生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第八章 生物氧化1

1、目錄目錄第八章生物氧化生物氧化Biological Oxidation目錄目錄物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和和 H2O的過程。的過程。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n生物氧化的概念生物氧化的概念 目錄目錄糖原糖原 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+

2、Pi ATP n 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子加氧、脫氫、失電子目錄目錄第一節(jié)第一節(jié) 氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成功能的復(fù)合體組成目錄目錄生物體將生物體將NADH+H+和和FADH2徹底氧化生成水徹底氧化生成水和和ATP的過程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧，參的過程與細(xì)胞的呼吸有關(guān)，需要消耗氧，參與氧化還原反應(yīng)的組分由含輔助因子的多種蛋白與氧化還原反應(yīng)的組分由含輔助因子的多種蛋白酶復(fù)合體組成，形成一個(gè)連續(xù)的傳遞鏈，因此稱酶復(fù)合體組成，形成一個(gè)連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為氧化呼吸鏈（為氧

3、化呼吸鏈（oxidative respiratory chain）。也）。也稱稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈(electron transfer chain)。n氧化呼吸鏈的定義氧化呼吸鏈的定義組成組成遞氫體和電子傳遞體（遞氫體和電子傳遞體（2H = 2H+ + 2e） 目錄目錄一、氧化呼吸鏈由一、氧化呼吸鏈由4 4種具有傳遞電種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成子能力的復(fù)合體組成目錄目錄人線粒體呼吸鏈復(fù)合體人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體酶名稱酶名稱質(zhì)量質(zhì)量(kD)多肽多肽鏈數(shù)鏈數(shù)功能輔基功能輔基含結(jié)合位點(diǎn)含結(jié)合位點(diǎn)復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌泛醌還原酶還原酶85039FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質(zhì)側(cè)）（基

4、質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）（脂質(zhì)核心）復(fù)合體復(fù)合體琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌還原酶還原酶1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質(zhì)側(cè)）琥珀酸（基質(zhì)側(cè)）CoQ（脂質(zhì)核心）（脂質(zhì)核心）復(fù)合體復(fù)合體泛醌泛醌-細(xì)胞色細(xì)胞色素素C還原酶還原酶25011血紅素血紅素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜間隙側(cè)）（膜間隙側(cè)）細(xì)胞色素細(xì)胞色素c131血紅素血紅素cCyt c1， Cyt a復(fù)合體復(fù)合體細(xì)胞色素細(xì)胞色素C氧氧化酶化酶16213血紅素血紅素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜間隙側(cè)）（膜間隙側(cè)） 泛醌、細(xì)胞色素泛醌、細(xì)胞色素C C不包含在上述四種復(fù)合體中。不包含在上述四種復(fù)合體中。目錄目錄呼吸鏈各復(fù)

5、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)膜中的位置目錄目錄 復(fù)合體復(fù)合體又稱又稱NADH-NADH-泛醌還原酶或泛醌還原酶或NADHNADH脫氫脫氫酶，接受來(lái)自酶，接受來(lái)自NADH+HNADH+H+ +的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌（ubiquinoneubiquinone）。）。 復(fù)合體復(fù)合體可催化兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：可催化兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程： 電子傳遞：電子傳遞： NADHFMNFe-S CoQNADHFMNFe-S CoQ 質(zhì)子的泵出：質(zhì)子的泵出：復(fù)合體復(fù)合體有質(zhì)子泵功能，每傳遞有質(zhì)子泵功能，每傳遞2 2個(gè)電子個(gè)電子可將可將4 4個(gè)個(gè)H H+ +從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)。從內(nèi)

6、膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)。（一）（一） 復(fù)合體復(fù)合體將將NADH+H+中的電子傳遞給中的電子傳遞給泛醌泛醌目錄目錄NAD+和和NADP+的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+目錄目錄NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮五價(jià)氮和和三價(jià)氮三價(jià)氮之間。之間。目錄目錄FMN結(jié)構(gòu)中含結(jié)構(gòu)中含核黃素核黃素，發(fā)揮功能的部位是，發(fā)揮功能的部位是異咯異咯嗪環(huán)嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。在。在可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示3種分子狀態(tài)，屬于種分子

