糖代謝生物氧化醫(yī)學知識培訓課件

1、糖代謝生物氧化醫(yī)學知識糖代謝生物氧化醫(yī)學知識學習目標掌握能斯特方程及相關(guān)計算。掌握生物氧化、電子傳遞鏈、氧化磷酸化、P/O比等概念。掌握線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。掌握化學滲透理論的要點，以及電子傳遞是如何與ADP的磷酸化相偶聯(lián)的。熟悉細胞溶膠中的NADH的再氧化途徑糖代謝生物氧化醫(yī)學知識2學習目標掌握能斯特方程及相關(guān)計算。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識2內(nèi)容提要能斯特方程： En E0 + RT/nF lne受體a/e供體b G0nFE 0 RT 0 = E 0 lnKeq n電子傳遞鏈是電子從NADH (FADH2)經(jīng)過一系列的載體的傳遞，最終到達O2 所經(jīng)過的途徑。也

2、稱為呼吸鏈（respiratory chain）氧化磷酸化作用是電子在沿著電子傳遞鏈傳遞過程中所伴隨的將ADP磷酸化而形成ATP的全過程。電子傳遞和氧化磷酸化取決于蛋白質(zhì)復(fù)合物I-V及輔助因子?；瘜W滲透理論：電子傳遞釋放出的自由能驅(qū)動H+外排（mit基質(zhì)膜間隙），形成的跨線粒體內(nèi)膜的H+ 梯度，通過H+回流再驅(qū)動ATP合成。穿梭機制使得胞液中的NADH可被有氧氧化甘油磷酸穿梭機制(1.5個 ATP)，蘋果酸天冬氨酸穿梭機制(2.5個 ATP)。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識3內(nèi)容提要能斯特方程： En E0 + RT/nF 教學內(nèi)容生物氧化的定義一、氧化-還原電勢二、電子傳遞和呼吸鏈三、氧化磷酸化作用

3、糖代謝生物氧化醫(yī)學知識4教學內(nèi)容生物氧化的定義糖代謝生物氧化醫(yī)學知識4 生物氧化(biological oxidation): 有機分子在細胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放能量形成ATP的過程.又稱為細胞氧化，細胞呼吸，組織呼吸。 電子傳遞 H2O 質(zhì)子梯度 氧化磷酸化 ATPEMP / TCACO2、ATP、NADH、FADH2 生物氧化的特點：1 體溫，酶促，逐步氧化分次放能2 主要貯存于ATP中糖代謝生物氧化醫(yī)學知識5 生物氧化(biological oxidation): 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識6糖代謝生物氧化醫(yī)學知識6（一）氧化-還原電勢（二）電勢和自由能的關(guān)系（三）標準電動勢和平衡

4、常數(shù)的關(guān)系一、氧化-還原電勢糖代謝生物氧化醫(yī)學知識7（一）氧化-還原電勢一、氧化-還原電勢糖代謝生物氧化醫(yī)學知識氧化 -還原反應(yīng)：有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學反應(yīng)。例： Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu兩個半反應(yīng)：氧化反應(yīng)： Zn Zn2+ + 2e還原反應(yīng)： Cu2+ +2e Cu每個半反應(yīng)表明了某元素高低不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系(一) 氧化-還原電勢糖代謝生物氧化醫(yī)學知識8氧化 -還原反應(yīng)：有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學反應(yīng)氧化型 + ne 還原型正向為還原，逆向為氧化，它們彼此依存，相互轉(zhuǎn)化，關(guān)系與共軛酸堿對一樣。稱為氧化還原電對（電對）。電對符號：氧化型還原型氧

5、還電對: Zn2+ / Zn； Cu2+ / Cu； NAD+ / NADH+H+小結(jié)每個氧化還原反應(yīng)至少有兩個電對，分別稱為氧化劑電對和還原劑電對。氧化劑氧化劑電對的氧化型充當還原劑還原劑電對的還原型充當糖代謝生物氧化醫(yī)學知識9氧化型 + ne 還原型糖代謝生物氧化醫(yī)學知還原型氧化型 氧還電對氧化-還原Fe3+ /Fe2+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識10還原型氧化型 氧還電對氧化-還原Fe3+ /Fe2+化學電池，原電池正極(+)，負極(-)電極電勢 ( electric potential, E )， 電極勢，電極電位氧化-還原電勢, E (oxidation-reduction potenti

6、al): 反映還原劑失掉電子的傾向 或氧化劑得到電子的傾向 E 越高的氧還電對，越傾向 于獲得電子 衡量電極反應(yīng)趨勢的參數(shù) 判斷氧化還原反應(yīng)能否 進行的依據(jù) Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-糖代謝生物氧化醫(yī)學知識11 Zn Zn2+ + 2eCuSO4ZnZnS電極勢（E）與電動勢（ ）： 電池的電動勢（） = E正極 E負極標準電極勢，E0 (standard electrode potential) : 氧還電對在標準條件下（pH=0、25C、1atm、電子供、受體濃度為1mol/L）的電極勢。 標準電勢(standard potenti

