糖代謝生物氧化

1、第四節(jié) 生物氧化1學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握能斯特方程及相關(guān)計(jì)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(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。掌握化學(xué)滲透理論的要點(diǎn)，以及電子傳遞是如何與ADP的磷酸化相偶聯(lián)的。熟悉細(xì)胞溶膠中的NADH的再氧化途徑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?zhǔn)请娮訌腘ADH (FADH2)經(jīng)過(guò)一系列的載體的傳遞，最終到達(dá)O2 所經(jīng)過(guò)的途徑。也稱為呼吸鏈（respiratory chain）氧化磷酸化作用是電子在沿著電子傳遞鏈傳遞過(guò)程中所伴隨的將A

2、DP磷酸化而形成ATP的全過(guò)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。化學(xué)滲透理論：電子傳遞釋放出的自由能驅(qū)動(dòng)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(guò)H+回流再驅(qū)動(dòng)ATP合成。穿梭機(jī)制使得胞液中的NADH可被有氧氧化甘油磷酸穿梭機(jī)制(1.5個(gè) ATP)，蘋果酸天冬氨酸穿梭機(jī)制(2.5個(gè) ATP)。3教學(xué)內(nèi)容生物氧化的定義一、氧化-還原電勢(shì)二、電子傳遞和呼吸鏈三、氧化磷酸化作用4 生物氧化(biological oxidation): 有機(jī)分子在細(xì)胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放能量形成ATP的過(guò)程.又稱為細(xì)胞氧化，細(xì)胞呼吸，組織呼吸。 電子傳遞 H2

3、O 質(zhì)子梯度 氧化磷酸化 ATPEMP / TCACO2、ATP、NADH、FADH2 生物氧化的特點(diǎn)：1 體溫，酶促，逐步氧化分次放能2 主要貯存于ATP中56（一）氧化-還原電勢(shì)（二）電勢(shì)和自由能的關(guān)系（三）標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)和平衡常數(shù)的關(guān)系一、氧化-還原電勢(shì)7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(xué)反應(yīng)。例： Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu兩個(gè)半反應(yīng)：氧化反應(yīng)： Zn Zn2+ + 2e還原反應(yīng)： Cu2+ +2e Cu每個(gè)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(shì)8氧化型 + ne 還原型正向?yàn)檫€原，逆向?yàn)檠趸?，它們彼此依存，相互轉(zhuǎn)化，關(guān)系與共

4、軛酸堿對(duì)一樣。稱為氧化還原電對(duì)（電對(duì)）。電對(duì)符號(hào)：氧化型還原型氧還電對(duì): Zn2+ / Zn； Cu2+ / Cu； NAD+ / NADH+H+小結(jié)每個(gè)氧化還原反應(yīng)至少有兩個(gè)電對(duì)，分別稱為氧化劑電對(duì)和還原劑電對(duì)。氧化劑氧化劑電對(duì)的氧化型充當(dāng)還原劑還原劑電對(duì)的還原型充當(dāng)9還原型氧化型 氧還電對(duì)氧化-還原Fe3+ /Fe2+10化學(xué)電池，原電池正極(+)，負(fù)極(-)電極電勢(shì) ( electric potential, E )， 電極勢(shì)，電極電位氧化-還原電勢(shì), E (oxidation-reduction potential): 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

5、對(duì)，越傾向 于獲得電子 衡量電極反應(yīng)趨勢(shì)的參數(shù) 判斷氧化還原反應(yīng)能否 進(jìn)行的依據(jù) Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-11電極勢(shì)（E）與電動(dòng)勢(shì)（ ）： 電池的電動(dòng)勢(shì)（） = E正極 E負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電極勢(shì)，E0 (standard electrode potential) : 氧還電對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下（pH=0、25C、1atm、電子供、受體濃度為1mol/L）的電極勢(shì)。 標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)(standard potential) 標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)(standard reduction potential) 標(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電勢(shì)(standard oxidation-red

6、uction potential)pH = 7時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢(shì)： E0 Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-12標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)( 0 ) : 0 = E0正極 E0負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)氫電極 ( 鉑電極, 25C, 1atm氫壓力、 pH=0)氫標(biāo)電勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極勢(shì)為零，E0(H+/H2) = 0測(cè)定銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的裝置 0 = E0Cu E0H+13標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì):pH=70 = E0正極 E0負(fù)極E0氫標(biāo)電勢(shì)pH14標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)(0)； 標(biāo)準(zhǔn)電極勢(shì)，E0 ； 0 = E0正 E0負(fù)氫鋅電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) 0 = 0.763 V, 0.763 = E0H+/