7、狀態(tài)，屬于單、單、雙電子傳遞體雙電子傳遞體。 目錄目錄鐵硫蛋白中輔基鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子含有等量鐵原子和硫原子，其中一個(gè)鐵原子可進(jìn)行和硫原子，其中一個(gè)鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反反應(yīng)傳遞電子。應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體屬于單電子傳遞體。 表示無(wú)機(jī)硫表示無(wú)機(jī)硫目錄目錄目錄目錄泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接形由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌半醌型泛醌。內(nèi)膜中。內(nèi)膜中可移動(dòng)電子載體可移動(dòng)電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿

8、梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電電子傳遞和質(zhì)子移動(dòng)子傳遞和質(zhì)子移動(dòng)的偶聯(lián)中起著核心作用。的偶聯(lián)中起著核心作用。目錄目錄復(fù)合體復(fù)合體的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2目錄目錄復(fù)合體復(fù)合體I 氫和電子的傳遞氫和電子的傳遞目錄目錄 復(fù)合體復(fù)合體是三羧酸循環(huán)中的是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶，又，又稱稱琥珀酸琥珀酸-泛醌還原酶泛醌還原酶。 電子傳遞：電子傳遞：琥珀酸琥珀酸FAD幾種幾種Fe-S CoQ 復(fù)合體復(fù)合體沒有沒有H+泵的功能泵的功能。（二）復(fù)合體（二）復(fù)合體將電子從琥珀

9、酸傳遞到泛醌將電子從琥珀酸傳遞到泛醌目錄目錄目錄目錄（三）復(fù)合體（三）復(fù)合體將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素胞色素c c 復(fù)合體復(fù)合體又叫又叫泛醌泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶還原酶。人。人復(fù)合復(fù)合體體含有細(xì)胞色素含有細(xì)胞色素b(b562, b566)、細(xì)胞色素、細(xì)胞色素c1和一種可移動(dòng)的鐵硫蛋白和一種可移動(dòng)的鐵硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌泛醌從復(fù)合體從復(fù)合體、募集還原當(dāng)量和電子并穿募集還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體梭傳遞到復(fù)合體。 電子傳遞過程：電子傳遞過程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc目錄目錄細(xì)胞色素細(xì)胞

10、色素(cytochrome, Cyt) 細(xì)胞色素是一類以細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。目錄目錄 復(fù)合體復(fù)合體的電子傳遞通的電子傳遞通過過“Q循環(huán)循環(huán)”實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 復(fù)合體復(fù)合體每傳遞每傳遞2個(gè)電個(gè)電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個(gè)個(gè)H+，復(fù)合體復(fù)合體也有也有質(zhì)子泵作用質(zhì)子泵作用。 Cyt c是是呼吸鏈唯一水呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白溶性球狀蛋白，不包含，不包含在復(fù)合體中。將獲得的在復(fù)合體中。將獲得的電子傳遞到復(fù)合體電子傳遞到復(fù)合體。目錄目錄 人復(fù)合體人復(fù)合體又稱又稱細(xì)胞色素細(xì)胞色

11、素C氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)。 電子傳遞：電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。復(fù)合體復(fù)合體也也有質(zhì)子泵功能，有質(zhì)子泵功能，每每傳遞傳遞2個(gè)電子個(gè)電子使使2個(gè)個(gè)H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。（四）復(fù)合體（四）復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧傳遞給氧目錄目錄復(fù)復(fù)合合體體的的電電子子傳傳遞遞過過程程目錄目錄細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2還原成還原成水的過程，有強(qiáng)氧化性中間物始終和雙核中心緊密水的過程