7、al) 標準還原勢(standard reduction potential) 標準氧化-還原電勢(standard oxidation-reduction potential)pH = 7時的標準氧還電勢： E0 Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-糖代謝生物氧化醫(yī)學知識12 Zn Zn2+ + 2eCuSO4ZnZnS標準電動勢( 0 ) : 0 = E0正極 E0負極標準氫電極 ( 鉑電極, 25C, 1atm氫壓力、 pH=0)氫標電勢標準氫電極的電極勢為零，E0(H+/H2) = 0測定銅電極的標準電極電勢的裝置 0 = E0Cu E0

8、H+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識13測定銅電極的標準電極電勢的裝置 0 = E0Cu E0H標準電動勢:pH=70 = E0正極 E0負極E0氫標電勢pH糖代謝生物氧化醫(yī)學知識14標準電動勢:pH=7E0氫標電勢pH糖代謝生物氧化醫(yī)學知識標準電動勢(0)； 標準電極勢，E0 ； 0 = E0正 E0負氫鋅電池的標準電動勢 0 = 0.763 V, 0.763 = E0H+/H2 E0Zn2+/Zn E0H+/H2 = 0, E0Zn2+/Zn = - 0.763 V求氧化-還原物質(zhì)的標準電極電勢 （與標準氫電極組成原電池）甘汞電極糖代謝生物氧化醫(yī)學知識15標準電動勢(0)； 標準電極勢，E0 ；糖代

9、謝生物氧化醫(yī)學表Standard electrode potential糖代謝生物氧化醫(yī)學知識16表Standard electrode potential糖E0標準值測定條件：pH7.0, 25 ,標準氫電極，電子供體和受體的濃度都是1mol/L生物體中某些重要的標準氧化-還原電勢:糖代謝生物氧化醫(yī)學知識17E0標準值測定條件：pH7.0, 25 ,標準氫電極，ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL糖代謝生物氧化醫(yī)學知識18ELECTRON CARRIERS AND REDOX PO計算電極在溶液中的電極電勢（E） （即電極上氧還電對的氧還電勢）： 能斯特

10、方程(Nernst equation) En = E0 + RT/nF ln 電子受體a 電子供體b En 電極勢； E0 標準電極勢 R氣體常數(shù)； T絕對溫度； n氧還反應(yīng)價數(shù)變化； F法拉第常數(shù) 氧還電對在標準條件下（pH=7、25C、1atm、電子供、受體濃度為1mol/L）的電極勢。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識19 氧還電對在標準條件下（pH=7、25C、1atm、電子供能斯特方程(Nernst equation)計算電極在溶液中的電極電勢： H2Q + 2Fe3+ Q + 2H+ + 2Fe2+ En E0 + RT/nF ln電子受體a/電子供體b En E0 + RT/nF lnFe3

11、+ 2/Fe2+ 2課外閱讀糖代謝生物氧化醫(yī)學知識20能斯特方程(Nernst equation)計算電極在溶液中（二）電勢和自由能變化的關(guān)系 E0 = E0電子受體(正極） E0電子供體（負極） E = E電子受體 E電子供體標準氧化-還原電勢差與標準自由能變化有關(guān)：DG0nFDE 0其中n是轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；F 是法拉第常數(shù)（96.48kJ/V.mol, 23062cal / V.mol）DE0是標準氧化-還原電勢差。自由能的變化代表著氧還體系轉(zhuǎn)移電子的能力糖代謝生物氧化醫(yī)學知識21（二）電勢和自由能變化的關(guān)系 E0 = E0電子受體(糖代謝生物氧化醫(yī)學知識22糖代謝生物氧化醫(yī)學知識220.1

12、001.00糖代謝生物氧化醫(yī)學知識230.1001.00糖代謝生物氧化醫(yī)學知識23 DG0nFDE 0 DG0RT lnKeq RT 0 = DE 0 lnKeq n n；氧化還原反應(yīng)中傳遞的電子數(shù)目對于A還原劑B氧化劑 C氧化劑D還原劑反應(yīng) RT C氧化劑 D還原劑DE DE 0 ln n A還原劑 B氧化劑（三）標準電動勢和平衡常數(shù)的關(guān)系細胞中的多種反應(yīng)都是依靠電動勢（電勢差）推動的 如：離子梯度造成的跨膜電勢差可推動能量轉(zhuǎn)換糖代謝生物氧化醫(yī)學知識24（三）標準電動勢和平衡常數(shù)的關(guān)系細胞中的多種反應(yīng)都 比較氧化劑和還原劑的相對強弱 計算原電池的電動勢 判斷氧化還原反應(yīng)的方向 確定氧化還原反

13、應(yīng)進行的限度 (平衡狀態(tài)) 電極電勢的應(yīng)用 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識25 比較氧化劑和還原劑的相對強弱 計算原電池的電動勢 （一） 電子傳遞鏈（二） 電子傳遞鏈各個成員（三） 電子傳遞的抑制劑二、電子傳遞過程和呼吸鏈糖代謝生物氧化醫(yī)學知識26（一） 電子傳遞鏈二、電子傳遞過程和呼吸鏈糖代謝生物氧化醫(yī) 電子傳遞鏈（electron transport chain）：電子從NADH (或FADH2)經(jīng)過一系列載體的傳遞，最終到達O2 所經(jīng)過的途徑。也稱為呼吸鏈（respiratory chain） 氧化磷酸化作用：電子在沿著電子傳遞鏈傳遞過程中所伴隨的將ADP磷酸化而形成ATP的全過程。 (氧化呼吸