7、H2 E0Zn2+/Zn E0H+/H2 = 0, E0Zn2+/Zn = - 0.763 V求氧化-還原物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) （與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池）甘汞電極15表Standard electrode potential16E0標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)定條件：pH7.0, 25 ,標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電勢(shì):17ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL18計(jì)算電極在溶液中的電極電勢(shì)（E） （即電極上氧還電對(duì)的氧還電勢(shì)）： 能斯特方程(Nernst equation) En = E0 + RT/nF ln 電子受體a

8、電子供體b En 電極勢(shì)； E0 標(biāo)準(zhǔn)電極勢(shì) R氣體常數(shù)； T絕對(duì)溫度； n氧還反應(yīng)價(jià)數(shù)變化； F法拉第常數(shù) 氧還電對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下（pH=7、25C、1atm、電子供、受體濃度為1mol/L）的電極勢(shì)。19能斯特方程(Nernst equation)計(jì)算電極在溶液中的電極電勢(shì)： 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+ 2/Fe2+ 2課外閱讀20（二）電勢(shì)和自由能變化的關(guān)系 E0 = E0電子受體(正極） E0電子供體（負(fù)極） E = E電子受體 E電子供體標(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電勢(shì)差與標(biāo)

9、準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電勢(shì)差。自由能的變化代表著氧還體系轉(zhuǎn)移電子的能力21220.1001.0023 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(duì)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(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)和平衡常數(shù)的關(guān)系細(xì)胞中的多種反應(yīng)都是依靠電動(dòng)勢(shì)（電勢(shì)差）推動(dòng)的 如：離子梯度造成的跨膜電勢(shì)差可推動(dòng)能量轉(zhuǎn)換24 比

10、較氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱 計(jì)算原電池的電動(dòng)勢(shì) 判斷氧化還原反應(yīng)的方向 確定氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的限度 (平衡狀態(tài)) 電極電勢(shì)的應(yīng)用 25（一） 電子傳遞鏈（二） 電子傳遞鏈各個(gè)成員（三） 電子傳遞的抑制劑二、電子傳遞過(guò)程和呼吸鏈26 電子傳遞鏈（electron transport chain）：電子從NADH (或FADH2)經(jīng)過(guò)一系列載體的傳遞，最終到達(dá)O2 所經(jīng)過(guò)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(guò)程中所伴隨的將ADP磷酸化而形成ATP的全過(guò)程。 (氧化呼吸，呼吸代謝) （注意區(qū)分底物水平磷酸化） 電子傳遞過(guò)程 電子的流動(dòng)方

11、向總是由電負(fù)性較強(qiáng)的氧還電對(duì)流向具有更強(qiáng)電正性的氧還電對(duì)，同時(shí)自由能降低 電子傳遞鏈：線粒體內(nèi)膜（真核細(xì)胞） 質(zhì)膜（原核細(xì)胞）（一） 電子傳遞鏈27 (二) 電子傳遞鏈(呼吸鏈)的組成： 呼吸鏈中的4個(gè)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, 琥珀酸脫氫酶復(fù)合物復(fù)合體 III：細(xì)胞色素還原酶（ cytochrome reductase)， 泛醌-細(xì)胞色素c氧化還原酶,細(xì)胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體 IV：

12、細(xì)胞色素氧化酶（cytochrome oxidase） 2個(gè)流動(dòng)電子載體： 輔酶Q（CoQ） 細(xì)胞色素c(Cyt c)28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(xì)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(xì)胞色素氧化酶13血紅素 a血紅素 a3Cu2+人體線粒體呼吸鏈復(fù)合體29（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 P12130Fe-S 2Fe-2S

13、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(wú)機(jī)硫原子與鐵離子形成鐵硫中心(鐵硫聚簇)，一次可傳遞一個(gè)電子。4Fe-4S3Fe-4S 鐵硫蛋白中的鐵硫中心(鐵硫聚簇) 31 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(gè)ATP分子。第一個(gè)質(zhì)子泵（H+由線粒體基質(zhì) 內(nèi)外膜間隙）, 每傳遞兩個(gè)電子，泵出4個(gè)H+。 32（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