12、，有強(qiáng)氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會(huì)引起細(xì)胞損傷。結(jié)合，不會(huì)引起細(xì)胞損傷。目錄目錄 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+ 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) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 第一節(jié)第一節(jié) 氧化呼吸鏈?zhǔn)怯删哂须娮觽餮趸粑準(zhǔn)怯删哂须娮觽鬟f功能的復(fù)合體組成遞功能的復(fù)合體組成目錄目錄標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位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)呼吸鏈緩慢給氧將呼吸鏈拆開和重組將呼吸

13、鏈拆開和重組 氧化呼吸鏈各組分的順序排列是由以下實(shí)氧化呼吸鏈各組分的順序排列是由以下實(shí)驗(yàn)確定的驗(yàn)確定的目錄目錄1、NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體復(fù)合體CoQ 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O22 2、琥珀酸氧化呼吸鏈、琥珀酸氧化呼吸鏈 ( (FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈) )琥珀酸琥珀酸 復(fù)合體復(fù)合體 CoQ 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O2二、二、NADH和和FADH2是氧化呼吸鏈的電子是氧化呼吸鏈的電子供體供體根據(jù)電子供體及其傳遞過程，目前認(rèn)為，氧化根據(jù)電子供體及其傳遞過程，目前認(rèn)為，氧化呼吸鏈有兩條途徑：呼吸鏈有兩條途徑：目錄目錄NADHFMN(Fe-S)琥

14、珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈(FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈)目錄目錄呼吸鏈中各種氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位呼吸鏈中各種氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位氧化還原對(duì)氧化還原對(duì)E0(V)氧化還原對(duì)氧化還原對(duì)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.

15、10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816目錄目錄第二節(jié)第二節(jié) 氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化偶聯(lián)生成磷酸化偶聯(lián)生成ATP目錄目錄 底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)的過程。不經(jīng)電子傳遞。電子傳遞。 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼是指在呼吸

16、鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP，又稱為又稱為偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化。nATP生成方式生成方式目錄目錄一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復(fù)合體、內(nèi)內(nèi) 根據(jù)根據(jù)P/O比值比值 自由能變化自由能變化: G=-nFE 氧化磷酸化偶聯(lián)部位：氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體復(fù)合體、目錄目錄線線粒粒體體離離體體實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 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)合合體體2.5 2.5Cyt c復(fù)復(fù)合合體體O2琥琥珀珀酸酸復(fù)

17、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O20.61-0.68 1（一）（一）P/O 比值比值指氧化磷酸化過程中，每消耗指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾摩爾O2所生所生成成ATP的摩爾數(shù)（或一對(duì)電子通過氧化呼吸鏈傳遞的摩爾數(shù)（或一對(duì)電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成給氧所生成ATP分子數(shù)）。分子數(shù)）。 目錄目錄（二）自由能變化（二）自由能變化根據(jù)熱力學(xué)公式，根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(G0)與還原電位變化與還原電位變化(E0)之間有以

18、下關(guān)系：之間有以下關(guān)系：n為傳遞電子數(shù)；為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)為法拉第常數(shù)(96.5kJ/molV)G0 = -nFE0目錄目錄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/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能目錄目錄1ATP0.5ATP 1ATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQC

19、yt bCyt cCyt cCyt aa3O2目錄目錄二、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒二、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度化學(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)，可將質(zhì)子電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子(H+)從線從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與與Pi生成生成ATP。目錄目錄線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì) 線粒體膜線粒體膜 + + + + - - - - H+

20、O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說簡(jiǎn)單示意圖化學(xué)滲透假說簡(jiǎn)單示意圖目錄目錄 氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜； 線粒體內(nèi)膜對(duì)線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH、K、Cl離子是不通離子是不通透的；透的； 電子傳遞鏈可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移出線粒體，形成可測(cè)定電子傳遞鏈可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移出線粒體，形成可測(cè)定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度；的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度； 增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而線合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但

21、ATP生成減少。生成減少。 n 化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持?；瘜W(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+ 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) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程中電子傳遞過程中復(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。目錄目錄化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對(duì)電子傳遞鏈的影響化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對(duì)電子傳遞鏈的影響目錄目錄三、質(zhì)