14、，呼吸代謝) （注意區(qū)分底物水平磷酸化） 電子傳遞過程 電子的流動方向總是由電負性較強的氧還電對流向具有更強電正性的氧還電對，同時自由能降低 電子傳遞鏈：線粒體內(nèi)膜（真核細胞） 質(zhì)膜（原核細胞）（一） 電子傳遞鏈糖代謝生物氧化醫(yī)學知識27 電子傳遞鏈（electron transport cha (二) 電子傳遞鏈(呼吸鏈)的組成： 呼吸鏈中的4個氧化還原酶復(fù)合體：復(fù)合體 I： NADH-Q還原酶（NADH-Q reductase）, NADH脫氫酶, NADH-泛醌氧化還原酶復(fù)合體 II：琥珀酸-Q還原酶(succinate-Q reductase)， 琥珀酸-泛醌氧化還原酶, 琥珀酸脫氫酶

15、復(fù)合物復(fù)合體 III：細胞色素還原酶（ cytochrome reductase)， 泛醌-細胞色素c氧化還原酶,細胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體 IV：細胞色素氧化酶（cytochrome oxidase） 2個流動電子載體： 輔酶Q（CoQ） 細胞色素c(Cyt c)糖代謝生物氧化醫(yī)學知識28 (二) 電子傳遞鏈(呼吸鏈)的組成： 呼吸鏈復(fù)合體酶名稱多肽鏈數(shù)輔基復(fù)合體NADH-泛醌還原酶43FMN, Fe-S復(fù)合體琥珀酸-泛醌還原酶4FAD, Fe-S血紅素 b560 復(fù)合體細胞色素還原酶11Fe-S血紅素 b562血紅素 b566血紅素 c1復(fù)合體細胞色素氧化酶13血紅素 a血紅素 a3Cu2

16、+人體線粒體呼吸鏈復(fù)合體糖代謝生物氧化醫(yī)學知識29復(fù)合體酶名稱多肽鏈數(shù)輔基復(fù)合體NADH-泛醌還原酶43FM（1） NADH-Q還原酶（復(fù)合體I ）：也稱 NADH脫氫酶。輔基：FMN和鐵-硫聚簇（Fe-S）。 電子傳遞： NADH FMN Fe-S CoQ P121糖代謝生物氧化醫(yī)學知識30（1） NADH-Q還原酶（復(fù)合體I ）：也稱 NADH脫氫Fe-S 2Fe-2S 4Fe-4S類型 類型 類型 作用： Fe2+ Fe3+e 單電子傳遞鐵硫蛋白（非血紅素鐵蛋白）：分子中含有由半胱氨酸殘基硫原子及無機硫原子與鐵離子形成鐵硫中心(鐵硫聚簇)，一次可傳遞一個電子。4Fe-4S3Fe-4S 鐵

17、硫蛋白中的鐵硫中心(鐵硫聚簇) 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識31Fe-S 2Fe-2S 4Fe-4S作 NADH +H+ + CoQ（氧化型） 復(fù)合體 I NAD+ + QH2（ 還原型） E0 = 0.36V， G0 = - 69.5kJ/mol 足以合成一個ATP分子。第一個質(zhì)子泵（H+由線粒體基質(zhì) 內(nèi)外膜間隙）, 每傳遞兩個電子，泵出4個H+。 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識32 NADH +H+ + CoQ（氧化型） 復(fù)合體 I（2）CoQ（泛醌, Q, UQ）：脂溶性輔酶， 是電子傳遞體中唯一可游離存在的電子載體（無蛋白），可從一個酶移動到另一個酶，是電子傳遞樞紐，也是遞氫體。是許多酶的輔酶。n

18、=10：哺乳動物 (Q10)n =68：非哺乳動物糖代謝生物氧化醫(yī)學知識33（2）CoQ（泛醌, Q, UQ）：脂溶性輔酶， 是電子傳遞（3）琥珀酸- Q還原酶（復(fù)合體II） ：是鑲嵌于線粒體內(nèi)膜的酶蛋白，琥珀酸脫氫酶是其成員。輔基： FAD+ 鐵-硫聚簇（2 Fe-2S、3 Fe-4S、4 Fe-4S） 血紅素b560糖代謝生物氧化醫(yī)學知識34（3）琥珀酸- Q還原酶（復(fù)合體II） ：糖代謝生物氧化醫(yī)學電子傳遞：琥珀酸FADH2 Fe-S CoQ 自由能變化： G0 = - 2.9kJ/mol不足以合成ATP。琥珀酸脫氫酶Fe-S中心CoQ結(jié)合部位From E.coli糖代謝生物氧化醫(yī)學知識

19、35琥珀酸脫氫酶Fe-SCoQFrom E.coli糖代謝生物氧2Fe-2S3Fe-4S4Fe-4S3-磷酸甘油脫氫酶糖代謝生物氧化醫(yī)學知識362Fe-2S3-磷酸甘油脫氫酶糖代謝生物氧化醫(yī)學知識36復(fù)合體III的輔基：血紅素b562 (bH, bK)血紅素b566 (bL, bT)血紅素c12Fe-2S中心（4）細胞色素還原酶（complex III）：b562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識37復(fù)合體III的輔基：血紅素b562 (bH, bK)（4）細細胞色素(cytochrome,Cyt) 結(jié)構(gòu)：一類含血紅素(鐵卟啉)輔基的電子載體蛋白。 分類

