第五章生物氧化

1、Metabolism & Biological Oxidation第五章第五章 新陳代謝總論與新陳代謝總論與生物氧化生物氧化本章主要內(nèi)容 新陳代謝總論新陳代謝總論 生物氧化生物氧化呼吸鏈呼吸鏈氧化磷酸化氧化磷酸化維持生命活動的能量，主要有兩個(gè)來源：維持生命活動的能量，主要有兩個(gè)來源：光能（太陽能）光能（太陽能）：植物和某些藻類，通過光：植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能。合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能?；瘜W(xué)能化學(xué)能：動物和大多數(shù)的微生物，通過生物：動物和大多數(shù)的微生物，通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）存儲的化學(xué)能釋放出來，

2、并轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)物）存儲的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能。物能。 生物能流：化學(xué)能太陽光能呼吸作用能量通貨損 失：熱、熵光合作用CO2+H2O 有機(jī)物化學(xué)能滲透能電能機(jī)械能熱能ATP 第一節(jié) 新陳代謝總論新陳代謝新陳代謝( (廣義廣義):):是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)是生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能交換和能量交換的全過程量交換的全過程。( (狹義狹義) )：活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的一切化學(xué)反應(yīng)。一切化學(xué)反應(yīng)。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)。

3、對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。新陳代謝的調(diào)節(jié)新陳代謝的調(diào)節(jié) 三個(gè)水平調(diào)節(jié)：三個(gè)水平調(diào)節(jié)：分子水平分子水平-酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié)酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié) （包括基因水平上的調(diào)節(jié)）（包括基因水平上的調(diào)節(jié)）細(xì)胞水平細(xì)胞水平-細(xì)胞區(qū)域化調(diào)節(jié)細(xì)胞區(qū)域化調(diào)節(jié)整體水平整體水平-激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié)激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié) 概概 念念： 水解自由能在水解自由能在20.92 kJ/mol （ 5千卡千卡/mol ）以）以上的化合物。上的化合物。 高能化合物中被水解的基團(tuán)稱為高能化合物中被水解的基團(tuán)稱為“高能基團(tuán)高能基團(tuán)”，被水解，被水解的鍵稱為的鍵稱為“高能鍵高能鍵”用用“”表示表示 以磷酸作為高能基團(tuán)的高能化合物稱為以磷酸作為高能基團(tuán)的高

4、能化合物稱為“高能磷酸化合高能磷酸化合物” “高能鍵高能鍵”“鍵能高鍵能高”高能化合物高能化合物高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合烯醇磷酸化合物物?；姿峄衔秕；姿峄衔锝沽姿峄衔锝沽姿峄衔锔吣芑衔镱愋透吣芑衔镱愋停? 磷氧鍵磷氧鍵型，其高能鍵是型，其高能鍵是由磷和氧原子構(gòu)成即由磷和氧原子構(gòu)成即“OP ”如：磷酸如：磷酸烯醇式丙酮酸（烯醇式丙酮酸（PEP）、）、焦磷酸（焦磷酸（PPi）等。）等。CCOOHCH2OPOHPOOHOPOHOHOPEPPPi2 氮磷鍵氮磷鍵型

5、，高能鍵是由氮型，高能鍵是由氮和磷構(gòu)成，如磷酸肌酸和磷構(gòu)成，如磷酸肌酸3 硫酯鍵硫酯鍵型型 ，高能鍵是屬于，高能鍵是屬于硫酯鍵，如脂酰輔酶硫酯鍵，如脂酰輔酶ARCOSCoANCHNCH3NHCH2COOHP磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸化合物 G(kJ/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸 1,3 二磷酸甘油酸 磷酸肌酸 ATPADP + Pi -61.92 -49.37 -43.01 -30.54 ADPAMP + Pi AMP腺苷 + Pi 1磷酸葡萄糖 6磷酸葡萄糖 -30.54 -14.22 -20.92 -13.81 常見磷酸化合物標(biāo)準(zhǔn)水解自由能常見磷酸化合物標(biāo)準(zhǔn)水解自由能OO HO H

