生物化學(xué)-第六章生物氧化

1、第六章第六章生物氧化生物氧化Biological oxidation我們整體行為單個(gè)細(xì)胞的能量從何而來的問題?食物的攝入 ATP的獲得機(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(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)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) )（一）（一） 新陳代謝的概念新陳代謝的概念新陳代謝新陳代謝 合成代謝合成代謝（同化作用）（同化作用） 分解代謝分解代謝（異化作用）（異化作用）生物小分子合成為生物小分子合成為生物大分子生物大分子需要能量需要能量釋放能量釋放能量生物大分子分解為生物大分子分解為生物小分子

2、生物小分子能量能量代謝代謝物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝新陳代謝的共同特點(diǎn)：新陳代謝的共同特點(diǎn)：1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2. 諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3. 對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。4.是長期進(jìn)化形成的，生物界其基本過程十分相似。是長期進(jìn)化形成的，生物界其基本過程十分相似。琥珀酰琥珀酰CoA 延胡索酸延胡索酸草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸檸檬酸檸檬酸乙酰乙酰CoA丙酮酸丙酮酸PEP磷酸丙糖磷酸丙糖葡萄糖或糖原葡萄糖或糖原糖糖-磷酸甘油磷酸甘油脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪甘油三酯甘油三酯乙酰乙酰乙酰乙酰CoA丙氨酸丙氨酸半胱氨酸半

3、胱氨酸絲氨酸絲氨酸蘇氨酸蘇氨酸色氨酸色氨酸異亮氨酸異亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰胺天冬酰胺苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸異亮氨酸異亮氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸絲氨酸絲氨酸 蘇氨酸蘇氨酸 纈氨酸纈氨酸酮體酮體亮氨酸亮氨酸 賴氨酸賴氨酸酪氨酸酪氨酸 色氨酸色氨酸 苯丙氨酸苯丙氨酸 谷氨酸谷氨酸精氨酸精氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺組氨酸組氨酸 纈氨酸纈氨酸CO2CO2氨基酸、糖及脂肪代謝的聯(lián)系氨基酸、糖及脂肪代謝的聯(lián)系T A C目目 錄錄糖原糖原 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 共同中間產(chǎn)

4、物共同中間產(chǎn)物共同最終共同最終代謝通路代謝通路三大營養(yǎng)素三大營養(yǎng)素w第第1節(jié)節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述w第第2節(jié)節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化呼吸鏈與氧化磷酸化w第第3節(jié)節(jié) 呼吸鏈功能調(diào)節(jié)呼吸鏈功能調(diào)節(jié)第一節(jié)第一節(jié)生物氧化概述生物氧化概述Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation 一、體內(nèi)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)就是生物一、體內(nèi)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)就是生物氧化氧化泛指在生物體內(nèi)發(fā)生的任何氧化還原反應(yīng)，也泛指在生物體內(nèi)發(fā)生的任何氧化還原反應(yīng)，也包括營養(yǎng)物和生物分子在生物體（細(xì)胞）內(nèi)進(jìn)行的包括營養(yǎng)物和生物分子在生物體（細(xì)胞）

5、內(nèi)進(jìn)行的氧化還原作用。營養(yǎng)物和生物分子經(jīng)歷氧化還原反氧化還原作用。營養(yǎng)物和生物分子經(jīng)歷氧化還原反應(yīng)被徹底分解，產(chǎn)生應(yīng)被徹底分解，產(chǎn)生H2O、CO2，并伴有，并伴有ATP的生的生成，或轉(zhuǎn)化為其它分子成，或轉(zhuǎn)化為其它分子, 此過程需耗氧、排出此過程需耗氧、排出CO2，又在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，故又稱又在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，故又稱細(xì)胞呼吸細(xì)胞呼吸( (cellular respiration) )。* * 生物氧化生物氧化（biological oxidation） 一般來說，呼吸就是一種緩慢一般來說，呼吸就是一種緩慢的碳和氫的燃燒作用，這完全類似在的碳和氫的燃燒作用，這完全類似在一盞煤油燈和蠟燭中發(fā)生的事，從這