20、:依照光譜特性，分為a，b，c三大類。 Cyta: Cyta，Cyta3 Cytb: Cytb562，Cytb566， Cytb560 Cytc: Cytc，Cytc1細胞色素cFe3+ + e Fe2+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識38細胞色素(cytochrome,Cyt)細胞色素cFe3+ 區(qū)別細胞色素種類的重要指標糖代謝生物氧化醫(yī)學知識39區(qū)別細胞色素種類的重要指標糖代謝生物氧化醫(yī)學知識39輔基顏色帶波長與酶蛋白連接Cytb鐵-原卟啉 (Heme B)紅色560nm非共價結(jié)合Cytcc型血紅素(Heme C)紅色550nm與多肽鏈中 Cys的 SH相連Cytaa型血紅素 (Heme A)綠色6

21、00nm非共價結(jié)合細胞色素a、b、c的區(qū)別 三者結(jié)構(gòu)上的區(qū)別： 鐵卟啉輔基側(cè)鏈不同 鐵卟啉輔基與酶蛋白連接方式不同糖代謝生物氧化醫(yī)學知識40輔基顏色帶波長與酶蛋白連接Cytb鐵-原卟啉 紅色56多聚異戊二烯長鏈血紅蛋白肌紅蛋白甲?；谴x生物氧化醫(yī)學知識41多聚異戊二烯長鏈血紅蛋白甲?；谴x生物氧化醫(yī)學知識41復(fù)合體糖代謝生物氧化醫(yī)學知識42復(fù)合體糖代謝生物氧化醫(yī)學知識42Q循環(huán)：兩個QH2 參與電子傳遞，通過細胞色素還原酶分別使 兩個細胞色素 c 還原， 經(jīng)過全過程又產(chǎn)生了一個QH2。CoQ cyt c是第二個與ATP合成相偶聯(lián)的部位。細胞色素還原酶（complex III）是第二個質(zhì)子泵

22、，泵出 4H+/ 2eE0 = 0.19V G0 = - 36.7 kJ/mol復(fù)合體 III 內(nèi)的 Q 循環(huán)（Q cycle )糖代謝生物氧化醫(yī)學知識43Q循環(huán)：兩個QH2 參與電子傳遞，通過細胞色素還原酶分別使Cys細胞色素c（5）細胞色素c（Cyt c）： Cyt c是由單一肽鏈和一分子血紅素構(gòu)成的球形分子，是唯一能溶于水的細胞色素。Cyt c是水溶性流動電子載體 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識44Cys細胞色素c（5）細胞色素c（Cyt c）： Cyt c（6）細胞色素氧化酶（complex IV）細胞色素氧化酶是一個由13個亞基構(gòu)成的跨膜蛋白復(fù)合體，第I、II亞基上結(jié)合著四個氧化-還原反應(yīng)中

23、心： 血紅素 a- CuA中心 (II) 血紅素 a3 CuB中心 (I)電子在細胞色素氧化酶中的傳遞： Cyt c CuA-血紅素a 血紅素 a3-CuB O2O2的結(jié)合部位：血紅素 a3 的鐵離子和CuB離子Cu2+ + e Cu+ P127a binuclear center糖代謝生物氧化醫(yī)學知識45（6）細胞色素氧化酶（complex IV）細胞色素氧化酶是Fe3+ Cu2+ e-Fe3+ Cu+ e-Fe2+ Cu+O2Fe2+-O Cu+OFe3+-O- Cu2+-Oe-+2H+Fe4+=O2- Cu2+OHHe-+2H+2H2OPeroxy intermediate過氧中間體Fe

24、rryl intermediate高鐵中間體細胞色素氧化酶催化氧接受4個電子的過程血紅素 a3 CuB中心糖代謝生物氧化醫(yī)學知識46Fe3+ Cu2+ e-Fe3+ Cu+2Cyt c（還原）+ 1/2 O2 2 Cyt c（氧化）+ H2O E0 = 0.58V， G0 = - 112 kJ/mol 細胞色素氧化酶（complex IV）是第三個質(zhì)子泵，是第三個與ATP合成相偶聯(lián)的部位。 泵出 2H+/ 2e 4個電子與氧結(jié)合的過程 避免超氧陰離子的形成complex IV糖代謝生物氧化醫(yī)學知識472Cyt c（還原）+ 1/2 O2 2 Cyt cNADHFMN(Fe-S)QCyt c1

25、Cyt c Cyt aa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)QCyt c1 Cyt c Cyt aa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈復(fù)習閱讀糖代謝生物氧化醫(yī)學知識48NADHFMN(Fe-S)QCyt c1 Cyt c糖代謝生物氧化醫(yī)學知識49糖代謝生物氧化醫(yī)學知識491分子O2還原成水，是一個4電子轉(zhuǎn)移的過程。CoQ（在膜內(nèi)流動）和Cyt c（在內(nèi)膜的外表面擴散）是可流動的氫或電子傳遞體NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈由氧生成水的反應(yīng)是不可逆的，各遞體的順序不可顛倒一對電子從NADH到O2分子，經(jīng)歷3個ATP 合成部位，產(chǎn)生2.5個ATP；一對電子從FADH2到O2分子，經(jīng)歷2個ATP