22、子順濃度梯度回流釋放能量用于三、質(zhì)子順濃度梯度回流釋放能量用于合成合成 ATPF1：親水部分：親水部分 （動(dòng)物：（動(dòng)物：33亞基復(fù)合體，亞基復(fù)合體，OSCP、IF1 亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，），線粒體內(nèi)膜的基質(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（ab2c912亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子跨內(nèi)膜質(zhì)子通道通道 。nATP合酶結(jié)構(gòu)組成合酶結(jié)構(gòu)組成目錄目錄nATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)樣結(jié)構(gòu)合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)樣結(jié)構(gòu) F0的的2個(gè)個(gè)b亞基的一端錨定亞基的一端錨定F1的

23、的亞基，另一端通過亞基，另一端通過和和33穩(wěn)固結(jié)合，使穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和和33、亞基組成穩(wěn)亞基組成穩(wěn)定的定的定子部分定子部分。 部分部分和和亞基共同形成穿過亞基共同形成穿過33間中軸，間中軸，還與還與1個(gè)個(gè)亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)亞基環(huán)緊密結(jié)合。緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、亞基環(huán)、和和亞基組成亞基組成轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分。 質(zhì)子質(zhì)子順梯度向基質(zhì)順梯度向基質(zhì)回流回流時(shí)，轉(zhuǎn)子部分相對(duì)定子部時(shí)，轉(zhuǎn)子部分相對(duì)定子部分旋轉(zhuǎn)，使分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能量合酶利用釋放的能量合成合成ATP。 目錄目錄當(dāng)當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)順濃度遞度經(jīng)F0中中a亞基和亞基和c亞

24、基之間回流時(shí)，亞基之間回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生改變亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。ATP合酶的工作機(jī)制合酶的工作機(jī)制nATP合成的結(jié)合變構(gòu)機(jī)制合成的結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(binding change mechanism) 目錄目錄 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+ 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) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程中電子傳遞過程中復(fù)合體復(fù)合體 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)

25、有質(zhì)子泵功能有質(zhì)子泵功能。目錄目錄四、四、ATP在能量代謝中起核心作用在能量代謝中起核心作用細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)都是依序進(jìn)行、能量逐步得失。細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)都是依序進(jìn)行、能量逐步得失。ATP稱之為稱之為高能磷酸化合物高能磷酸化合物，可直接為細(xì)胞的，可直接為細(xì)胞的各種生理活動(dòng)提供能量，同時(shí)也有利于細(xì)胞對(duì)各種生理活動(dòng)提供能量，同時(shí)也有利于細(xì)胞對(duì)能量代謝進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)控。能量代謝進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)控。生物體能量代謝有其明顯的特點(diǎn)。生物體能量代謝有其明顯的特點(diǎn)。目錄目錄n高能磷酸鍵高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量大于水解時(shí)釋放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯的磷酸酯鍵，常表示為鍵，常表示為 P。n高能磷酸化合物高能磷酸化合物

26、含有高能磷酸鍵的化合物含有高能磷酸鍵的化合物目錄目錄化合物化合物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)乙酰輔酶乙酰輔酶A31.5(7.5)ADP AMPPi27.6(6.6)焦磷酸焦磷酸27.6(6.6)葡糖葡糖-1-磷酸磷酸20.9(5.0)一些重要有機(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能一些重要有機(jī)磷酸化合物水解釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能 目錄目錄（一）（一）ATP是體內(nèi)能量捕獲和釋放利用的

27、重要是體內(nèi)能量捕獲和釋放利用的重要分子分子ATP是體內(nèi)最重要的高能磷酸化合物，是細(xì)胞是體內(nèi)最重要的高能磷酸化合物，是細(xì)胞可直接利用的能量形式?？芍苯永玫哪芰啃问?。 ATP在生物能學(xué)上最重要的意義在于，通過其在生物能學(xué)上最重要的意義在于，通過其水解反應(yīng)釋放大量自由能和需要供能的反應(yīng)偶水解反應(yīng)釋放大量自由能和需要供能的反應(yīng)偶聯(lián)，使這些反應(yīng)在生理?xiàng)l件下完成。聯(lián)，使這些反應(yīng)在生理?xiàng)l件下完成。 目錄目錄 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 +