6、HHACH2OPOOPOOOOPOOOATPAMPADP ATP的結(jié)構(gòu)特性的結(jié)構(gòu)特性1 . 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)水解自由能水解自由能：每個(gè)高能鍵的水解自由每個(gè)高能鍵的水解自由能為能為 30.5kJ/mol或或7.3kcar/mol 2. 產(chǎn)生高水解自由能的原因產(chǎn)生高水解自由能的原因ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+負(fù)電荷集中，共振雜化，H+ 濃度低OHPOHOHOOHPOOHOHOHPOHOOHOPOHOHOH ATP在能量轉(zhuǎn)換中的地位和作用在能量轉(zhuǎn)換中的地位和作用ATP是生物體內(nèi)能量的是生物體內(nèi)能量的攜帶者和傳遞者攜帶者和傳遞者，是生物體能量代謝，是生物體能量代謝的的“共同中

7、間體共同中間體”，是各種生物的，是各種生物的 “能量貨幣能量貨幣”。作為能量通貨的原因：能量居中，可作為大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換酶的能量供體或受體。磷酸烯醇式丙酮酸PPPPATP甘油酸1,32P18161412108642ATPATP不是能量不是能量的貯存物質(zhì)的貯存物質(zhì), ,而是傳遞能量而是傳遞能量的分子。的分子。 能荷(energy charge)是細(xì)胞中高能磷酸狀態(tài)一種數(shù)量上的衡量，它的大小可用下式表示： (ATP+0.5ADP) 能荷= (ATP+ADP+AMP) 能荷的數(shù)值在能荷的數(shù)值在0-10-1之間。大多數(shù)細(xì)胞維持的穩(wěn)態(tài)能荷狀態(tài)在之間。大多數(shù)細(xì)胞維持的穩(wěn)態(tài)能荷狀態(tài)在0.8-0.950.8-0

8、.95的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 ATP生成和消耗的途徑和細(xì)胞的能荷狀態(tài)相呼應(yīng)。 高能荷時(shí)，ATP生成過程被抑制，而ATP的利用過程被激發(fā)；低能荷時(shí)，其效應(yīng)相反。 所以說，能荷對代謝起著重要的調(diào)控作用。 第二節(jié) 生物氧化一、概念一、概念 有機(jī)物（有機(jī)物（主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等）在生物）在生物體內(nèi)氧化分解成體內(nèi)氧化分解成COCO2 2和和H H2 2O O水并釋放能量的過程。水并釋放能量的過程。二、生物氧化的特點(diǎn)二、生物氧化的特點(diǎn)： 生物氧化是生物體在熱力學(xué)允許的條件下的有序、可生物氧化是生物體在熱力學(xué)允許的條件下的有序、可控的氧化過程，因?yàn)樯镅趸膱鏊羌?xì)胞，其基本過程控

9、的氧化過程，因?yàn)樯镅趸膱鏊羌?xì)胞，其基本過程是大分子分解為是大分子分解為COCO2 2和和H H2 2O O，并產(chǎn)生能量。生物氧化又稱細(xì)，并產(chǎn)生能量。生物氧化又稱細(xì)胞呼吸（胞呼吸（cellular respiration)cellular respiration) 逐步氧化，有序可控；逐步氧化，有序可控； 條件溫和，多步酶促反應(yīng)條件溫和，多步酶促反應(yīng); ; 能量逐步釋放并以能量逐步釋放并以ATPATP的方式貯存。的方式貯存。 分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。 三、生物氧化與體外氧化的異同三、生物氧化與體外氧化的異同相同點(diǎn)相同點(diǎn) 生物氧化中物質(zhì)的氧

10、化方式有加氧、脫氫、失電子，生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（COCO2 2，H H2 2O O）和釋放能量均相同。）和釋放能量均相同。w是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中由酶催化進(jìn)行的，能中由酶催化進(jìn)行的，能量是逐步釋放的，并儲量是逐步釋放的，并儲存于存于ATPATP中。中。w代謝物脫下的氫與氧結(jié)代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生合產(chǎn)生H H2 2O O，有機(jī)酸脫，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生羧產(chǎn)生COCO2 2。不同點(diǎn)不同點(diǎn)生物氧化生物氧化體外氧化體外