26、 合成部位，產(chǎn)生1.5個ATP。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識501分子O2還原成水，是一個4電子轉(zhuǎn)移的過程。糖代謝生物氧化醫(yī)(三) 電子傳遞的抑制劑：電子傳遞抑制劑： 能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)。（1）魚藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、 殺粉蝶菌素（piericidin）: 抑制復(fù)合體I，阻斷電子由NADHCoQ的傳遞 （2）抗霉素A(antimycin A), 二巰基丙醇: 抑制復(fù)合體III中 Cyt b Q 或 Q.- ，導(dǎo)致CoQ Cyt c1 電子傳遞中斷 （3）氰化物（CN-）、疊氮化物（N3-) 、 CO 、硫化氫 等: 抑制復(fù)合體IV中 Cytaa3 O2,

27、 導(dǎo)致Cyt c O2電子傳遞中斷糖代謝生物氧化醫(yī)學知識51(三) 電子傳遞的抑制劑：電子傳遞抑制劑：糖代謝生物氧化醫(yī)硫化氫二巰基丙醇糖代謝生物氧化醫(yī)學知識52硫化氫二巰基丙醇糖代謝生物氧化醫(yī)學知識52 NADH+H+ FMN Fe-S CoQ Fe-SFADH2 Fe-SNADH-Q 還原酶琥珀酸-Q還原酶 Cyt c1 Cyt c Cyt a-CuA Cyt a3-CuB細胞色素還原酶細胞色素氧化酶 1/2O2+2H+ H2OE0= 0. 360VG0= -69. 5kJ/molE0= 0. 190VG0= -36. 7kJ/mol ATPE0= 0.580VG0= -112kJ/mol

28、0.5ATP魚藤酮、安密妥等抗霉素ACN-、N3-、CO、H2SE0= 0. 015VG0= -2. 9kJ/mol ATP糖代謝生物氧化醫(yī)學知識53 NADH+H+ FMN Fe-S CoQ Fe-SFADH三、氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)（一） 線粒體的結(jié)構(gòu)（二） 氧化磷酸化作用機制（三） 氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制（四） 氧化磷酸化的調(diào)控（五） 細胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化（六） 葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算糖代謝生物氧化醫(yī)學知識54三、氧化磷酸化作用(oxidative phosphoryl（一） 線粒體的結(jié)構(gòu)糖代謝生物氧化醫(yī)學知識55（一） 線粒體的結(jié)構(gòu)

29、糖代謝生物氧化醫(yī)學知識55（二）氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)作用的機制 1953年 Edward Slater 化學偶聯(lián)假說 1956年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說 1961年 Peter Mitchell 化學滲透假說糖代謝生物氧化醫(yī)學知識56（二）氧化磷酸化(oxidative phosphoryla 氧化磷酸化作用的機制： 1 三種假說： 化學偶聯(lián)假說(chemical coupling hypothesis) 產(chǎn)生活潑的高能共價中間物。 沒有證據(jù) 構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformational coupling hypothesis) 內(nèi)膜蛋白構(gòu)

30、象變化形成一種高能形式，恢復(fù)原來構(gòu)象過程中合成ATP。 沒有有力證據(jù) 化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 1961，P. Mitchell提出，1978年Nobel 化學獎 電子傳遞釋放出的自由能驅(qū)動H+外排（mit基質(zhì)膜間隙），形成的跨線粒體內(nèi)膜的H+梯度，通過H+ 回流驅(qū)動ATP合成。 有許多證據(jù)P. Mitchell 1920-1992糖代謝生物氧化醫(yī)學知識57 氧化磷酸化作用的機制：P. Mitchell 糖代謝生物氧化學滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + +

31、 + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識58化學滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2 質(zhì)子梯度（ proton gradient）的形成： 質(zhì)子動勢或質(zhì)子動力(proton-motive force, pmf)：因電子傳遞使H+跨mit內(nèi)膜流向間隙，造成mit間隙形成正電勢，mit基質(zhì)形成負電勢，這樣產(chǎn)生的電化學梯度即電動勢（electromotive force, emf).糖代謝生物氧化醫(yī)學知識592 質(zhì)子梯度（ proton gradient）的形成：（1） 質(zhì)子泵出是需能過程 一個質(zhì)子逆電化學梯度跨過線

32、粒 體內(nèi)膜的自由能變化為： G = 2.3 RT ( lgH+膜外 - lgH+膜內(nèi) )+ ZF = 2.3 RT ( pH膜內(nèi) - pH膜外 ) + ZF R : 氣體常數(shù)； T :絕對溫度； Z:質(zhì)子上的電荷（包括符號）； F :法拉第常數(shù)； : 膜電位差 pH內(nèi) pH外 ，H+ 由膜內(nèi)向膜外轉(zhuǎn)移，膜電位差 為正（外正內(nèi)負），所以 G 0。是需能過程。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識60（1） 質(zhì)子泵出是需能過程糖代謝生物氧化醫(yī)學知識60呼吸鏈電子傳遞過程中，哪些區(qū)段放出的能量能實現(xiàn)ADP的磷酸化？0.5 ATP糖代謝生物氧化醫(yī)學知識61呼吸鏈電子傳遞過程中，哪些區(qū)段放出的能量能實現(xiàn)ADP的磷酸化通