28、ADP ATP + AMP（二）（二）ATP是體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移和磷酸核苷化合物是體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移和磷酸核苷化合物相互轉(zhuǎn)變的核心相互轉(zhuǎn)變的核心 目錄目錄（三）（三）ATP通過轉(zhuǎn)移自身基團(tuán)提供能量通過轉(zhuǎn)移自身基團(tuán)提供能量因?yàn)橐驗(yàn)锳TP分子中的高能磷酸鍵水解釋放能量多，分子中的高能磷酸鍵水解釋放能量多，易釋放易釋放Pi、PPi基團(tuán)，很多酶促反應(yīng)由基團(tuán)，很多酶促反應(yīng)由ATP通通過共價(jià)鍵與底物或酶分子相連，將過共價(jià)鍵與底物或酶分子相連，將ATP分子中分子中的的Pi、PPi或者或者AMP基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物或酶蛋白基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物或酶蛋白上而形成中間產(chǎn)物，經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)變后再將這些上而形成中間產(chǎn)物，經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)變后再將這些基團(tuán)

29、水解而形成終產(chǎn)物。基團(tuán)水解而形成終產(chǎn)物。目錄目錄磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。（四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲(chǔ)存形式（四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲(chǔ)存形式目錄目錄 ATP的生成、儲(chǔ)存和利用的生成、儲(chǔ)存和利用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 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)能量的儲(chǔ)存和生物體內(nèi)能量的儲(chǔ)存和利

30、用都以利用都以ATP為中心。為中心。目錄目錄第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化的影響因素氧化磷酸化的影響因素 目錄目錄一、體內(nèi)能量狀態(tài)可調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率一、體內(nèi)能量狀態(tài)可調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是機(jī)體合成能量載體氧化磷酸化是機(jī)體合成能量載體ATPATP的最主要的最主要的途徑，因此機(jī)體根據(jù)的途徑，因此機(jī)體根據(jù)能量需求能量需求調(diào)節(jié)氧化磷調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率，從而調(diào)節(jié)酸化速率，從而調(diào)節(jié)ATPATP的生成量。的生成量。 目錄目錄二、抑制劑可阻斷氧化磷酸化過程二、抑制劑可阻斷氧化磷酸化過程（一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程（一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程 復(fù)合體復(fù)合體抑制劑：魚藤酮抑制劑：魚藤酮(rote

31、none)、粉蝶霉、粉蝶霉素素A(piericidin A)及異戊巴比妥及異戊巴比妥(amobarbital)等等阻斷傳遞電子到泛醌阻斷傳遞電子到泛醌 。 復(fù)合體復(fù)合體的抑制劑：萎銹靈的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。目錄目錄 復(fù)合體復(fù)合體抑制劑：抗霉素抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷阻斷Cyt bH傳遞電子到泛醌傳遞電子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇則作用；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)位點(diǎn)。 復(fù)合體復(fù)合體 抑制劑：抑制劑：CN、N3緊密結(jié)合中氧化型緊密結(jié)合中氧化型Cyt a3，阻斷電子由，阻斷電子由Cyt a到到CuB- Cyt a3間傳遞。間傳遞。CO與還原型與還原型Cyt a

32、3結(jié)合，結(jié)合，阻斷電子傳遞給阻斷電子傳遞給O2。 目錄目錄NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2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)目錄目錄不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響目錄目錄（二）解偶聯(lián)劑阻斷（二）解偶聯(lián)劑阻斷ADPADP的磷酸化過程的磷酸化過程 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作

33、用機(jī)制是聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞破壞電子傳遞過程建電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲(chǔ)存，使電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的的能量以熱能形式釋放能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶；解偶聯(lián)蛋白聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。目錄目錄解偶聯(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 目錄目錄（三）（三）ATP合酶抑制