6、一盞煤油燈和蠟燭中發(fā)生的事，從這個(gè)角度看，呼吸著的動(dòng)物是真正的可個(gè)角度看，呼吸著的動(dòng)物是真正的可燃體，它們?nèi)紵⑾乃麄冏约喝俭w，它們?nèi)紵⑾乃麄冏约阂粋€(gè)人因此可以說，從降生到這個(gè)世一個(gè)人因此可以說，從降生到這個(gè)世界并開始呼吸開始，生命的火炬的點(diǎn)界并開始呼吸開始，生命的火炬的點(diǎn)亮了他自己，直到死亡火炬才會熄滅亮了他自己，直到死亡火炬才會熄滅法國大革命法國大革命糖糖 脂肪脂肪 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP熱能熱能二、二、 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程* * 生物氧化特點(diǎn)：生物氧化特點(diǎn)：生物分子在體內(nèi)的反應(yīng)條件溫和，生物分子在體內(nèi)的反應(yīng)條件溫和，逐步反應(yīng)

7、，逐步釋能，常伴有分解釋能反應(yīng)與需能逐步反應(yīng)，逐步釋能，常伴有分解釋能反應(yīng)與需能反應(yīng)偶聯(lián)，或能量形式的轉(zhuǎn)換。反應(yīng)偶聯(lián)，或能量形式的轉(zhuǎn)換。乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸CH3CH(OH)COOH CH3COCOOH+2HFe2+ Fe3+ + e-RCHO+1/2O2 RCOOH 醛醛 酸酸 為細(xì)胞內(nèi)恒定條件下酶促反為細(xì)胞內(nèi)恒定條件下酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放，生成生成ATP。 加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)間接獲加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)間接獲得氧，脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生得氧，脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。生物氧化生物氧化體外氧化體外氧化 為不恒定條件下非酶

8、為不恒定條件下非酶促反應(yīng)，能量以熱能形促反應(yīng)，能量以熱能形式突然釋放。式突然釋放。 產(chǎn)生的產(chǎn)生的CO2、H2O由由物質(zhì)中的碳和氫直接與物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。氧結(jié)合生成。 耗氧、釋放能量、終產(chǎn)物（耗氧、釋放能量、終產(chǎn)物（CO2，H2O）均相同。）均相同。一般將一般將G 大于大于ATP（包括（包括ATP），或），或G 大于大于21 kJ/mol的磷酸化合物稱為高能磷的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。酸化合物。用符號用符號P表示高能磷酸鍵。表示高能磷酸鍵。（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解時(shí)釋放（一）高能磷酸化合物的磷?；鈺r(shí)釋放出大量自由能出大量自由能高能磷酸化合物高能磷酸化合物: :三、

9、三、ATPATP: : 能量貨幣能量貨幣幾種常見的高能化合物幾種常見的高能化合物（二）（二）ATP是最重要的高能磷酸化合物是最重要的高能磷酸化合物 體內(nèi)許多代謝物的體內(nèi)許多代謝物的“活化活化” 反應(yīng)（吸能）大反應(yīng)（吸能）大多直接或間接地與多直接或間接地與ATP酸酐鍵的水解放能反應(yīng)相酸酐鍵的水解放能反應(yīng)相偶聯(lián)，使偶聯(lián)，使“活化活化”反應(yīng)能順利進(jìn)行。反應(yīng)能順利進(jìn)行。 OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶己糖激酶(hexokinase) OHOHOHHOHHOHHOCH2H6- 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖PP磷酸肌酸作為肌和腦中能量的一種磷酸肌酸作為肌和腦中能

10、量的一種儲存形式儲存形式ATP充足充足ATP不足不足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(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)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) )生物體內(nèi)能生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換都是量的轉(zhuǎn)換都是以以ATP為中為中心的。心的。人體內(nèi)人體內(nèi)ATP的的來源和去來源和去路（路（ATPATP循環(huán)）循環(huán)）: : w 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，還使供能外，還使用其他形式的高能