33、過形成ATP，共截獲釋放的總能量的百分數(shù)？糖代謝生物氧化醫(yī)學知識62通過形成ATP，共截獲釋放的總能量的百分數(shù)？糖代謝生物氧化醫(yī) H+的轉(zhuǎn)移(外排)與電子傳遞鏈上三個復(fù)合體有關(guān)： complex I, complex III和complex IV，為三個質(zhì)子泵。 質(zhì)子移動力與跨膜的pH梯度和膜電位有關(guān)，每合成一個 ATP需要有 2-3個H+ 跨膜（3個）。 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識63 H+的轉(zhuǎn)移(外排)與電子傳遞鏈上三個復(fù)合體有關(guān)：糖代謝生(2) 質(zhì)子轉(zhuǎn)移機制的兩種假設(shè) 氧化-還原回路機制，氧-還回路：(H+ + e- )載體， Q循環(huán) 質(zhì)子泵機制：電子傳遞過程導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象變化, 造成氨基酸

34、側(cè)鏈pK值的改變高糖代謝生物氧化醫(yī)學知識64(2) 質(zhì)子轉(zhuǎn)移機制的兩種假設(shè)高糖代謝生物氧化醫(yī)學知識643 ATP合成機制：(1) ATP酶種類： P型：單肽鏈，水解ATP，用于轉(zhuǎn)運Ca2+、Na+、 K+等離子。如： Na+，K+ -泵，Ca2+ -泵 V型：主要分布在酵母、真菌的微囊上，水解 ATP，用于產(chǎn)生質(zhì)子梯度。 F型：大量存在于真核線粒體內(nèi)膜，利用質(zhì)子 梯度，產(chǎn)生ATP。 ATP合酶, FoF1-ATP酶課后復(fù)習糖代謝生物氧化醫(yī)學知識653 ATP合成機制：(1) ATP酶種類：課后復(fù)習糖代謝 (2) ATP合酶, FoF1-ATP酶（啞鈴狀，F(xiàn)型ATP酶） Fo單元 F1單元 Fo

35、F1之間的柄 Fo單元(ab2c 10-12):質(zhì)子通道 跨膜部分 含6個DCCD（DCC，DCCI ，二環(huán)己基碳二亞胺）結(jié)合蛋白， 這些蛋白圍成桶狀，具有離子通道，通道內(nèi)部有Glu殘基（大腸 桿菌是Asp殘基），可與DCCD結(jié)合，從而抑制質(zhì)子通過Fo 。 寡霉素(oligomycin)可與FO結(jié)合，抑制質(zhì)子通過FO。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識66 (2) ATP合酶, FoF1-ATP酶糖代謝生物氧化醫(yī)學 F1單元(3 3 ):合成ATP 球狀體 亞基是催化ATP合成的部位， 與亞基形成轉(zhuǎn)子(rotor), a,b和亞基組成“定子”(stator) 缺乏質(zhì)子電化學梯度時，催化ATP水解 F1抑制

36、劑(IF1) FoF1之間的柄： 調(diào)節(jié)質(zhì)子流及ATP的合成速度， 是能量轉(zhuǎn)換的通道。 寡霉素敏感性付與蛋白(OSCP, oligomycin-sensitivity-conferring protein)偶合因子6 (coupling factor 6, F6 )P134糖代謝生物氧化醫(yī)學知識67 F1單元(3 3 ):合成ATP 寡(3) ATP合酶催化機制：結(jié)合變化機制(旋轉(zhuǎn)催化假說) (binding-change mechanism) （美 Paul Boyer 提出）：結(jié)合變化機制(旋轉(zhuǎn)催化假說)要點如下(3個方面)： ATP合酶利用質(zhì)子動勢，產(chǎn)生構(gòu)象的改變，改變了 與底物的親和力，

37、催化ATP的形成和釋放。 F1具有三個催化位點，分別位于三個亞基上, 在特定的時間，三個催化位點的構(gòu)象不同、因而與核苷酸的親和力不同。在L構(gòu)象（loose），ADP、 Pi與酶疏松結(jié)合在一起；在T構(gòu)象（tight）,底物（ADP、 Pi）與酶緊密結(jié)合在一起，可合成ATP；在O構(gòu)象（open）,ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。在ATP合成過程中，三個亞基依次進行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+梯度提供。Boyer和Walker獲得1997年諾貝爾化學獎。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識68(3) ATP合酶催化機制：結(jié)合變化機制(旋轉(zhuǎn)催化假說) 質(zhì)子流通過Fo引起c亞基寡聚體構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從

38、而帶動和亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起3個亞基構(gòu)象的周期性變化(L,T,O)，不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP并釋放出來。亞基的中心 -螺旋被認為是轉(zhuǎn)子,亞基a和b與亞基組合在一起組成定子,它壓住 /異質(zhì)六聚體.(旋轉(zhuǎn)催化假說)分子馬達(molecular motor)-empty, -ADP, -ATP O L T糖代謝生物氧化醫(yī)學知識69 質(zhì)子流通過Fo引起c亞基寡聚體構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動和合成的ATP與酶結(jié)合牢固質(zhì)子梯度的主要作用并不是形成ATP，而是使ATP從酶分子上解脫下來糖代謝生物氧化醫(yī)學知識70合成的ATP與酶結(jié)合牢固糖代謝生物氧化醫(yī)學知識70化學

