33亚亚基基复复合合体体，OSCP、IF1 亚亚基基），线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧颗颗粒粒状状突突起起，催催化化ATP合成合成。33亚亚基基间间隔隔排排列列形形成成六六聚聚体体，每每组组结结合合1分分子子ATP，形形成成功功能能单单元元，催催化化部部位位在在亚亚基基，但须与但须与亚基结合才有活性。亚基结合才有活性。n复合体复合体/ATP合酶结构组成合酶结构组成第46页，共85页，编辑于2022年，星期一oF0：疏疏水水部部分分（ab2C912亚亚基基，动动物物还还有有其其他他辅辅助助亚亚基基），镶镶嵌嵌在在线线粒粒体体内内膜膜中中，形形成成跨内膜质子通道跨内膜质子通道。oC亚亚基基为为脂脂蛋蛋白白，由由短短环环连连接接的的两两个个反反向向跨跨膜膜螺螺旋旋组组成成，9-12个个C亚亚基基围围成成环环状状结结构构，a亚亚基基紧紧靠靠C亚亚基基环环外外侧侧，含含5个个跨跨膜膜螺螺旋旋并并形形成成2个个不不穿穿膜膜、不不连连通通的的亲亲水水性性质质子子半半通通道道，分分别别开开口口于于内内膜膜基基质质侧侧与与胞胞质质侧侧。两两半半通通道道分别于分别于1个个C亚基相对应。亚基相对应。第47页，共85页，编辑于2022年，星期一nATP合酶组成可旋转合酶组成可旋转的发动机样结构的发动机样结构 nF0的的2个个b亚基的一端亚基的一端锚定锚定F1的的亚基，另一亚基，另一端通过端通过和和33稳固结稳固结合，使合，使a、b2和和33、亚基组成稳定的亚基组成稳定的定子部定子部分分。第48页，共85页，编辑于2022年，星期一部分部分和和亚基共同形成穿亚基共同形成穿过过33间中轴，间中轴，还与还与1个个亚基疏松结合作用，下亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的端与嵌入内膜的c亚基环紧密亚基环紧密结合。结合。c亚基环、亚基环、和和亚基亚基组成组成转子部分。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，时，转子部分相对定子部分旋转子部分相对定子部分旋转，使转，使ATP合酶利用释放合酶利用释放的能量的能量合成合成ATP。第49页，共85页，编辑于2022年，星期一o质质子子梯梯度度强强大大势势能能驱驱动动质质子子从从a亚亚基基胞胞质质侧侧进进入入半半通通道道，使使对对应应的的1个个C亚亚基基必必需需残残基基Asp61所所带带负负电电荷荷被被氢氢质质子子中中和和后后，C亚亚基基能能与与疏疏水水内内膜膜相相互互接接触触而而发发生生转转动动，当当其其转转导导接接触触出出口口半半通通道道相相应应C亚亚基基位位置置时时，Asp61原原结结合合的的氢氢质质子子从从半半通通道道出出口口顺顺梯梯度度释释放放进进入线粒体基质。入线粒体基质。o各各C亚亚基基可可依依次次进进行行循循环环，导导致致C环环和和和和亚亚基基相相对对33转转动动，转转动动中中亚亚基基和和各各亚亚基基间间相相互互作作用用发发生生周周期期性性变变化化，使使每每个个亚亚基基活性中心构象循环改变。活性中心构象循环改变。第50页，共85页，编辑于2022年，星期一当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基发生旋转基发生旋转，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)第51页，共85页，编辑于2022年，星期一三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响素影响（一）有（一）有3类氧化磷酸化抑制剂类氧化磷酸化抑制剂1 1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的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)、粉蝶霉素、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)等等阻断传阻断传递电子到泛醌递电子到泛醌。复合体复合体的抑制剂：萎锈灵的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。第52页，共85页，编辑于2022年，星期一复复合合体体抑抑制制剂剂：抗抗霉霉素素A(antimycin A)阻阻断断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。复复合合体体 抑抑制制剂剂：CN、N3紧紧密密结结合合中中氧氧化化型型Cyt a3，阻阻断断电电子子由由Cyt a到到CuB-Cyt a3间间传传递递。CO与与还还原型原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。第53页，共85页，编辑于2022年，星期一NADHFMN(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 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第54页，共85页，编辑于2022年，星期一2 2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解解偶偶联联剂剂(uncoupler)可可使使氧氧化化与与磷磷酸酸化化的的偶偶联联相相互互分分离离，基基本本作作用用机机制制是是破破坏坏电电子子传传递递过过程程建建立立的的跨跨内内膜膜的的质质子子电电化化学学梯梯度度，使使电电化化学学梯梯度度储储存存的的能能量量以以热热能能形形式式释放释放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。如如：二二硝硝基基苯苯酚酚(dinitrophenol,DNP)；解解偶偶联联蛋蛋白白(uncoupling protein，UCP1)。第55页，共85页，编辑于2022年，星期一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）F F0 0 F F1 1 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 H+H+ADP+Pi ATP 第56页，共85页，编辑于2022年，星期一3、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磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素例如寡霉素(oligomycin)可结合可结合F0单位，二环己基碳二亚胺单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCCP)共价结合共价结合F0的的c亚基谷亚基谷氨酸残基，阻断质子从氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATP合合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高酶活性。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。影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。第57页，共85页，编辑于2022年，星期一 寡霉素寡霉素(oligomycin)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质子通道回流，质子通道回流，抑制抑制ATP生成。生成。第58页，共85页，编辑于2022年，星期一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 第59页，共85页，编辑于2022年，星期一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。（二）（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。因素。（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功突变可影响机体氧化磷酸化功能。能。