藥學(xué)分子生物學(xué)2015年生物氧化

1、1第二篇 物質(zhì)代謝與能量代謝 糖的代謝 脂類代謝 氨基酸的代謝 生物氧化 核苷酸代謝 物質(zhì)代謝與調(diào)節(jié)2生物氧化生物氧化Biological Oxidation23 概述 線粒體氧化體系l ATPl 呼吸鏈的組成與排列順序l 氧化磷酸化l 胞液中NADH的氧化 非線粒體氧化體系內(nèi)容提綱4氧化還原的化學(xué)本質(zhì)5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，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解等在體內(nèi)分解時時逐步釋放逐步釋放能量，最終能量，最終生成生成CO2 和和 H2O的過程。的過程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)

2、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 6n生物氧化與體外氧化之生物氧化與體外氧化之相同點相同點 生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時所消耗的氧量、最物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物終產(chǎn)物(CO2，H2O)和釋放能量均相同。和釋放能量均相同。7 反應(yīng)環(huán)境反應(yīng)環(huán)境溫和溫和，酶促反應(yīng)，酶促反應(yīng)逐步逐步進(jìn)行進(jìn)行，能量，能量逐步釋放逐步釋放，能量容，能量容易捕獲，易捕獲，ATP生成生成效率高。效率高。 通過通過加水脫

3、氫反應(yīng)加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會；接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會；脫下的脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生氫與氧結(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。n 生物氧化與體外氧化之生物氧化與體外氧化之不同點不同點生物氧化生物氧化體外氧化體外氧化 能量突然釋放。能量突然釋放。 物質(zhì)中的碳和氫直接物質(zhì)中的碳和氫直接氧結(jié)合生成氧結(jié)合生成CO2H2O 。8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 n 生物氧化的一般過程生物氧化的一般過程NADH+H+、FADH2 9生物氧化的實

4、質(zhì)實質(zhì)為氧化磷酸化，是NADH、FADH2上的電子通過一系列的電子傳遞體傳遞給O2生成水，并將釋放的能量使ADP磷酸化形成ATP的過程。10氧化磷酸化發(fā)生的部位-線粒體1112兩個問題 還原當(dāng)量是如何在呼吸鏈上與氧結(jié)合生成水？ 氧化呼吸鏈上的電子傳遞又是如何與ATP的生成偶聯(lián)在一起的？13第一節(jié)第一節(jié) 生成生成ATP的氧化磷酸化體系的氧化磷酸化體系The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing14指指線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜中按一定順序排列的一系列具中按一定順序排列的一系列具有有電子傳遞功能電子傳遞功能的的酶復(fù)合體酶復(fù)合體，通過連鎖的

5、，通過連鎖的氧化還氧化還原反應(yīng)原反應(yīng)將代謝物脫下的將代謝物脫下的成對的氫原子最終傳遞給成對的氫原子最終傳遞給氧氧 生 成生 成 水水 。 這 一 系 列 酶 和 輔 酶 稱 為。 這 一 系 列 酶 和 輔 酶 稱 為 呼 吸 鏈呼 吸 鏈(respiratory chain)。由于呼吸鏈在傳遞氫的同時由于呼吸鏈在傳遞氫的同時也傳遞了電子，因此又稱也傳遞了電子，因此又稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈(electron transfer chain)。一、呼吸鏈一、呼吸鏈n定義定義遞氫體和電子傳遞體遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e）n組成組成15酶復(fù)合體是酶復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈

6、的天然存氧化呼吸鏈的天然存在形式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。電在形式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。電子傳遞過程釋放的能量子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動驅(qū)動H+移出移出線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜到到膜間隙膜間隙，轉(zhuǎn)變?yōu)?，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜跨內(nèi)膜H+梯度的能量梯度的能量，再用于，再用于ATP的生物合成的生物合成。 （一）氧化呼吸鏈由（一）氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力種具有傳遞電子能力的復(fù)合體組成的復(fù)合體組成16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)合位點含結(jié)合位點復(fù)合體復(fù)合體NADH-泛醌泛醌還原酶還原酶85039FMN，F(xiàn)

7、e-SNADH（基質(zhì)側(cè)）（基質(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)） 泛醌不包含在上述四種復(fù)合體中。是完成電泛醌不包含在上述四種復(fù)合體中。是完成電