11、磷酸鍵供能，如用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于用于糖原糖原的合成的合成，CTP用于用于磷脂的合成磷脂的合成，GTP用于用于蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的合成的合成等。等。核苷單磷酸激酶核苷單磷酸激酶NMP + ATPNDP + ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NDP + ATPNTP + ADP（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 高能鍵轉(zhuǎn)移高能鍵轉(zhuǎn)移ATP + UDPCDPGDPADP + UTP（糖原合成）（糖原合成）CTP（磷脂合成）（磷脂合成）GTP（蛋白質(zhì)合成）（蛋白質(zhì)合成）第二節(jié)第二節(jié) 呼吸鏈與氧化磷酸化呼吸鏈與氧化磷酸化呼吸鏈學(xué)習(xí)的關(guān)鍵點(diǎn)呼吸鏈學(xué)習(xí)的關(guān)鍵點(diǎn)營養(yǎng)物氧化

12、營養(yǎng)物氧化電子傳遞電子傳遞質(zhì)子泵流質(zhì)子泵流ATP合成合成w真核細(xì)胞真核細(xì)胞ATP的生成主要發(fā)生在線粒體中。營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)的生成主要發(fā)生在線粒體中。營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)脫氫酶脫氫酶催化脫下的成對氫原子（催化脫下的成對氫原子（NADH+H+，F(xiàn)ADH2），），再通過位于線粒體內(nèi)膜上多種酶和輔酶催化的氧化還原連再通過位于線粒體內(nèi)膜上多種酶和輔酶催化的氧化還原連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。氧化反應(yīng)逐步釋鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。氧化反應(yīng)逐步釋放的能量可同時(shí)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜外側(cè)，形成跨線放的能量可同時(shí)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜外側(cè)，形成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，該梯度勢能再促進(jìn)粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，該

13、梯度勢能再促進(jìn)ATP的生成。的生成。w營養(yǎng)物氧化、電子傳遞、質(zhì)子泵流和營養(yǎng)物氧化、電子傳遞、質(zhì)子泵流和ATP合成等過程結(jié)合成等過程結(jié)合偶聯(lián)成一個(gè)整體合偶聯(lián)成一個(gè)整體, 高效完成線粒體的呼吸作用。高效完成線粒體的呼吸作用。一、總一、總 述述呼吸鏈的定義呼吸鏈的定義在線粒體內(nèi)膜中在線粒體內(nèi)膜中，代謝物上的氫原子被，代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，并與之結(jié)合生最后傳遞給被激活的氧分子，并與之結(jié)合生成水的全部體系稱成水的全部體系稱呼呼吸吸鏈或電鏈或電子傳遞子傳遞鏈鏈。呼吸鏈就是由電子傳遞體組成的氧化呼吸鏈就是由電子

14、傳遞體組成的氧化還原體系還原體系組成組成電子傳遞體電子傳遞體呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置人線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體人線粒體呼吸鏈酶復(fù)合體1. 1. 復(fù)合體復(fù)合體將將NADH+H+中的兩個(gè)質(zhì)子中的兩個(gè)質(zhì)子/ /電子電子傳遞給泛醌傳遞給泛醌（ubiquinone） 復(fù)合體復(fù)合體又稱又稱NADH-泛泛醌氧化還原酶醌氧化還原酶,以以FMN、Fe-S為輔基為輔基復(fù)合體復(fù)合體電子傳遞電子傳遞：每傳遞每傳遞2個(gè)電子可將個(gè)電子可將4個(gè)個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，漿側(cè)，復(fù)合體復(fù)合體有質(zhì)子有質(zhì)子泵功能泵功能NADH CoQ FMNFe-SNAD+（NADP+

15、） 的加氫和脫氫反應(yīng)的加氫和脫氫反應(yīng)氧化還原反應(yīng)的變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。氧化還原反應(yīng)的變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。FMN的加氫和脫氫反應(yīng)的加氫和脫氫反應(yīng)FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧結(jié)構(gòu)中含核黃素，功能部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN 。鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳反應(yīng)傳遞電子。遞電子。 表示無機(jī)硫表示無機(jī)硫 鐵硫簇鐵硫簇(iron-sulfur cluster )的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)泛醌（泛醌（Co

16、enzyme Q , CoQ, Q）由）由10個(gè)異戊二個(gè)異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），在線粒），在線粒體中能夠體中能夠自由擴(kuò)散自由擴(kuò)散.氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。物半醌型泛醌。泛醌的加氫和脫氫反應(yīng)泛醌的加氫和脫氫反應(yīng) 目前推測復(fù)合體目前推測復(fù)合體中電子傳遞順序如下：中電子傳遞順序如下：NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2 復(fù)合體復(fù)合體是是三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)中的中的琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶，又稱又稱琥珀酸琥珀酸-泛醌還原酶泛醌還原酶, 4個(gè)亞基組成，