11、氧化w能量是突然釋放能量是突然釋放的。的。wCOCO2 2、H H2 2O O由物質(zhì)中由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。結(jié)合生成。COCO2 2如何形成？如何形成？脫羧反應(yīng)。脫羧反應(yīng)。 H H2 2O O如何形成？如何形成？電子傳遞鏈。電子傳遞鏈。能量（能量（ATPATP）如何產(chǎn)生？）如何產(chǎn)生？底物水平磷酸化、底物水平磷酸化、氧化磷酸化。氧化磷酸化。四、生物氧化的地點(diǎn)和內(nèi)容四、生物氧化的地點(diǎn)和內(nèi)容1.線粒體內(nèi)：絕大多數(shù)生物的生物氧化都在線粒體內(nèi)進(jìn)行。2.細(xì)胞膜：沒有線粒體的原核生物的呼吸作用在細(xì)胞膜上進(jìn)行，如細(xì)菌等。3.過氧物酶體：存在于動物細(xì)胞和高等植物葉肉細(xì)胞中，其在動物細(xì)

12、胞中的功能尚不清楚，在植物細(xì)胞中氧化乙醇酸，攝入O2，放出CO2，稱為光呼吸，在光照下與葉綠體的光合作用聯(lián)動進(jìn)行，供給植物能量。糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 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 五、生物氧化的一般過程五、生物氧化的一般過程第三節(jié) 呼吸鏈一、概念一、概念 代謝物脫下的氫經(jīng)過一系列傳遞體的傳遞，最后與氧結(jié)合生成水的電子傳遞系統(tǒng)，稱為電子傳遞鏈(electron transfer chain)，由于消耗氧，故也叫呼吸鏈(respiratory chain)。在原核細(xì)胞存在于在原核細(xì)胞存在于質(zhì)膜上質(zhì)膜上。在

13、真核細(xì)胞存在于在真核細(xì)胞存在于線粒體內(nèi)膜上線粒體內(nèi)膜上。二、呼吸鏈的組成二、呼吸鏈的組成在生物細(xì)胞中，接受代謝物上脫下的氫在生物細(xì)胞中，接受代謝物上脫下的氫( (或電子或電子) )的載體有的載體有三種三種 NAD+NAD+、NADP+ NADP+ 和和 FADFAD。其中其中NADPHNADPH不進(jìn)入呼吸不進(jìn)入呼吸鏈合成鏈合成ATPATP，而是作為生物合成的還原劑；只有，而是作為生物合成的還原劑；只有NADHNADH和和FADHFADH2 2進(jìn)入呼吸鏈。所以呼吸鏈有兩條：進(jìn)入呼吸鏈。所以呼吸鏈有兩條：1 1、NADHNADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 【組成】【組成】脫氫（脫氫（NAD+）、黃素蛋白

14、、鐵硫蛋白、黃素蛋白、鐵硫蛋白、CoQCoQ和細(xì)胞色素。和細(xì)胞色素。 2 2、FADHFADH2 2氧化呼吸鏈（琥氧化呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈）珀酸氧化呼吸鏈）【組成】脫氫酶（【組成】脫氫酶（FADFAD）、）、CoQCoQ、細(xì)胞色素。、細(xì)胞色素。 【兩者的【兩者的差異差異】脫下的】脫下的2H2H不經(jīng)過不經(jīng)過NAD+NAD+傳遞傳遞, ,其余過程與其余過程與NADHNADH呼吸鏈相同。呼吸鏈相同。 組分組分 作用作用 NAD+ 和和NADP+ 遞氫體遞氫體黃素蛋白黃素蛋白（輔基為（輔基為 FAD和和 FMN） 遞氫體遞氫體 鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（Fe-S） 單電子傳遞單電子傳遞體體輔酶輔酶Q（C

15、oQ） 遞氫體遞氫體細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類 單電子傳遞體單電子傳遞體呼吸鏈的組分及作用呼吸鏈的組分及作用四種復(fù)合體的排列關(guān)系四種復(fù)合體的排列關(guān)系NADHsuccinate FMN（Fe-S） FAD（Fe-S） Cyt b, （Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1 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 e-e-e-e-e-呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位NADH FMN

16、 CoQ b c1 c aa3 O2-0.32 0.30 00.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2 +0.06 能夠能夠阻斷阻斷呼吸鏈中某部位呼吸鏈中某部位電子傳遞電子傳遞的物質(zhì)稱為的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。電子傳遞抑制劑。三、電子傳遞的抑制劑三、電子傳遞的抑制劑NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合物復(fù)合物 I復(fù)合物復(fù)合物 III魚藤酮魚藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO抗霉素抗霉素 A