第60页，共85页，编辑于2022年，星期一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+跨膜质子电化学跨膜质子电化学梯度；梯度；H+m内膜基质内膜基质侧侧H+；H+c 内膜胞液内膜胞液侧侧H+第61页，共85页，编辑于2022年，星期一四、四、ATP在能量的生成、利用、转移和在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用储存中起核心作用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的磷酸酯键，的磷酸酯键，常表示为常表示为 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第62页，共85页，编辑于2022年，星期一化合物化合物E0kJ/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 AMPPi27.6(6.6)焦磷酸焦磷酸27.6(6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖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 第63页，共85页，编辑于2022年，星期一 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDP ADP+UTPATP+CDP ADP+CTPATP+GDP ADP+GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP+ADP ATP+AMP第64页，共85页，编辑于2022年，星期一n肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用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。第65页，共85页，编辑于2022年，星期一 ATP的生成和利用的生成和利用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 P P P P 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。第66页，共85页，编辑于2022年，星期一五、线粒体内膜对各种物质进行选五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的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。第67页，共85页，编辑于2022年，星期一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 第68页，共85页，编辑于2022年，星期一（一）胞浆中（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链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线进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。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：第69页，共85页，编辑于2022年，星期一1 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 第70页，共85页，编辑于2022年，星期一 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 -磷酸甘油磷酸甘油 第71页，共85页，编辑于2022年，星期一2 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 第72页，共85页，编辑于2022年，星期一NADH+H+NAD+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 戊二酸转运体戊二酸转运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸 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 天冬氨酸天冬氨酸 第73页，共85页，编辑于2022年，星期一（二）（二）ATP-ADP转位酶促进转位酶促进ADP进入和进入和ATP移出紧移出紧密偶联密偶联第74页，共85页，编辑于2022年，星期一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转运蛋白转运蛋白 ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子每分子ATP4-和和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷个负电荷，相当于多，相当于多1个个H+转入线粒体基质。转入线粒体基质。第75页，共85页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 其他不生成其他不生成ATP的氧化体系的氧化体系The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing第76页，共85页，编辑于2022年，星期一一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能功能n反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS)O2e-O-2e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类反应活性氧类第77页，共85页，编辑于2022年，星期一nROS主要来源主要来源线粒体：线粒体：超氧阴离子超氧阴离子O-2，是体内，是体内O-2的主要来源；的主要来源；O-2在线粒体中再生成在线粒体中再生成H2O2和和OH。过氧化酶体：过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子将从脂肪酸等底物获得的电子交给交给O2生成生成H2O2和羟自由基和羟自由基OH。胞浆胞浆需氧脱氢酶需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成生成O-2。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素外源因素也可导致细胞产生活性氧类。也可导致细胞产生活性氧类。第78页，共85页，编辑于2022年，星期一需氧脱氢酶和氧化酶需氧脱氢酶和氧化酶第79页，共85页，编辑于2022年，星期一n抗氧化酶体系抗氧化酶体系1、过氧化氢酶、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 第80页，共85页，编辑于2022年，星期一可去除细胞生长和代谢产生的可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物和过氧化物(R-O-OH)，是，是体内防止活性氧类损伤主要的酶体内防止活性氧类损伤主要的酶。2、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)H2O2+2GSH 2 H2O+GS-SG2GSH+R-O-OH GS-SG+H2O+R-OH第81页，共85页，编辑于2022年，星期一 谷胱甘肽过谷胱甘肽过氧化物酶氧化物酶 H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G SH G S S G NADP+NADPH+H+此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 第82页，共85页，编辑于2022年，星期一3、超氧化物歧化酶、超氧化物歧化酶2O2+2H+SODH2O2+O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase)第83页，共85页，编辑于2022年，星期一二、微粒体细胞色素二、微粒体细胞色素P450P450单加氧酶催化底单加氧酶催化底物