8、子傳遞的功能輔基。子傳遞的功能輔基。17 Cytcox NADH+H+ NAD+ 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 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+2H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 2H+2H+電子傳遞鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置電子傳遞鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置FADH2 18復(fù)合體之間氧化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 復(fù)合體各個組分傳遞電子的分子基礎(chǔ)是什么？ 遞氫體與遞電子體19NAD+和和NADP+的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+20NAD+（NADP+）和）和NAD

9、H（NADPH）相互轉(zhuǎn)變）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時變化發(fā)生在氧化還原反應(yīng)時變化發(fā)生在五價氮五價氮和和三價氮三價氮之間。之間。21黃素蛋白含有核黃素輔基的蛋白。 FMN FAD22FMN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)時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是，氧化還原反應(yīng)時不穩(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)，屬于種分子狀態(tài)，屬于單、單、雙電子傳遞體。雙電子傳遞體。 FAD也是如此。23鐵硫蛋白中輔基鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原含有等量鐵原子和硫原子，其中子和硫原子，其中一個鐵原

10、子一個鐵原子可進(jìn)行可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體屬于單電子傳遞體。 表示無機(jī)硫表示無機(jī)硫24 鐵硫蛋白鐵硫蛋白 無機(jī)硫無機(jī)硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫25泛醌（泛醌（輔酶輔酶Q, CoQ, Q）是）是脂溶性脂溶性的苯醌。由多的苯醌。由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），），氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物氧化還原反應(yīng)時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌半醌型泛醌。內(nèi)膜中。內(nèi)膜中可移動電子載體可移動電子載體，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原，在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動電子傳遞

11、和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核的偶聯(lián)中起著核心作用。心作用。26細(xì)胞色素細(xì)胞色素(cytochrome, Cyt) 細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳細(xì)胞色素是一類以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。鐵卟啉根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。鐵卟啉環(huán)中的鐵原子可進(jìn)行環(huán)中的鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e反應(yīng)傳遞電子。反應(yīng)傳遞電子。屬于屬于單電子傳遞體。單電子傳遞體。 27 電子傳遞體電子傳遞體氧化還原體系中，將電子從低還原電位向高氧化還原電氧化還原體系中，將電子從低還原電位向高氧化還原電位傳遞的分子基團(tuán)。如黃素蛋白、鐵硫中心等。位傳遞的分子基團(tuán)。如黃素蛋白、鐵硫中

12、心等。 遞氫體遞氫體氧化還原反應(yīng)中，接收代謝物脫下來的氫，進(jìn)行加氫與氧化還原反應(yīng)中，接收代謝物脫下來的氫，進(jìn)行加氫與脫氫反應(yīng)的分子基團(tuán)。如黃素蛋白等。脫氫反應(yīng)的分子基團(tuán)。如黃素蛋白等。遞氫體與電子傳遞體遞氫體與電子傳遞體遞氫體同時也是電子傳遞體！遞氫體同時也是電子傳遞體！28各個復(fù)合體的功能各個復(fù)合體的功能29 復(fù)合體復(fù)合體又稱又稱NADH-泛醌還原酶。泛醌還原酶。 復(fù)合體復(fù)合體電子傳遞：電子傳遞：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每傳遞每傳遞2個電子可將個電子可將4個個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，胞漿側(cè)，復(fù)合體復(fù)合體有質(zhì)子泵功能。有質(zhì)子泵功能。1、復(fù)合體、復(fù)合

13、體作用是將作用是將NADH+H+中的電子傳遞給中的電子傳遞給泛醌泛醌(ubiquinone)30復(fù)合體復(fù)合體的功能的功能1. 1.電子傳遞電子傳遞2. 2.質(zhì)子泵質(zhì)子泵 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2NADHNADH來源來源3- 3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油醛脫氫酶丙酮酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶- -酮戊二酸脫氫酶酮戊二酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶-羥丁酸脫氫酶羥丁酸脫氫酶-羥脂酰羥脂酰CoACoA脫氫酶脫氫酶 4H4H+ + 31 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，