17、的的抑制部位抑制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸鏈的比擬圖解呼吸鏈的比擬圖解 1、魚藤酮、安密妥等：、魚藤酮、安密妥等： 阻斷部位是：阻斷部位是：FMACoQ。 2、抗霉素、抗霉素A： 阻斷部位是：阻斷部位是： 細(xì)胞色素細(xì)胞色素b細(xì)胞色素細(xì)胞色素c1。 3、CO、氰化物、疊氮化合物（、氰化物、疊氮化合物（N3-）：）： 阻斷部位是：阻斷部位是：細(xì)胞色素細(xì)胞色素aa3O2。常見抑制劑的抑制部位常見抑制劑的抑制部位第四節(jié) 氧化磷酸化一、生物體內(nèi)ATP的生成方式ATP形成的兩種方式： 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 底物水平磷

18、酸化(substrate phosphorylation) 3-磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP 丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP 琥珀酸硫激酶 琥珀酰輔酶A+Pi+GDP 琥珀酸+輔酶A+GTP 1.1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化 底物分子內(nèi)部能量重新分布形成高能鍵伴有ADP磷酸化生成ATP的作用。2.2.氧化磷酸化氧化磷酸化 在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATPATP，又稱為又稱為偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化。 NADHO2呼吸鏈能量ADP + PiATP二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位二

19、、氧化磷酸化偶聯(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，氧的消耗與無機(jī)通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的磷酸消耗之間的比例比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與化與ATPATP生成之間的比例關(guān)系。生成之間的比例關(guān)系。 每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)稱為數(shù)稱為P/OP/O比值比值。 合成1molATP時(shí)，需要提供的能量至少為G0=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差E0=0.2V。因此，在NADH氧化呼吸鏈中有三處可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可以

20、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：0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2 每消耗每消耗1原子氧同時(shí)消耗幾原子磷，即每傳遞原子氧同時(shí)消耗幾原子磷，即每傳遞1對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子ATP 底物底物NADH琥珀酸琥珀酸CoQ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c P/O 3 2 2 1 ATP 2.5 1.5 1.5 1NADH FMN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a.a3 O2ADP + PiATPADP + PiATPADP + PiATPIIIIIV琥珀酸FADII呼吸主鏈產(chǎn)能部位呼吸主鏈產(chǎn)能部位: 第

21、一部位第一部位 NADH-CoQ 產(chǎn)生產(chǎn)生 1個(gè)個(gè)ATP 第二部位第二部位 CoQ- CytC 產(chǎn)生產(chǎn)生 0.5個(gè)個(gè)ATP 第三部位第三部位 Cyt C1 - O2 產(chǎn)生產(chǎn)生 1個(gè)個(gè)ATP 三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制氧化磷酸酸化作用與電子傳遞相偶聯(lián)已經(jīng)不存在任何疑問，但是電子在傳遞鏈中究竟怎樣從一個(gè)中間載體到另一個(gè)中間載體的過程中促使ADP磷酸化，還有許多未完全闡明的問題。共存在三種假說：K化學(xué)偶聯(lián)假說K結(jié)構(gòu)偶聯(lián)假說J化學(xué)滲透假說現(xiàn)有許多的證據(jù)支持化學(xué)滲透假說，并改稱為化學(xué)滲透學(xué)說。1.化學(xué)偶聯(lián)假說chemical coupling hypothesis 電子傳遞過程產(chǎn)生活潑的高能共價(jià)中間物，隨后

22、的裂解驅(qū)動氧化磷酸化作用。雖然在糖酵解中可看到這種情況，但在氧化磷酸化作用中一直未能找到任何一種活潑的高能中間產(chǎn)物。2.構(gòu)象偶聯(lián)假說conformational coupling hypothesis 1964年P(guān)aul Boyer提出：電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化，形成高能形式。這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象，但未找到實(shí)驗(yàn)證據(jù)。3.化學(xué)滲透假說chemical osmotic hypothesis 1961年英國生物化學(xué)家Peter Mitchell提出：電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)，即電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從

23、線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度，該梯度的電化學(xué)電勢（用H+表示）驅(qū)動ATP的合成。化學(xué)滲透學(xué)說圖解化學(xué)滲透學(xué)說圖解質(zhì)子梯度的形成質(zhì)子梯度的形成線粒體基質(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化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說 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 H+ H+ H+ 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) + + + + + + + + + + -

