生物化学-生物氧化.ppt

第六章第六章第六章第六章生物氧化生物氧化Biological Oxidation 生物氧化的生物氧化的概念概念、方式方式、特点特点 ATP第一节第一节 生成生成ATPATP的的氧化磷酸化体系氧化磷酸化体系第二节第二节 不生成不生成ATPATP的氧化的氧化体系体系 氧化呼吸链氧化呼吸链 氧化磷酸化氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化的影响因素的影响因素 线粒体内膜的物质转运线粒体内膜的物质转运生物氧化概述生物氧化概述生物氧化概述生物氧化概述Introduction to Biological oxidationCatalase 过氧化氢酶过氧化氢酶Cytochrome 细胞色素细胞色素Electron transfer chain 电子传递链电子传递链Flavoprotein 黄黄素蛋白素蛋白Glycerophosphate shuttle 磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭Iron-sulfur protein 铁硫蛋白铁硫蛋白Malate-aspartate shuttle 苹果酸天冬氨酸穿梭苹果酸天冬氨酸穿梭Monooxygenase 加加单氧酶单氧酶Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化氧化磷酸化Perioxidase 过氧化物酶过氧化物酶Superoxide dismutase 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶Ubiquinone 泛醌泛醌Chapter Biologic Oxidation 第第 章章 生物氧化生物氧化营营养养物物质质在在生生物物体体内内进进行行的的氧氧化化称称生生物物氧氧化化，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释放放能能量量，最最终终生生成成CO2 和和 H2O的过程。的过程。此此过过程程需需耗耗氧氧、排排出出CO2，又又在在活活细细胞胞内内进进行行，故故又又称称细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)。一、生物氧化一、生物氧化（biological oxidation）的概念的概念 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 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 *生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程 脱氢脱氢 COOH COOH HO CH C=O +2H CH3 CH3 (2H+2e)加氧加氧 RCHO+1/2 O2 RCOOH脱电子脱电子 Fe2+Fe3+e生物氧化生物氧化中的中的CO2的生成的生成w绝大部分有机物绝大部分有机物生物氧化中的生物氧化中的CO2生成是经生成是经？中的脱羧作用产生的。中的脱羧作用产生的。w答案：答案：三羧酸循环三羧酸循环w其他一些其他一些CO2产生途径如：产生途径如：w糖异生糖异生 草酰乙酸草酰乙酸+GTP PEP+GDP+CO2w氨基酸脱羧氨基酸脱羧脱羧酶脱羧酶-单纯脱羧：单纯脱羧：-氧化脱羧：氧化脱羧：氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶RCHCOOHNH2a a-氨基酸氨基酸RCH2NH2+CO2胺胺CH3CCOOHOCH3COSCoA+CO2丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系HSCoA NAD+NADH+H+-单纯脱羧：单纯脱羧：-氧化脱羧：氧化脱羧：+CO2CH2COOHCOCOOHCH2COCOOHP磷酸烯醇式丙酮磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶酸羧激酶GTPGDP+CO2异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 NAD+NADH+H+CHOHCOOHCHCOOHCH2COOHCOCOOHCH2CH2COOH氧化酶氧化酶氧化酶氧化酶2e2e2H+HH2 2OOOO2-2-1/2 O1/2 O2 2电子传递体电子传递体电子传递体电子传递体 递氢体递氢体递氢体递氢体脱氢辅酶脱氢辅酶脱氢辅酶脱氢辅酶 -2H-2HMHMH2 2w真核生物真核生物线粒体内膜线粒体内膜上的上的电子传递链电子传递链作用下产生作用下产生生物氧化中生物氧化中H2O的生成的生成生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化(燃烧燃烧)反应性质反应性质相相 同（同（氧化还原反应）氧化还原反应）产产 物物 相相 同（同（CO2、H2O）耗氧量耗氧量 相相 同同 环环 境境细胞内细胞内体外体外条条 件件体温，需酶体温，需酶高温，不需酶高温，不需酶能量释放方式能量释放方式逐步释放逐步释放骤然释放骤然释放产物生成方式产物生成方式水由代谢物脱下的氢水由代谢物脱下的氢与氧结合产生，与氧结合产生，CO2由有机酸脱羧产生由有机酸脱羧产生水和水和CO2由物质中由物质中的碳和氢直接与氧的碳和氢直接与氧结合产生结合产生w wCOCO2 2、HH2 2OO、能量能量能量能量的产生位置的产生位置的产生位置的产生位置 线粒体线粒体线粒体线粒体真核细胞真核细胞基质中脱氢、产生基质中脱氢、产生基质中脱氢、产生基质中脱氢、产生COCO2 2产产产产HH2 2OO产能产能产能产能 线粒体线粒体w主要功能：主要功能：氧化营养物，生成氧化营养物，生成ATP。结构：结构：n外膜：通透性较高外膜：通透性较高n内膜：对物质的通过有内膜：对物质的通过有 严格选择性严格选择性l内膜高度折叠形成嵴内膜高度折叠形成嵴n膜间腔膜间腔n基质基质线粒体结构模式图线粒体结构模式图二、二、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键与高能磷酸化合物 u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的磷酸的磷酸酯键，常表示为酯键，常表示为 P。u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 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磷酸肌酸磷酸肌酸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。