34、劑同時(shí)抑制電子傳遞和合酶抑制劑同時(shí)抑制電子傳遞和ATP的生成的生成這類抑制劑對(duì)電子傳遞及這類抑制劑對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合可結(jié)合F0單位，二單位，二環(huán)己基碳二亞胺環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合F0的的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)質(zhì)子半通道回流，抑制子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電

35、子傳遞。能，繼而抑制電子傳遞。 目錄目錄 寡霉素寡霉素(oligomycin) 寡霉素寡霉素ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖合酶結(jié)構(gòu)模式圖可阻止質(zhì)子從可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回質(zhì)子通道回流，抑制流，抑制ATP生生成。成。目錄目錄電子傳遞鏈及氧化電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌磷酸化系統(tǒng)概貌H+ 跨膜質(zhì)子電化跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；學(xué)梯度；H+m內(nèi)膜內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè)H+；H+c 內(nèi)內(nèi)膜胞液側(cè)膜胞液側(cè)H+目錄目錄Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。三、三、甲狀腺激素甲狀腺激素可促進(jìn)氧化磷酸化和產(chǎn)熱可促進(jìn)氧化磷酸化和產(chǎn)熱目錄目錄四、線粒體四、線粒體DNA突變可影響機(jī)體氧化磷酸

36、突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能?；δ堋?線粒體線粒體DNA（mtDNA）呈裸露的環(huán)狀雙螺）呈裸露的環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易旋結(jié)構(gòu)，缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，容易受到損傷而發(fā)生突變，其突變率遠(yuǎn)高于核內(nèi)的基受到損傷而發(fā)生突變，其突變率遠(yuǎn)高于核內(nèi)的基因組因組DNA。目錄目錄五、線粒體的內(nèi)膜選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)氧五、線粒體的內(nèi)膜選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)氧化磷酸化相關(guān)代謝物化磷酸化相關(guān)代謝物線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)物質(zhì)通線粒體外膜通透性高，線粒體對(duì)物質(zhì)通過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter)對(duì)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。對(duì)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)

37、運(yùn)。目錄目錄轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入線粒體進(jìn)入線粒體出線粒體出線粒體ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶轉(zhuǎn)位酶ADP3-ATP4-磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白H2PO4- + H+二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HPO42-蘋果酸蘋果酸-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸蘋果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白蘋果酸蘋果酸檸檬酸檸檬酸堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白堿性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白脂酰肉堿脂酰肉堿肉堿肉堿線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體

38、內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn) 目錄目錄（一）胞漿中（一）胞漿中NADH通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈胞漿中胞漿中NADH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)入進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。- -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)n轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：目錄目錄1. -1. -磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中磷酸甘油穿梭主要存在于腦和骨骼肌中目錄目錄 NADH+H+ FADH2

39、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 CHOH目錄目錄2. 2. 蘋果酸蘋果酸- -天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中目錄目錄NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)

40、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 -OOC-CH2-C-COO-OHH蘋果酸蘋果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 蘋果酸蘋果酸 脫氫酶脫氫酶 谷草轉(zhuǎn)谷草轉(zhuǎn) 氨酶氨酶 胞液胞液 線線粒粒體體內(nèi)內(nèi)膜膜 基質(zhì)基質(zhì) 呼吸鏈呼吸鏈 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H目錄目錄（二）（二）ATP-ADP轉(zhuǎn)

41、位酶協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)位酶協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)ADP進(jìn)入和進(jìn)入和ATP移出線粒體移出線粒體目錄目錄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ATP4-和和ADP3-反向轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，向內(nèi)膜外凈反向轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，向內(nèi)膜外凈轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移1個(gè)負(fù)電荷個(gè)負(fù)電荷 ，相當(dāng)于多，相當(dāng)于多1個(gè)個(gè)H+轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。 目錄目錄第四節(jié)第四節(jié) 其他氧化與抗氧化體系其他氧化與抗氧化體系目錄目錄n反應(yīng)活性氧類反應(yīng)活性氧類(reactive oxygen species, ROS)O2e-O-2e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反應(yīng)活性氧類反應(yīng)活性氧類一