24、 - - - - - - - - 化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖化化 學(xué)學(xué) 滲滲 透透 學(xué)學(xué) 說說 要要 點(diǎn)點(diǎn)線粒體的內(nèi)膜是完整的封閉系統(tǒng)。電子傳遞過程中，釋放能量將質(zhì)子由內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)。內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，蘊(yùn)藏了進(jìn)行磷酸化的能量。4. 質(zhì)子經(jīng)F1F0復(fù)合體回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，推動ADP磷酸化形成ATP。4.ATP合酶的組成和結(jié)構(gòu) 線粒體內(nèi)膜表面有一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體/ATP合酶，是ATP合成的場所。結(jié)構(gòu)： 頭部：ATP合酶（F1）為親水蛋白質(zhì)，由33亞基組成，催化生成ATP。 柄部：棒狀Pr，對寡霉素敏感（OSCP）寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于

25、F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATP。 基底部：疏水Pr，與內(nèi)膜連接為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道。ATPATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖合酶結(jié)構(gòu)示意圖ATPATP合酶合成合酶合成ATPATP的機(jī)制的機(jī)制 美國科學(xué)家美國科學(xué)家BoyerBoyer為解釋為解釋ATPATP酶作用機(jī)理酶作用機(jī)理, ,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為為ATPATP合成酶合成酶亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象( (L L) )有利于有利于ADPADP和和PiPi結(jié)結(jié)合，一種構(gòu)象合，一種構(gòu)象( (T T) )可使結(jié)合的可使結(jié)合的ADPADP和和PiPi合成合成A

26、TPATP，第三種構(gòu)象，第三種構(gòu)象( (O O) )使合成使合成的的ATPATP容易被釋放出來。在容易被釋放出來。在ATPATP合成過程中，三個(gè)合成過程中，三個(gè)亞基依次進(jìn)行上述亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+H+提供。提供。 英國科學(xué)家英國科學(xué)家WalkerWalker通過通過x x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATPATP酶酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在證明在ATPATP酶合成酶合成ATPATP的催化循環(huán)中三個(gè)的催化循環(huán)中三個(gè)亞基的確亞基的確有不同構(gòu)象，有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了從而有力地支

27、持了BoyerBoyer的假說。的假說。 BoyerBoyer和和WalkerWalker共同獲得共同獲得19971997年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。當(dāng)當(dāng)H H+ +順濃度遞度經(jīng)順濃度遞度經(jīng)F F0 0中中a a亞基和亞基和c c亞基之間回流時(shí)，亞基之間回流時(shí)，亞基亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3 3個(gè)個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生改變?；瘜W(xué)計(jì)算估計(jì)每生成亞基的構(gòu)象發(fā)生改變?；瘜W(xué)計(jì)算估計(jì)每生成1 1分子分子ATPATP需需3 3個(gè)個(gè)H H從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進(jìn)入基質(zhì)中。從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進(jìn)入基質(zhì)中。ATP合酶的工作機(jī)制合酶的工作機(jī)制O：開放形式，對底物親和力極低：開放形式，對底物親和力極低L：與底物結(jié)合松弛

28、，無催化能力：與底物結(jié)合松弛，無催化能力T：與底物結(jié)合緊密，有催化活性：與底物結(jié)合緊密，有催化活性質(zhì)子梯度的作用：不是形成質(zhì)子梯度的作用：不是形成ATP；而是使；而是使ATP從酶分子釋放從酶分子釋放ATP4- F0 F1 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 腺苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- 3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿在線粒體中生成并轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿需需4個(gè)個(gè)H回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中回流進(jìn)入線粒體基質(zhì)中NADHNADH氧化呼吸鏈每傳遞氧化呼吸鏈每傳遞2H2H