Q Q：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？A A：1,6-1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖 B B：三磷酸肌醇三磷酸肌醇 C C：磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 D D：磷酸肌酸：磷酸肌酸 E E：UTP (CDE)UTP (CDE)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 机械能机械能机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运物质主动转运物质主动转运)化学能化学能化学能化学能(合成代谢合成代谢合成代谢合成代谢)电能电能电能电能(生物电生物电生物电生物电)热能热能热能热能(维持体温维持体温维持体温维持体温)生物体内能量生物体内能量的储存和利用都以的储存和利用都以ATP为中心。为中心。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概念概念 在在线线粒粒体体内内膜膜上上具具有有氧氧化化还还原原功功能能的的酶酶和和辅辅酶酶按按一一定定顺顺序序排排列列组组成成，能能传传递递氢氢和和电电子子的的链链 式式 反反 应应 体体 系系 称称 为为 电电 子子 传传 递递 链链（electron transfer chain）。）。由由于于电电子子传传递递过过程程与与细细胞胞呼呼吸吸有有关关，又又称称呼吸链（呼吸链（respiratory 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）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-氧化呼吸链由氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成种具有传递电子能力的复合体组成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）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）泛泛 醌醌 不包含在上述四种复合体中。不包含在上述四种复合体中。（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1，Cyt a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1.复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌u组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白u电子传递：电子传递：NADFMN Fe-S CoQ NADH+H+FMN NAD+FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+辅辅酶酶I，Co I 辅辅酶酶II，Co IINAD+（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。结构：含核黄素（维生素结构：含核黄素（维生素B2）；）；功能部位：异咯嗪环上功能部位：异咯嗪环上N1和和N5功能：功能：FMN+2H FMNH2FMNH HFMN结构：铁硫中心结构：铁硫中心(Fe-S)，含有等量铁原子和硫原子，含有等量铁原子和硫原子作用：参与复合体作用：参与复合体I、II、III的组成的组成 传递传递单单电子：电子：Fe2+Fe3+e 表示无机硫表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 铁硫中心铁硫中心 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫化学本质：化学本质：化学本质：化学本质：脂溶性醌类化合物，脂溶性醌类化合物，辅酶辅酶Q,CoQ,Q结构：结构：结构：结构：由多个由多个异戊二烯异戊二烯连接形成较长的连接形成较长的疏水疏水侧链侧链作用：作用：作用：作用：传递传递双双电子，电子，CoQ+2H CoQH2 泛泛 醌醌 电子传递次序：电子传递次序：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 具有质子泵功能：具有质子泵功能：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侧从内膜基质侧泵到胞浆侧复合体复合体的功能的功能 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uu 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白组成：黄素蛋白、铁硫蛋白uu电子传递电子传递:琥珀酸琥珀酸FAD Fe-S FAD Fe-S CoQCoQ琥珀酸琥珀酸 FAD 延胡索酸延胡索酸 FADH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH22.复合体复合体:琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶复合体复合体没有没有H+泵的功能泵的功能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 又称细胞色素又称细胞色素b-c1复合体：复合体：细胞色素细胞色素b(b562,b566)细胞色素细胞色素c1 一种可移动的铁硫蛋白一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。562566泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C 还原酶还原酶同二聚体结构同二聚体结构 b bHH ：b562 C C1 1b bL L：b566Fe-S是一类催化电子传递的酶类，辅基：血红素是一类催化电子传递的酶类，辅基：血红素分类：根据吸收光谱分类：根据吸收光谱 Cyt a Cyt b Cyt c 作用：传递单电子作用：传递单电子 Fe3+e Fe2+细细 胞胞 色色 素（素（Cytochrome，Cyt）各种细胞色素的差别在于各种细胞色素的差别在于卟啉环的取代基团卟啉环的取代基团卟啉环的取代基团卟啉环的取代基团及及铁卟啉与蛋白部分连接的方式铁卟啉与蛋白部分连接的方式铁卟啉与蛋白部分连接的方式铁卟啉与蛋白部分连接的方式血红素血红素血红素血红素b b血红素血红素血红素血红素a a血红素血红素血红素血红素c c血红素血红素血红素血红素b b血红素中的铁原子可进行血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传反应传递电子递电子,属单电子传递体。