14、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！2、復(fù)合體、復(fù)合體功能是將功能是將電子從琥珀酸傳遞到泛醌電子從琥珀酸傳遞到泛醌。32FADH2FADH2來源來源琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶脂酰脂酰CoACoA脫氫酶脫氫酶 磷酸甘油脫氫酶（線粒體磷酸甘油脫氫酶（線粒體內(nèi)）內(nèi)）333 3、復(fù)合體、復(fù)合體功能是將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)功能是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，細(xì)胞色，細(xì)胞色素素b-c1復(fù)合體，含有細(xì)胞色素復(fù)

15、合體，含有細(xì)胞色素b(b562, b566)、細(xì)胞色素細(xì)胞色素c1和一種可移動的鐵硫蛋白和一種可移動的鐵硫蛋白(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 Cytc1Cytc34 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)”實現(xiàn)。實現(xiàn)。 復(fù)合體復(fù)合體每傳遞每傳遞2個電個電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個個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

16、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。35 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(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。每。每2個電子傳遞過程使個電子傳遞過程使2個個H+跨內(nèi)膜向胞漿跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移側(cè)轉(zhuǎn)移 。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36復(fù)復(fù)合合體體的的電電子子傳傳遞遞過過程程37細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶CuB-C

17、yta3中心使中心使O2還原成還原成水的過程，水的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合結(jié)合，不會引起細(xì)胞損傷。，不會引起細(xì)胞損傷。2H+2H2O38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（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高的順序排列到高的順序排列 由以下實驗確定由以下實驗確定: :39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)N

18、AD+ /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+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816401、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O22 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 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O241N

19、ADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈42二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與與ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP偶聯(lián)偶聯(lián) 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼是指在呼吸鏈電子傳遞過程中吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)偶聯(lián)ADP磷酸化磷酸化，生成，生成ATP，又稱為又稱為偶偶聯(lián)磷酸化聯(lián)磷酸化。 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)與

20、脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使，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。的過程。不經(jīng)不經(jīng)電子傳遞。電子傳遞。nATP生成方式生成方式43底物磷酸化44（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：復(fù)合體氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體、45線線粒粒體體離離體體實實驗驗測測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

21、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O20.61-0.68 11、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)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞的摩爾數(shù)（或一對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)）。 462 2、自由能變化、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時標(biāo)準(zhǔn)自由能變化時標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(G0)與

22、還原電位變化與還原電位變化(E0)之間有以下關(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生成生成ATP最少需要最少需要30.5KJ！47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48ATPATP ATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)

23、部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O249( (二二) )氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度1、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，可將質(zhì)子電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，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)子內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度儲存能量。當(dāng)儲存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃質(zhì)子順濃度梯度回流度梯度回流時驅(qū)動時驅(qū)動ADP與與Pi生成生成ATP。50 氧

24、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)膜對線粒體內(nèi)膜對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)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(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)得到廣泛的實驗支持?；瘜W(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持。

25、51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52 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。53化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的

26、影響化學(xué)滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響54（三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被（三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶合酶利用催化利用催化ATP合成合成F1：親水部分：親水部分 （動物：（動物：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），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，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，動物還有其他輔助亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)跨內(nèi)膜質(zhì)子通道子通道 。nATP合酶結(jié)構(gòu)組成合酶結(jié)構(gòu)組成55基質(zhì)側(cè)胞液側(cè)56質(zhì)子半通道57nATP合酶

27、組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)樣結(jié)構(gòu)合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)樣結(jié)構(gòu) F0的的2個個b亞基的一端錨定亞基的一端錨定F1的的亞基，另一端通亞基，另一端通過過和和33穩(wěn)固結(jié)合，使穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和和33、亞基組成亞基組成穩(wěn)定的穩(wěn)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個個亞基疏松結(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，轉(zhuǎn)子部分相對定子部時，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用釋放的能

28、量合酶利用釋放的能量合成合成ATP。合成合成1個分子的個分子的ATP需要直接有需要直接有3個質(zhì)子通過質(zhì)子個質(zhì)子通過質(zhì)子通道。通道。 58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亞基之間回流時，亞基之間回流時，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個個亞基的構(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) 59三、氧化磷酸化作用可受某些三、氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素影響內(nèi)外源因素影響（一）有（一）有3類氧化磷酸化抑制劑類氧化磷酸化抑制劑1 1、呼吸鏈抑制劑阻斷氧化磷酸化的

