2011-04-02第11次第8章

1、2021/8/141第八章 生 物 氧 化 與 能量 代 謝2021/8/142 物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的 過 程 稱 為的 過 程 稱 為 生 物 氧 化生 物 氧 化 ( b i o l o g i c a l oxidation)。有機(jī)物有機(jī)物 + O2CO2 + H2O + 能量能量2021/8/143糖原糖原 甘油三酯甘油三酯 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 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 呼吸鏈呼吸鏈 ADP+Pi ATP 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程2021/8/144第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化生物氧化 （一）、生物

2、氧化的方式與特點(diǎn)（一）、生物氧化的方式與特點(diǎn)2021/8/1452021/8/1462021/8/1472021/8/1482021/8/149 在線粒體中，由若干在線粒體中，由若干遞氫體遞氫體或或遞電子體遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)的程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱為稱為呼吸鏈呼吸鏈(respiratory chain)。（二）、呼 吸 鏈2021/8/1410 構(gòu)成呼吸鏈的構(gòu)成呼吸鏈的遞氫體遞氫體或或遞電子體遞電子體通常以復(fù)通常以復(fù)合體的形式存在于合體的形式存在于線線粒體內(nèi)膜粒體內(nèi)膜上。上。2021/8/1411（一）呼吸鏈的組成（一

3、）呼吸鏈的組成2021/8/14121 1復(fù)合體復(fù)合體（NADH-NADH-泛醌還原酶）：泛醌還原酶）：NADH還原酶還原酶 + 4(Fe-S)FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADHCoQ2021/8/14132 2復(fù)合體復(fù)合體（琥珀酸（琥珀酸- -泛醌還原酶）：泛醌還原酶）： 琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶+3(Fe-S)+Cyt b560FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸CoQ2021/8/14143 3復(fù)合體復(fù)合體（泛醌（泛醌- -細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c還原酶）：還原酶）：2Cyt b + Cyt

4、c1 +(Fe-S)b562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 2021/8/1415Cyt a + Cyt a3 4 4復(fù)合體復(fù)合體（細(xì)胞色素（細(xì)胞色素c c氧化酶）：氧化酶）：CuAaa3CuB 還原型還原型Cyt c O22021/8/1416泛醌（泛醌（CoQCoQ） 泛醌泛醌（輔酶（輔酶Q, CoQ, Q）是游離存在于線粒體內(nèi)）是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機(jī)化合物，由多個異戊二烯連接膜中的脂溶性有機(jī)化合物，由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反），氧化還原反應(yīng)時可在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變。應(yīng)時可在醌型與氫醌型之間

5、相互轉(zhuǎn)變。2021/8/1417（二）呼吸鏈組分的排列順序（二）呼吸鏈組分的排列順序2021/8/1418氧化呼吸鏈的組成氧化呼吸鏈的組成 NADH NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH NADH 復(fù)合體復(fù)合體Q Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體OO2 2 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸 復(fù)合體復(fù)合體 Q Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體OO2 22021/8/1419胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 氧化呼吸鏈的排列順氧化呼吸鏈的排列順序序Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-

6、e-e-e-NADH+H+ NAD+ 2021/8/1420兩條電子傳遞鏈的關(guān)系兩條電子傳遞鏈的關(guān)系2021/8/1421二、氧化磷酸化 1. 1. 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化： 直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉⒌孜锓肿又械母吣苕I轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷底物水平磷酸化酸化(substrate level phosphorylation)。 （一）生物體內(nèi)（一）生物體內(nèi)ATPATP的生成方式的生成方式2021/8/1422 底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP

7、3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸丙酮酸+ATP琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP2021/8/14232. 2. 氧化磷酸化：氧化磷酸化： 在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能遞氫體系傳遞給氧，在此過程中釋放能量使量使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，這種能量的，這種能量的生成方式就稱為生成方式就稱為氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylatio

8、n)。2021/8/1424核苷酸的命名及縮寫符號核苷酸的命名及縮寫符號脫氧脫氧堿基堿基磷酸基數(shù)目磷酸基數(shù)目磷酸磷酸d dA AMMP PGGD DT TT TC CUU2021/8/1425（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位1. P/O1. P/O比值：比值： 通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的與無機(jī)磷酸消耗之間的比例比例關(guān)系，可以反關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與映底物脫氫氧化與ATPATP生成之間的比例生成之間的比例關(guān)系。關(guān)系。 每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)稱為的摩

9、爾數(shù)稱為P/OP/O比值比值。 2021/8/1426線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/OP/O比值比值2021/8/1427 合成合成1molATP時，需要提供的能量至少為時，需要提供的能量至少為G0=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位，相當(dāng)于氧化還原電位差差E0=0.2V。 因此，在因此，在NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈中有中有三三處可以處可以生成生成ATP，而在，而在琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈中，只中，只有有兩兩處可以生成處可以生成ATP。2. 2. 自由能變化與自由能變化與ATPATP的生成部位：的生成部位：2021/8/1428氧化磷酸化的偶

10、聯(lián)部位氧化磷酸化的偶聯(lián)部位2021/8/1429（三）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制（三）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1. 1. 化學(xué)滲透假說：化學(xué)滲透假說： 目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由年由Peter Mitchell提出的提出的化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說(chemios-motic hypothesis)。2021/8/1430化學(xué)滲透假說的基本要點(diǎn)化學(xué)滲透假說的基本要點(diǎn) 該學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，該學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時，H+通過氫泵作用被排斥到通過氫泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形