属单电子传递体。复合体复合体的的功能：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c 电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cyt c1Cyt c具有质子泵作用：具有质子泵作用：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+电子传递过程：电子传递过程：“Q循环循环”具有质子泵作用：具有质子泵作用：每传每传递递2个电子向内膜胞浆个电子向内膜胞浆侧释放侧释放4个个H+Cyt c：呼吸链唯一水呼吸链唯一水溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包含，不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。复合体复合体传递电子的过程传递电子的过程:Q循环循环(Q cycle)（1 1）第一分子）第一分子QHQH2 2氧化过程氧化过程（2）第二分子）第二分子QH2氧化过程氧化过程 QH2QH2Fe2S22H+Q QQe e c1e e e e e e bLbHQ0Qie e QH2QH2Fe2S22H+Q QQe e c1e e e e e e bLbHQ0Qie e QH22H+Q Q Q ：半：半：半：半醌阴离子醌阴离子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)组成：组成：CuA、Cyt a、Cyt a3、CuB 4个氧化还原中心个氧化还原中心电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt 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。（Fe3+和和Cu2+）4.复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶4.复合体:细胞色素c氧化酶复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程2H+2H2O细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyt a3中心使中心使O2还原成水的过程还原成水的过程复合体复合体的功能的功能u 功能：功能：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 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3-CuB Cyt a3 和和CuB形成活性双核中心将电子交给形成活性双核中心将电子交给O2。每每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆侧转移跨内膜向胞浆侧转移。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）复合体复合体细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶16213血红素血红素a，a3，CuA,CuBCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）泛泛 醌醌:不包含在上述四种复合体中。不包含在上述四种复合体中。细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1，Cyt a 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-Q:同时传递电子和质子（同时传递电子和质子（H+）的辅酶有）的辅酶有 ：A:辅酶辅酶Q B:铁硫蛋白铁硫蛋白 C：FMN D:细胞色素细胞色素aa3AC 由以下实验确定由以下实验确定:标准氧化还原电位标准氧化还原电位 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 拆开和重组拆开和重组（二）（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序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*电子传递方向：电子传递方向：电子传递方向：电子传递方向：(还原电位还原电位还原电位还原电位)低低低低 高高高高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.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O2NADH氧化呼吸氧化呼吸链链FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链IIIIIVQCIIQIIICIV NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链CytCyt b bL LCytCyt b bHHFeFe-S-S CytCyt c c1 1CuAaa3-CuB 二、二、氧化磷酸化氧化磷酸化*定义定义氧氧化化磷磷酸酸化化(oxidative phosphorylation)是是指指在在代代谢谢物物脱脱下下的的氢氢经经电电子子传传递递链链传传递递给给氧氧生生成成H2O时时，释释放放出出的的能能量量使使ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP的过程的过程。*实质：实质：氢的氧化氢的氧化 ADP的磷酸化的磷酸化偶偶 联联底物水平磷酸化底物水平磷酸化合酶合酶底物分子内部能量重新分布，生成高能键，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。不经电子传递。的过程。不经电子传递。