29、電子傳遞過程、呼吸鏈抑制劑阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程 復(fù)合體復(fù)合體抑制劑：魚藤酮抑制劑：魚藤酮(rotenone)、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)。60 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位點位點。 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

30、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 a3結(jié)合，結(jié)合，阻斷電子傳遞給阻斷電子傳遞給O2。 61NADHFMN(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各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點622 2、解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度、解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使可使氧化與

31、磷酸化的偶氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲存，使電化學(xué)梯度儲存的能量的能量以熱能形式釋放，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)。63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 A

32、TP 643、ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成的生成這類抑制劑對電子傳遞及這類抑制劑對電子傳遞及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)共價結(jié)合共價結(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

33、吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。能，繼而抑制電子傳遞。 65 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。66Na+，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。（二）（二）ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。的主要因素。 呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)（三）甲狀腺激素刺激機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱同時（三）甲狀腺激素刺激機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱同時增加。增加。（四）線

34、粒體（四）線粒體DNA突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能。突變可影響機(jī)體氧化磷酸化功能。67電子傳遞鏈及電子傳遞鏈及氧化磷酸化系氧化磷酸化系統(tǒng)概貌統(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+68四、四、ATP在能量的生成、利用、在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用轉(zhuǎn)移和儲存中起核心作用n高能磷酸鍵高能磷酸鍵水解時釋放的能量大于水解時釋放的能量大于21kJ/mol的磷酸的磷酸酯鍵，常表示為酯鍵，常表示為 P。n高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物含有高能磷酸鍵的化合物69化合物化合物E0kJ/mol(kcal/

35、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)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖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 70 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

36、ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP71n肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用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。72 ATP的生成和利用的生成和利用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)主動轉(zhuǎn)運物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運) ) 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)能量的儲存和生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以利用都

37、以ATP為中心。為中心。73五、線粒體內(nèi)膜對各種物質(zhì)五、線粒體內(nèi)膜對各種物質(zhì)進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)運進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)運線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通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)運蛋白過的選擇性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運蛋白(transporter)對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。對各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。74轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白進(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)運蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白H2PO4- + H+二羧酸轉(zhuǎn)運蛋白二羧酸轉(zhuǎn)運蛋白HPO42-蘋果酸蘋果酸-酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸蘋果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨

38、酸轉(zhuǎn)運蛋谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸轉(zhuǎn)運蛋白三羧酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸蘋果酸檸檬酸檸檬酸堿性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白堿性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉堿轉(zhuǎn)運蛋白肉堿轉(zhuǎn)運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)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運 75（一）胞漿中（一）胞漿中NADH通過穿梭機(jī)制進(jìn)通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體氧化呼吸鏈入線粒體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)運機(jī)制轉(zhuǎn)運機(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(

39、-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)運機(jī)制：轉(zhuǎn)運機(jī)制：761 1、-磷酸甘油磷酸甘油穿梭主要存在于穿梭主要存在于腦和骨骼肌腦和骨骼肌中中77 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

40、 CHOH782 2、蘋果酸蘋果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭主要存在于主要存在于肝和心肌肝和心肌中中79NADH +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)運體轉(zhuǎn)運體蘋果酸蘋果酸-酮酮 戊二酸轉(zhuǎn)運體戊二酸轉(zhuǎn)運體 -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

41、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+H80（二）（二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶促進(jìn)轉(zhuǎn)位酶促進(jìn)ADP進(jìn)入進(jìn)入和和ATP移出緊密偶聯(lián)移出緊密偶聯(lián)81ATP4- 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)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白磷酸磷酸轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- 3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP4-和和ADP3-

42、反向轉(zhuǎn)運時，向內(nèi)膜外凈反向轉(zhuǎn)運時，向內(nèi)膜外凈轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移1個負(fù)電荷個負(fù)電荷 ，相當(dāng)于多，相當(dāng)于多1個個H+轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。 82第二節(jié)第二節(jié) 其他不生成其他不生成ATP的氧化體系的氧化體系-選修選修The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing83一、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧類一、抗氧化酶體系有清除反應(yīng)活性氧類的功能的功能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84nROS主要來源主要來源 線粒體：線粒體：超氧