39、滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識71化學滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+ ATP/ADP交換體糖代謝生物氧化醫(yī)學知識72 ATP/ADP交換體糖代謝生物氧化醫(yī)學知識72合成和輸出1個ATP = 消耗4個H+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識73合成和輸出1個ATP = 消耗4個H+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識 NADH：10H+/3 = 3ATP FADH2 ： 6H+/3 = 2

40、ATP糖代謝生物氧化醫(yī)學知識74 NADH：10H+/3 = 氧化磷酸化過程：NADH或FADH2上的電子經(jīng)電子傳遞鏈傳給O2電子傳遞過程中放出的能量使三個質(zhì)子泵將H+從線粒體基質(zhì)膜間隙，形成質(zhì)子梯度ATP合酶利用質(zhì)子梯度，在H+的回流過程中驅(qū)動ADP磷酸化，合成ATP糖代謝生物氧化醫(yī)學知識75 氧化磷酸化過程：NADH或FADH2上的電子經(jīng)電子傳遞鏈傳 （1）解偶聯(lián)劑 （uncouplers）： 抑制ATP合成，不影響電子傳遞。 如： 2,4-二硝基苯酚（DNP）；酸性芳香族化合物 （三） 氧化磷酸化作用的解偶聯(lián)和抑制：NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+

41、線粒體內(nèi)膜內(nèi)外DNP2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用糖代謝生物氧化醫(yī)學知識76 （1）解偶聯(lián)劑 （uncouplers）：（三） 氧化磷三氟甲氧基苯腙羰基氰化物糖代謝生物氧化醫(yī)學知識77三氟甲氧基苯腙羰基氰化物糖代謝生物氧化醫(yī)學知識77糖代謝生物氧化醫(yī)學知識78糖代謝生物氧化醫(yī)學知識78（2）氧化磷酸化抑制劑（inhibitors）： 直接干擾ATP合成，并間接導(dǎo)致抑制電子傳遞和O2的利用。如：寡霉素(oligomycin)，DCCD。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識79（2）氧化磷酸化抑制劑（inhibitors）：糖代謝生物氧 氧化磷酸化抑制劑 如：寡霉素與Fo單元的亞基結(jié)合阻止H+從Fo單元回流抑制

42、ATP合成H + 電化學梯度異常增高抑制磷酸化過程抑制電子傳遞的氧化過程 寡霉素抑制劑結(jié)合到ATP合酶的Fo亞基上，抑制H+通過Fo，而不是結(jié)合到寡霉素敏感性付與蛋白（OSCP）上。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識80 氧化磷酸化抑制劑 如：寡霉素與Fo單元的（3）離子載體抑制劑 （ionophores) ：脂溶性，運輸某些一價陽離子，破壞H+電荷梯度，抑制ATP合成 移動性載體：如：纈氨霉素(valinomycin)，專一性運K+ 通過將膜外的K+轉(zhuǎn)運至膜內(nèi)而消除跨膜的電位梯度通道形成體：如：短桿菌肽(gramicin)A，含有D-型氨基酸的15肽，使一價陽離子順梯度通過短桿菌肽雙分子膜通道，vali

43、nomycinGramicin ANMR 衍射圖糖代謝生物氧化醫(yī)學知識81（3）離子載體抑制劑 （ionophores) ：脂溶性，運 解偶聯(lián)的生理意義： 人類、新生哺乳動物、冬眠動物褐色脂肪組織(brown fat)中的線粒體，含有產(chǎn)熱素(thermogenin，蛋白激素，質(zhì)子返回通道)，可利用質(zhì)子梯度產(chǎn)生熱量，維持體溫。解偶聯(lián)蛋白作用機制（褐色脂肪組織線粒體）糖代謝生物氧化醫(yī)學知識82 解偶聯(lián)的生理意義： 人類、新生哺乳動物、產(chǎn)熱素：只存在于褐色脂肪組織的線粒體，作用是解偶聯(lián)，產(chǎn)生熱量。產(chǎn)熱素被脂肪酸激活，被嘌呤核苷酸抑制。嘌呤核苷酸(ATP,ADP,GTP)正腎上腺素cAMP-依賴性蛋白

44、激酶甘油三酯酶游離脂肪酸產(chǎn)熱素甘油三酯+-氧化磷酸化解偶聯(lián)從而產(chǎn)生熱量+糖代謝生物氧化醫(yī)學知識83產(chǎn)熱素：只存在于褐色脂肪組織的線粒體，作用是解偶聯(lián)，產(chǎn)生熱量糖代謝生物氧化醫(yī)學知識84糖代謝生物氧化醫(yī)學知識84蒼術(shù)苷金輪霉素黑星菌素糖代謝生物氧化醫(yī)學知識85蒼術(shù)苷金輪霉素黑星菌素糖代謝生物氧化醫(yī)學知識85黑星菌素糖代謝生物氧化醫(yī)學知識86黑星菌素糖代謝生物氧化醫(yī)學知識86糖代謝生物氧化醫(yī)學知識87糖代謝生物氧化醫(yī)學知識87（四） 氧化磷酸化的調(diào)控1. 線粒體呼吸功能的5種狀態(tài): I V狀態(tài)I：無底物，無ADP狀態(tài)II：無底物，有ADP狀態(tài)III：有底物、ADP狀態(tài)IV：有底物，無ADP狀態(tài)V：