ATPATP ATP （一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位1.氧化磷酸化偶联部位：三个氧化磷酸化偶联部位：三个氧化磷酸化偶联部位：三个氧化磷酸化偶联部位：三个2.复合体复合体复合体复合体、（1）自由能变化）自由能变化 G=-n FE 2.2.确定氧化磷酸化偶联部位的方法确定氧化磷酸化偶联部位的方法确定氧化磷酸化偶联部位的方法确定氧化磷酸化偶联部位的方法 （2）P/O比值比值概念：概念：指氧化磷酸化过程中，每消耗指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所生成所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成吸链传递给氧所生成ATP分子数）。分子数）。测定方法：测定方法：测定方法：测定方法：离体离体 +不同不同 羟丁酸羟丁酸 线粒体线粒体 底物底物 琥珀酸琥珀酸 保温保温 维生素维生素C ADP、Pi、Mg2+测定测定氧氧磷磷消消耗耗量量底底 物物电子传递链电子传递链P/O比比值值生成生成ATP数数羟丁酸羟丁酸NAD+复合体复合体I CoQ 复合体复合体III c 复合体复合体IV O22.52.52.52.5琥珀酸琥珀酸 复合体复合体II CoQ 复合体复合体III c 复合体复合体IV O21.51.51.51.5维生素维生素C c 复合体复合体IV O2 0.881细胞色素细胞色素c(Fe2+)复合体复合体IV O20.61 0.681离体线粒体的离体线粒体的P/O比值比值Q:线粒体外线粒体外NADH经经-磷酸甘油磷酸甘油穿梭作用进到线穿梭作用进到线粒体内完成氧化磷酸化，其粒体内完成氧化磷酸化，其P/OP/O？丙酮酸、丙酮酸、-酮戊二酸酮戊二酸硫辛酸硫辛酸FAD-羟丁酸羟丁酸、苹果酸、异苹果酸、异柠檬酸、谷氨酸柠檬酸、谷氨酸 、酯酰、酯酰CoA、-甘油磷酸甘油磷酸抗坏血酸抗坏血酸细胞色素细胞色素c(Fe2+)ATPATP ATP (肝，心肌）肝，心肌）(脑，骨骼肌）脑，骨骼肌）1.5（二）氧化磷酸化的偶联机制（二）氧化磷酸化的偶联机制1.1.化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmoticchemiosmotic hypothesis)hypothesis)-1978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生成生成ATP。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 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。2.ATP合酶合酶疏水部分疏水部分,亚基亚基:a1b2c912ATP合酶结构模式图合酶结构模式图亲水部分亲水部分,亚基亚基:33,33,OSCP,OSCP,IF1IF1亚基亚基亚基亚基)（1 1）结构）结构）结构）结构(2)质子通过质子通过ATP合酶合酶Fo顺浓度梯度回流使顺浓度梯度回流使F1亚基旋转亚基旋转 ATP合酶合酶 Fo中中a亚基和亚基和c亚基结构示意亚基结构示意 半通道：亲水半通道：亲水线粒体内膜：疏水线粒体内膜：疏水 c环环与与 亚亚基基紧紧密密相相连连，当当 c环环旋旋转转时时会会带动带动 亚基旋转。亚基旋转。胞胞浆浆半半通通道道基基质质半半通通道道HH+当当H+顺顺浓浓度度梯梯度度经经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，亚基发生旋转，亚基发生旋转，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(3)亚基旋转使亚基旋转使亚基构象改变导致亚基构象改变导致ATP合成和释放合成和释放 L L：疏松型；：疏松型；：疏松型；：疏松型；T T：紧密型；：紧密型；：紧密型；：紧密型；OO：开放型：开放型：开放型：开放型三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3.ATP合酶抑制剂合酶抑制剂对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制剂（一）抑制剂鱼藤酮鱼藤酮鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素粉蝶霉素粉蝶霉素A A A A异戊巴比妥异戊巴比妥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Q：氰化物中毒是由于抑：氰化物中毒是由于抑制了哪种细胞色素？制了哪种细胞色素？解偶联蛋白（解偶联蛋白（UCP)作用机制（作用机制（棕色脂肪组织线粒体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+H H+ADP+Pi ATP w熊冬眠熊冬眠l婴儿及初生婴儿及初生的哺乳动物的哺乳动物维持体温维持体温棕色脂肪组织（含大量线粒体，内膜存在解偶联蛋白）寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图+-H+H+（二）（二）ADP的调节作用的调节作用主要因素主要因素：ADP氧化磷酸化氧化磷酸化（三）甲状腺激素（三）甲状腺激素诱导诱导Na+,K+ATP酶酶ATP加速分解加速分解ADP解偶联蛋白基因表达解偶联蛋白基因表达产热产热（四）线粒体（四）线粒体DNA(mtDNA)突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。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四、线粒体内膜的物质转运四、线粒体内膜的物质转运 线粒体外膜：通透性高线粒体外膜：通透性高 线粒体内膜：对物质通过的有严格的选择性线粒体内膜：对物质通过的有严格的选择性 物质的转运主要依赖于中不同转运蛋白物质的转运主要依赖于中不同转运蛋白(transporter)（一）胞浆中（一）胞浆中NADH的氧化的氧化 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粒体，进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有主要有-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)1.