17、以個(gè)亞基組成，以FAD、Fe-S為輔基為輔基 電子傳遞：電子傳遞：琥珀酸琥珀酸FAD幾種幾種Fe-S CoQ 釋放的自由能小釋放的自由能小, 復(fù)合體復(fù)合體沒有沒有H+泵的功能泵的功能2. 復(fù)合體復(fù)合體將質(zhì)子將質(zhì)子/電子從琥珀酸傳遞到泛醌。電子從琥珀酸傳遞到泛醌。 w 泛醌的結(jié)合位點(diǎn): QP, QN復(fù)合體復(fù)合體又叫又叫泛醌泛醌-細(xì)胞細(xì)胞色素色素C還原酶還原酶或細(xì)胞色素或細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體，主要含有復(fù)合體，主要含有(1)帶有帶有2個(gè)血紅素的細(xì)胞個(gè)血紅素的細(xì)胞色素色素b(b562, b566); (2)帶有血紅素的細(xì)胞色帶有血紅素的細(xì)胞色素素c1; (3) 帶有帶有2Fe-2S中心的可中心的可移

18、動(dòng)的鐵硫蛋白移動(dòng)的鐵硫蛋白(Rieske protein)3. 復(fù)合體復(fù)合體將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1泛醌泛醌從復(fù)合體從復(fù)合體、募集還原當(dāng)量和募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到電子并穿梭傳遞到復(fù)合體復(fù)合體電子傳遞過程：電子傳遞過程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc細(xì)細(xì) 胞胞 色色 素素（Cytochrome，Cyt） 細(xì)胞色素是一類以細(xì)胞色素是一類以血紅素血紅素（heme）為輔基的為輔基的電子傳遞蛋白，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。電子傳遞蛋白，根據(jù)它們吸收光譜不

19、同而分類。各種還原型細(xì)胞色素的主要光吸收峰各種還原型細(xì)胞色素的主要光吸收峰細(xì)胞色素細(xì)胞色素波長（波長（nm）a600439b562532429c550521415c1554524418鐵卟啉鐵卟啉4. 復(fù)合體復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧傳遞給氧復(fù)合體復(fù)合體又稱又稱細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶,由由13個(gè)亞基組成。起主要作用的是亞基個(gè)亞基組成。起主要作用的是亞基I，II , III, 其余起調(diào)節(jié)作用其余起調(diào)節(jié)作用亞基亞基II含有含有2個(gè)個(gè)Cu離子離子,與半胱氨與半胱氨酸的酸的巰巰基結(jié)合基結(jié)合,組成雙核中心組成雙核中心,稱為稱為CuA中心中心亞基亞基I 含有含有2個(gè)含血個(gè)含血

20、紅紅素的素的a, a3亞亞基基I 含有含有1個(gè)個(gè)Cu離子離子, 細(xì)胞色細(xì)胞色素素 a3與與CuB形成形成a3-CuB中心中心 復(fù)合體復(fù)合體還原型還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位將電子交給形成的活性部位將電子交給O2。復(fù)合體復(fù)合體IV有質(zhì)子泵功能有質(zhì)子泵功能 呼吸鏈組分的順序是根據(jù)呼吸鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧呼吸鏈組分的順序是根據(jù)呼吸鏈各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（化還原電位（E0 ）、由低到高排列的，即）、由低到高排列的，即電子總是電子總是從低電位組分向高電位組分傳遞從低電位組分向高電位組分傳遞 。標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位拆開和重組拆開和重組

21、特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧 由以下實(shí)驗(yàn)確定由以下實(shí)驗(yàn)確定（二）呼吸鏈組分的排列順序（二）呼吸鏈組分的排列順序呼吸鏈中各種氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位呼吸鏈中各種氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對氧化還原對E0 (V)氧化還原對氧化還原對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+

22、/Fe2+0.35Q10 /Q10H20.06(0.045)1/2O2 /H2O0.816氧化呼吸鏈的組成氧化呼吸鏈的組成 NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體復(fù)合體Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O2 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 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O2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序氧化呼吸鏈的排列順序Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 兩條電子傳遞鏈的關(guān)系兩條電子傳遞鏈的關(guān)系A(chǔ)TP ADP 肌酸肌酸