11、成線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜跨膜pH梯度梯度和和跨膜電位差跨膜電位差。 當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時，這種形式的當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時，這種形式的“勢能勢能”可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶合酶利用，利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成結(jié)合而合成ATP。2021/8/1431質(zhì)子梯度的形成質(zhì)子梯度的形成2021/8/14322021/8/1433ATPATP的合成的合成 當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時，這種基質(zhì)中時，這種“勢勢能能”可被位于線粒體可被位于線粒體內(nèi)膜上的內(nèi)膜上的ATP合酶合酶利利用以合成用以合成ATP

12、。 2021/8/1434 嵌于線粒體內(nèi)膜上，嵌于線粒體內(nèi)膜上，其頭部呈顆粒狀，其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內(nèi)膜突出于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。的基質(zhì)側(cè)。膜間腔膜間腔基質(zhì)基質(zhì)2. ATP2. ATP合酶：合酶：2021/8/1435ATPATP合成模式圖合成模式圖2021/8/1436氧化磷酸化的抑制劑氧化磷酸化的抑制劑2021/8/1437（一）（一）ATPATP循環(huán)循環(huán) ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨通用貨幣幣”之稱。之稱。ATP分子中含有兩個高能磷酸酐鍵分子中含有兩個高能磷酸酐鍵（A-PPP），均可以水解供能。），均可以水解供能。 ATP水解為水解為

13、ADP并供出能量之后，又可通過氧化并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)循環(huán)。 三、高能磷酸鍵的儲存與釋放2021/8/1438ATPATP循環(huán)循環(huán)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 機(jī)械能機(jī)械能( (肌肉收縮肌肉收縮) )滲透能滲透能( (物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運(yùn)) ) 化學(xué)能化學(xué)能( (合成代謝合成代謝) )電能電能( (生物電生物電) )熱能熱能( (維持體溫維持體溫) )2021/8/1439 生物化學(xué)中常將水解時釋放的能量生物化學(xué)中常將水解時釋放的能量20kJ/mol的磷酸鍵稱

14、為的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵高能磷酸鍵。主要。主要有以下幾種類型：有以下幾種類型：1磷酸酐鍵磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，：包括各種多磷酸核苷類化合物，如如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及及PPi等，水解后可釋放出等，水解后可釋放出30.5kJ /mol的自由能。的自由能。 （二）高能磷酸鍵的類型（二）高能磷酸鍵的類型2021/8/14402混合酐鍵混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在二磷酸甘油酸等化合物。在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解可釋放出標(biāo)準(zhǔn)條件下水解可釋放出61.9kJ/mol的自由的

15、自由能。能。3烯醇磷酸鍵烯醇磷酸鍵：見于磷酸烯醇式丙酮酸中，：見于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可釋放出水解后可釋放出61.9kJ/mol的自由能。的自由能。4磷酸胍鍵磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，水解后可釋：見于磷酸肌酸中，水解后可釋放出放出43.9kJ/mol的自由能。的自由能。 2021/8/1441幾種常見的高能化合物幾種常見的高能化合物2021/8/1442 磷酸肌酸（磷酸肌酸（creatine phosphate, CP）是是骨骼肌骨骼肌和和腦組織腦組織中中能量的貯存形式能量的貯存形式。 磷酸肌酸中的高能磷酸鍵磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用不能被直接利用，必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給必

16、須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能，才能供生理活動之需。供生理活動之需。 反應(yīng)過程由反應(yīng)過程由磷酸肌酸激酶（磷酸肌酸激酶（CPK）催化完催化完成。成。2021/8/1443磷酸肌酸激酶的作用磷酸肌酸激酶的作用2021/8/1444（三）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移（三）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移 在生物體內(nèi)，除了可直接使用在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于用于糖原的合成糖原的合成，CTP用于用于磷脂的合磷脂的合成成，GTP用于用于蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成等。等。核苷單磷酸激酶核苷單磷酸激酶NMP + ATPND

17、P + ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NDP + ATPNTP + ADP2021/8/1445五、線粒體外NADH的穿梭 胞液中的胞液中的3-磷酸甘油醛，磷酸甘油醛，3-磷酸甘油磷酸甘油或或乳乳酸酸脫氫，均可產(chǎn)生脫氫，均可產(chǎn)生NADH。 這些這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生化磷酸化，產(chǎn)生H2O和和ATP。 2021/8/1446（一）磷酸甘油穿梭系統(tǒng)（一）磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 主要存在于主要存在于腦腦和和骨骼肌骨骼肌中。中。 NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進(jìn)入通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進(jìn)入線粒體，由于經(jīng)線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化

18、呼吸鏈進(jìn)行氧進(jìn)行氧化磷酸化，故只能產(chǎn)生化磷酸化，故只能產(chǎn)生2分子分子ATP。2021/8/1447 線粒體線粒體 內(nèi)膜內(nèi)膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間腔膜間腔 線粒體線粒體 基質(zhì)基質(zhì)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸鏈呼吸鏈 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ - -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶2021/8/1448（二）蘋果酸穿梭系統(tǒng)（二）蘋果酸穿梭系統(tǒng) 主要存在于主要存在于肝肝和和心肌心肌中。中。 胞液中胞液中NADH+H+的一對氫原子經(jīng)此穿梭系的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子，由于經(jīng)統(tǒng)帶入一對氫原子，由于經(jīng)NADH氧化呼吸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故可生成鏈進(jìn)行氧化磷酸化，故可生成3分子分子ATP。 2021/8/14492021/8/1450谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸蘋果酸- - - -酮酮 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體 胞液胞液 基質(zhì)基質(zhì) NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C