45、有底物、ADP， O2耗盡糖代謝生物氧化醫(yī)學知識88（四） 氧化磷酸化的調(diào)控1. 線粒體呼吸功能的5種狀態(tài): 正常線粒體呼吸狀態(tài)在狀態(tài)III和狀態(tài)IV之間往復(fù)變化糖代謝生物氧化醫(yī)學知識89 正常線粒體呼吸狀態(tài)在狀態(tài)III和狀態(tài)IV之間往復(fù)變化糖代謝2. 呼吸控制 (respiratory control)指ADP對氧化磷酸化（呼吸）作用的調(diào)節(jié)。呼吸控制率（比值） P141 (RCR, Respiratory Control Ratio)： 有ADP存在時氧的利用速度（狀態(tài)） 沒有ADP存在時氧的利用速度（狀態(tài)） 完整 mit: 可達10以上； 受損傷或衰老的 mit：可低至14. 磷氧比（P/

46、O） 物質(zhì)氧化時，每消耗1mol氧原子所消耗無機磷的mol數(shù)(或ADP mol數(shù))，或每消耗1mol氧原子所生成的ATP的mol數(shù). 反映了ATP合成與電子傳遞的偶聯(lián)關(guān)系。RCR=反映線粒體完整程度和線粒體功能的指標:RCR 與 P/O 呼吸控制 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識902. 呼吸控制 (respiratory control)指磷氧比（ P/O ） 丙酮酸，2.5； 抗壞血酸細胞色素c，0.5(ADP+Pi) ATP例 實測得NADH呼吸鏈： P/O 2.5NADHFADH2O212H2OH2OADP+Pi ATP實測得FADH2呼吸鏈： P/O 1.5O2122e-2e-ADP+Pi A

47、TPADP+Pi ATP(ADP+Pi) ATP12121212糖代謝生物氧化醫(yī)學知識91磷氧比（ P/O ） 丙酮酸，2.5；(ADP+Pi) 糖代謝生物氧化醫(yī)學知識培訓課件線粒體外NADH的氧化磷酸化 1. 甘油磷酸穿梭機制: 存在于骨骼肌，神經(jīng)細胞。 NADH FADH2 1分子NADH 1.5分子ATP。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識93線粒體外NADH的氧化磷酸化 1. 甘油磷酸穿梭機制: 存蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶天冬氨酸氨基移換酶天冬氨酸氨基移換酶2. 蘋果酸-天冬氨酸穿梭機制: NADH NADH 存在于肝臟，心肌， 1分子NADH 2.5分子ATP。糖代謝生物氧化醫(yī)學知識94蘋果酸脫

48、氫酶蘋果酸脫氫酶天冬氨酸氨基移換酶天冬氨酸氨基移換酶NADH兩種氧化途徑的比較氧化途徑主要存在的組織主要承擔酶胞液中主要承擔酶的輔基線粒體內(nèi)主要承擔酶的輔基被完全氧化時經(jīng)過的呼吸鏈完全氧化時產(chǎn)生的ATP量3-磷酸甘油穿梭骨骼肌、神經(jīng)細胞3-磷酸甘油脫氫酶NAD+FAD琥珀酸氧化呼吸鏈1.5ATP蘋果酸-天冬氨酸穿梭肝、心肌組織蘋果酸脫氫酶NAD+NAD+NADH氧化呼吸鏈2.5ATP復(fù)習閱讀糖代謝生物氧化醫(yī)學知識95NADH兩種氧化途徑的比較氧化途徑主要存在的組織主要承擔酶胞糖代謝生物氧化醫(yī)學知識96糖代謝生物氧化醫(yī)學知識96（六） 葡萄糖氧化的能量結(jié)算方法:EMP途徑生成的2分子NADH,若

49、經(jīng)歷蘋果酸-Asp穿梭途徑則共產(chǎn)生32個ATP。5個ATP25個ATP課后復(fù)習糖代謝生物氧化醫(yī)學知識97（六） 葡萄糖氧化的能量結(jié)算方法:EMP途徑生成的2分子N掌握能斯特方程及相關(guān)計算。掌握生物氧化、電子傳遞鏈、Q循環(huán)、氧化磷酸化、呼吸控制、RCR、P/O等概念。掌握線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。掌握化學滲透理論的要點，以及電子傳遞鏈與ADP的磷酸化相偶聯(lián)的部位。掌握ATP合酶的結(jié)構(gòu)和催化機制。掌握與電子傳遞鏈和氧化磷酸化相關(guān)的抑制劑、解偶聯(lián)劑及抑制部位。掌握細胞溶膠中的NADH的再氧化途徑要點回顧糖代謝生物氧化醫(yī)學知識98掌握能斯特方程及相關(guān)計算。要點回顧糖代謝生物氧化醫(yī)學知識98不要忘了好好復(fù)習喲！糖代謝生物氧化醫(yī)學知識99不要忘了好好復(fù)習喲！糖代謝生物氧化醫(yī)學知識991. 作業(yè):P146: 4,7,11.2. P145-146: 1, 3, 8, 9.3. 氰化物和一氧化碳為什麼能引起窒息