23、 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(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)主動(dòng)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) )氧化磷酸化和底物水平磷酸化氧化磷酸化和底物水平磷酸化 的異同點(diǎn)?三、呼吸鏈釋能與三、呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的過程偶聯(lián)進(jìn)行的過程偶聯(lián)進(jìn)行* 定義定義氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指是指在在呼吸鏈電子傳遞呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)過程中偶聯(lián)ADP磷酸磷酸化，生成化，

24、生成ATP，又稱為，又稱為偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重是底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的過程。的過程。w 底物水平磷酸化見于下列三個(gè)反應(yīng)：底物水平磷酸化見于下列三個(gè)反應(yīng)：1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP3-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+GD

25、P琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP1. P/O比值：比值：w 通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的機(jī)磷酸消耗之間的比例比例關(guān)系，可以反映底物脫關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。生成之間的比例關(guān)系。 w 每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)稱為爾數(shù)稱為P/O比值比值。 （一）復(fù)合體（一）復(fù)合體、和和是氧化磷酸化偶是氧化磷酸化偶聯(lián)部位聯(lián)部位底底 物物呼呼吸吸鏈鏈的的組組成成P/O比比值值可可能能生生成成的的ATP數(shù)數(shù) -羥羥丁丁酸酸NAD+復(fù)復(fù)合合體體CoQ復(fù)復(fù)合合體

26、體2.5 2.5Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O2琥琥珀珀酸酸復(fù)復(fù)合合體體CoQ復(fù)復(fù)合合體體1.5 1.5Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O2抗抗壞壞血血酸酸Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O20.88 1細(xì)細(xì)胞胞色色素素c (Fe2+) 復(fù)復(fù)合合體體O20.610.68 12. 2.根據(jù)電子傳遞時(shí)自由能變化確定偶聯(lián)部位根據(jù)電子傳遞時(shí)自由能變化確定偶聯(lián)部位G=-nFE電子傳遞鏈自由能變化電子傳遞鏈自由能變化區(qū)段區(qū)段電位變化電位變化(E)自由能變化自由能變化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ

27、/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位（二）氧化磷酸化偶聯(lián)的機(jī)制是跨線粒體（二）氧化磷酸化偶聯(lián)的機(jī)制是跨線粒體內(nèi)膜質(zhì)子梯度偶聯(lián)內(nèi)膜質(zhì)子梯度偶聯(lián)ATP生成生成化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)子（電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)子（H+）從）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，從而產(chǎn)線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，從而產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存能量,當(dāng)質(zhì)子順當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與與Pi生成生成ATP。 1

28、. 1. 呼吸鏈氧化驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度呼吸鏈氧化驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度 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+ 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程電子傳遞過程復(fù)合體復(fù)合體 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有質(zhì)子泵功能有質(zhì)子泵功能 形成膜化學(xué)梯度形成膜化學(xué)梯度 H+濃度濃度 pHpH下降下降 跨膜電位差跨膜電位差 能量儲存能量儲存 H H+ +順電化學(xué)梯度回流

29、順電化學(xué)梯度回流 ADP ATP FADP ATP F1 1-F-F0 0復(fù)合體復(fù)合體 ATPATP合酶合酶 形成膜化學(xué)梯度形成膜化學(xué)梯度 H+濃度濃度 pHpH下降下降 跨膜電位差跨膜電位差 能量儲存能量儲存 H H+ +順電化學(xué)梯度回流順電化學(xué)梯度回流 ADP ATPADP ATP ATPATP合酶合酶- F- F1 1-F-F0 0復(fù)合體復(fù)合體化學(xué)滲透假說的基本要點(diǎn)化學(xué)滲透假說的基本要點(diǎn) 1、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中、呼吸鏈中遞氫體與遞電子體交替排列，并在膜中有固定位置，催化的反應(yīng)是定向的，取決于電子走有固定位置，催化的反應(yīng)是定向的，取決于電子走向。向。2、電子經(jīng)呼吸鏈