29、僅生成僅生成2.52.5分分子子ATPATP到線粒體外被利用。到線粒體外被利用。FADHFADH2 2氧化呼吸鏈每傳遞氧化呼吸鏈每傳遞2H2H僅生成僅生成1.51.5分分子子ATPATP到線粒體外被利用。到線粒體外被利用。四、影響氧化磷酸化的因素四、影響氧化磷酸化的因素1. 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞，導(dǎo)致生命活動停止，引起死亡。A.魚藤酮、粉蝶霉素A、異戊巴比妥等：抑制復(fù)合物的Fe-S蛋白B.抗霉素A、二巰基丙醇：抑制Cytb-Cytc1（復(fù)合物）的電子傳遞C.CO、CN-、N3及H2S等：抑制Cytaa3（復(fù)合物）（一）抑制劑（一）抑制劑2. 解偶聯(lián)劑 使氧化與磷酸化偶聯(lián)過

30、程脫離。使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離；不抑制電子傳遞，只抑制ATP形成；使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能變?yōu)闊崮?；對底物水平磷酸化沒有影響。 2,4-二硝基苯酚、雙香豆素人體人體棕色脂肪組織棕色脂肪組織中含大量線粒體，其內(nèi)膜中含大量線粒體，其內(nèi)膜中含解偶聯(lián)蛋白，它轉(zhuǎn)運(yùn)中含解偶聯(lián)蛋白，它轉(zhuǎn)運(yùn)H H+ +，釋放熱量，維，釋放熱量，維持體溫。（骨骼肌，心肌）持體溫。（骨骼肌，心?。?3. 氧化磷酸化抑制劑 對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。既抑既抑制氧的利用，又抑制制氧的利用，又抑制ATPATP的形成的形成, , 但不抑制電但不抑制電子傳遞過程子傳遞過程. .寡霉素寡霉素魚藤酮魚藤酮粉蝶霉素粉蝶霉

31、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)不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）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 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止質(zhì)子從可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成生成寡霉素寡霉素（二）ADP的調(diào)節(jié)作用是主要調(diào)節(jié)因素。ADP，氧化磷酸化。（三）甲狀腺激素Na

32、+,K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。（四）線粒體DNA突變 與線粒體DNA病及衰老有關(guān)。氧化磷酸化的抑制劑氧化磷酸化的抑制劑氧化磷酸化的抑制劑氧化磷酸化的抑制劑抑制類型抑制劑名稱作用位點(diǎn)或作用機(jī)制呼吸鏈抑制劑魚藤酮、安米妥、殺粉菌素萎銹靈抗霉素A氰化物、CO、H2S、疊氮化物復(fù)合體I復(fù)合體II復(fù)合體III復(fù)合體IVF1F0-ATP合酶抑制劑Aurovertin寡霉素、venturicidinDCCD抑制F1抑制F0阻止質(zhì)子通過質(zhì)子F0通道解偶聯(lián)劑DNP、FCCP纈氨霉素生熱素脂溶性質(zhì)子載體鉀離子載體，破壞電勢能質(zhì)子通道ATP/ADP交換體抑制劑 蒼術(shù)苷、米酵菌酸抑制線粒體基質(zhì)內(nèi)的ATP

33、與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的ADP之間交換五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。胞漿中胞漿中NADHNADH的氧化的氧化胞漿中胞漿中NADHNADH必須經(jīng)一定必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有主要有 - -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭( -glycerophosphate shuttle)蘋果酸蘋果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)特點(diǎn)： 線粒體內(nèi)外的-磷酸甘油脫氫酶的 輔

34、酶不同 胞液-NAD+ 線粒體-FAD FADH2經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈 1.5個(gè)ATP 主要存在于骨骼肌、神經(jīng)細(xì)胞。- -磷酸甘油穿梭機(jī)制磷酸甘油穿梭機(jī)制 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 線粒體線粒體 內(nèi)膜內(nèi)膜 線粒體線粒體 外膜外膜膜間隙膜間隙 線粒體線粒體 基質(zhì)基質(zhì)-磷酸甘油磷酸甘油 脫氫酶脫氫酶 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 CHOH2.2.蘋果酸穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 蘋果酸脫氫酶的輔酶是蘋果酸脫氫酶的輔酶是NADNAD+ + 線粒體內(nèi)的草酰乙酸生成天冬氨酸后再穿過線粒線粒體內(nèi)的草酰乙酸生成天冬氨酸后再穿過線粒體膜。體膜。 通過通過NADHNADH氧化呼吸鏈產(chǎn)生氧化呼吸鏈產(chǎn)生2.52.5個(gè)個(gè)ATPATP 主要存在于主要存在于肝、心肌肝、心肌組織中。組織