-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 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 脱脱氢氢酶酶 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 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸谷氨酸转运蛋白转运蛋白-酮酮戊二酸戊二酸转转运蛋白运蛋白 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮酮戊二酸戊二酸 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 （二）（二）ADP与与ATP反向转运反向转运腺苷酸转位酶（腺苷酸转位酶（adenine nucleotide translocase）又称腺苷酸转运蛋白。又称腺苷酸转运蛋白。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，向内膜外净反向转运时，向内膜外净转移转移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。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 第三节第三节 不生成不生成ATP的氧化途径的氧化途径Oxidation Without ATP Generation参与呼吸链以外的氧化过程；参与呼吸链以外的氧化过程；不伴随磷酸化，不生成能量；不伴随磷酸化，不生成能量；主要与代谢物、药物、毒物的生物转化有关主要与代谢物、药物、毒物的生物转化有关非线粒体氧化体系同线粒体氧化体系非线粒体氧化体系同线粒体氧化体系的区别的区别一、微粒体细胞色素一、微粒体细胞色素P450单加氧酶单加氧酶 催化底物分子羟化催化底物分子羟化单加氧酶单加氧酶(monoxygenase)RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450(Cyt P450)参与。参与。催催化化氧氧分分子子中中一一个个氧氧原原子子加加到到底底物物分分子子中中（羟羟化化），故故也也称称羟羟羟羟化化化化酶酶酶酶(hydroxylase)；同同时时将将另另一一个个氧氧原原子子与与NADPH+H+中中的的2H结结合合生生成成水水，故故又又称称混混混混合功能氧化酶合功能氧化酶合功能氧化酶合功能氧化酶(mixed-function oxidase)。二、生物氧化过程中产生反应活性氧类二、生物氧化过程中产生反应活性氧类n反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS)O2e-O2-e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类反应活性氧类nROS主主要来源要来源线粒体：线粒体：，是体内，是体内O2-的主要来源；的主要来源；O2-在在线粒体中再生成线粒体中再生成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将从脂肪酸等底物获得的电子交给子交给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（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成化生成O2-。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等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。需氧脱氢酶和氧化酶需氧脱氢酶和氧化酶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 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 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。谷胱甘谷胱甘肽还原酶肽还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 3、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)小结小结【掌握掌握】w1 1生物氧化的概念及生理意义；生物氧化的概念及生理意义；w2 2呼吸链的概念。线粒体的两条呼吸链呼吸链的概念。线粒体的两条呼吸链NADHNADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链的组成成分和排列氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链的组成成分和排列顺序；顺序；w3 3氧化磷酸化的概念及氧化磷酸化的偶联部位；氧化磷酸化的概念及氧化磷酸化的偶联部位；w4 4高能磷酸化合物的类型。高能磷酸化合物的类型。ATPATP的利用；的利用；w5 5ATPATP合酶的结构及合酶的结构及ATPATP合成的机制；合成的机制；w6 6影响氧化磷酸化的因素；影响氧化磷酸化的因素；w7 7胞液中胞液中NADHNADH氧化的两种转运机制：氧化的两种转运机制：-磷酸甘油磷酸甘油穿梭及苹果酸天冬氨酸穿梭。穿梭及苹果酸天冬氨酸穿梭。名词解释名词解释w生物氧化生物氧化w呼吸链呼吸链w氧化磷酸化氧化磷酸化w底物水平磷酸化底物水平磷酸化wP/O比值比值w-磷酸甘油穿梭作用磷酸甘油穿梭作用w苹果酸穿梭作用苹果酸穿梭作用w 解偶联剂解偶联剂解偶联剂解偶联剂w混合功能氧化酶混合功能氧化酶混合功能氧化酶混合功能氧化酶(单加氧酶单加氧酶单加氧酶单加氧酶)思思 考考 题题1.简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与简述生物氧化与物质在体外氧化的联系与区别区别2.2.简述呼吸链的组成成分及排列顺序及简述呼吸链的组成成分及排列顺序及ATP的生成部位的生成部位 3.3.影响氧化磷酸化的因素有哪些？其作用影响氧化磷酸化的因素有哪些？其作用机制是什么？机制是什么？4.线粒体外生成的线粒体外生成的NADH在有氧情况下在有氧情况下,如何如何进入线粒体内彻底氧化进入线粒体内彻底氧化?诺贝尔医学奖向中国人招手诺贝尔医学奖向中国人招手?w屠呦呦获屠呦呦获拉斯克奖拉斯克奖”w这个国际生物医学大奖被视这个国际生物医学大奖被视为诺贝尔奖为诺贝尔奖“风向标风向标”w 获奖原因为获奖原因为“发现了治疗疟发现了治疗疟疾的药物疾的药物青蒿素青蒿素”w“离诺贝尔奖最近的离诺贝尔奖最近的女人女人”