30、傳遞時(shí)可將質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的基、電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)可將質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度質(zhì)子電化學(xué)梯度（氫（氫離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。離子濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。3、當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)、當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合酶，利用合酶，利用ADP和和Pi合成合成ATP。線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì) 線粒體膜線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說簡單示意圖化學(xué)滲透假說簡單示意圖質(zhì)子梯度的形成機(jī)制質(zhì)子梯度的形成機(jī)制 w 質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在

31、遞氫或遞電質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中。子過程中。 w 每傳遞兩個(gè)氫原子，就可向膜間腔釋放每傳遞兩個(gè)氫原子，就可向膜間腔釋放10個(gè)質(zhì)個(gè)質(zhì)子。子。 質(zhì)子梯度的形成質(zhì)子梯度的形成（三）（三） ATP合酶利用質(zhì)子順濃度梯度回流合酶利用質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)釋放的能量合成時(shí)釋放的能量合成ATP 1. ATP合酶合酶（ATP synthase）由）由F1 和和F0組成組成F1：親水部分：親水部分 （動(dòng)物：（動(dòng)物：33亞基復(fù)亞基復(fù)合體合體 ，OSCP、IF1 亞亞基），線粒體內(nèi)膜的基基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化催化ATP合成合成。F0：疏水部分：疏水部分（ab

32、2c912亞基，動(dòng)物還亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞基），鑲有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道跨內(nèi)膜質(zhì)子通道 。（四）線粒體內(nèi)膜選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)代謝物（四）線粒體內(nèi)膜選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)代謝物線粒體外膜孔線粒體外膜孔蛋白，蛋白，10kDa39 2）心率）心率140bpm 3）大汗）大汗 4）大量失水、休克）大量失水、休克 5）消化道癥狀：厭食、惡心、嘔吐、腹瀉）消化道癥狀：厭食、惡心、嘔吐、腹瀉 6）CNS癥狀：煩躁不安、譫妄、嗜睡或昏迷癥狀：煩躁不安、譫妄、嗜睡或昏迷 （三）藥物和毒物（三）藥物和毒物1 1呼吸鏈抑制劑：呼吸鏈抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的

33、藥物或毒能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為物稱為呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑。w 能夠抑制第一位點(diǎn)的有能夠抑制第一位點(diǎn)的有異戊巴比妥、粉蝶霉素異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮魚藤酮等；等；w 能夠抑制第二位點(diǎn)的有能夠抑制第二位點(diǎn)的有抗霉素抗霉素A和和二巰基丙醇二巰基丙醇；w 能夠抑制第三位點(diǎn)的有能夠抑制第三位點(diǎn)的有CO、H2S和和CN-、N3-。其中，其中，CN-和和N3-主要抑制氧化型主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而，而CO和和H2S主要抑制還原型主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。 魚藤酮魚藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巰基丙醇二巰基丙

34、醇 CO、CN-、N3-及及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)2 2解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)劑：w 不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒磷酸化的藥物或毒物稱為物稱為解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑。w 解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的解偶聯(lián)劑通常引起線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性通透性增加，從而降低或消除線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電化增加，從而降低或消除線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)勢，抑制學(xué)勢，抑制ATP的合成。的合成。w 主要的解偶聯(lián)劑有主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚。 解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)解偶聯(lián)

35、蛋白作用機(jī)制制Cyt cQ胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián)解偶聯(lián) 蛋白蛋白熱能熱能 ADP+Pi ATP 3氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑：w 能抑制能抑制ATP合酶的質(zhì)子回流，從而使線粒體內(nèi)合酶的質(zhì)子回流，從而使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高，對呼吸鏈的電子膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高，對呼吸鏈的電子傳遞和傳遞和ADP磷酸化均產(chǎn)生抑制作用的藥物和毒磷酸化均產(chǎn)生抑制作用的藥物和毒物稱為物稱為氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑，如，如寡霉素寡霉素。 寡霉素寡霉素(oligomycin)結(jié)合結(jié)合ATP合酶的合酶的F0單位的單位的c亞基谷氨亞基谷氨酸酸,抑制抑制ATP酶活性酶活性.可阻止質(zhì)子從可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)質(zhì)子通道回流，抑制子通道回流，抑制ATP生成。生成。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖合酶結(jié)構(gòu)模式圖寡霉素寡霉素總總 結(jié)結(jié)w 1、