14、體（無(wú)蛋白），可從一個(gè)酶移動(dòng)到另一個(gè)酶，是電子傳遞樞紐，也是遞氫體。是許多酶的輔酶。n =10：哺乳動(dòng)物 (Q10)n =68：非哺乳動(dòng)物33（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b56034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.coli352Fe-2S3Fe-4S4Fe-4S3-磷酸甘油脫氫酶36復(fù)合體III的輔基：血紅素b562

15、(bH, bK)血紅素b566 (bL, bT)血紅素c12Fe-2S中心（4）細(xì)胞色素還原酶（complex III）：b562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 37細(xì)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: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(xì)胞色素cFe3+ + e Fe2+38區(qū)別細(xì)胞色素種類的重要指標(biāo)39細(xì)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

16、蛋白連接方式不同40多聚異戊二烯長(zhǎng)鏈血紅蛋白肌紅蛋白甲?；?1復(fù)合體42Q循環(huán)：兩個(gè)QH2 參與電子傳遞，通過(guò)細(xì)胞色素還原酶分別使 兩個(gè)細(xì)胞色素 c 還原， 經(jīng)過(guò)全過(guò)程又產(chǎn)生了一個(gè)QH2。CoQ cyt c是第二個(gè)與ATP合成相偶聯(lián)的部位。細(xì)胞色素還原酶（complex III）是第二個(gè)質(zhì)子泵，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 )43Cys細(xì)胞色素c（5）細(xì)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(xì)胞色素。Cyt c是水溶性流動(dòng)電子載體 44（6）細(xì)

17、胞色素氧化酶（complex IV）細(xì)胞色素氧化酶是一個(gè)由13個(gè)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(gè)氧化-還原反應(yīng)中心： 血紅素 a- CuA中心 (II) 血紅素 a3 CuB中心 (I)電子在細(xì)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 center45Fe3+ Cu2+ e-Fe3+ Cu+ e-Fe2+ Cu+O2Fe2+-O Cu+OFe3+-O- Cu2+-Oe-+2H+Fe4+=O2- Cu2+OHHe-+2H+2H2OP

18、eroxy intermediate過(guò)氧中間體Ferryl intermediate高鐵中間體細(xì)胞色素氧化酶催化氧接受4個(gè)電子的過(guò)程血紅素 a3 CuB中心462Cyt c（還原）+ 1/2 O2 2 Cyt c（氧化）+ H2O E0 = 0.58V， G0 = - 112 kJ/mol 細(xì)胞色素氧化酶（complex IV）是第三個(gè)質(zhì)子泵，是第三個(gè)與ATP合成相偶聯(lián)的部位。 泵出 2H+/ 2e 4個(gè)電子與氧結(jié)合的過(guò)程 避免超氧陰離子的形成complex IV47NADHFMN(Fe-S)QCyt c1 Cyt c Cyt aa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)QCyt c1 Cyt c Cy

19、t aa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈復(fù)習(xí)閱讀48491分子O2還原成水，是一個(gè)4電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程。CoQ（在膜內(nèi)流動(dòng)）和Cyt c（在內(nèi)膜的外表面擴(kuò)散）是可流動(dòng)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(duì)電子從NADH到O2分子，經(jīng)歷3個(gè)ATP 合成部位，產(chǎn)生2.5個(gè)ATP；一對(duì)電子從FADH2到O2分子，經(jīng)歷2個(gè)ATP 合成部位，產(chǎn)生1.5個(gè)ATP。50(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(yú)藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、 殺粉蝶菌素（piericidi

20、n）: 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, 導(dǎo)致Cyt c O2電子傳遞中斷51硫化氫二巰基丙醇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(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶 1/2O2+2H+ H2O

21、E0= 0. 360VG0= -69. 5kJ/molE0= 0. 190VG0= -36. 7kJ/mol ATPE0= 0.580VG0= -112kJ/mol 0.5ATP魚(yú)藤酮、安密妥等抗霉素ACN-、N3-、CO、H2SE0= 0. 015VG0= -2. 9kJ/mol ATP53三、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(jī)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(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化（六） 葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算54（一） 線粒體的結(jié)構(gòu)55（二）氧化磷酸化(oxidative p

22、hosphorylation)作用的機(jī)制 1953年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 1956年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 1961年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說(shuō)56 氧化磷酸化作用的機(jī)制： 1 三種假說(shuō)： 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)(chemical coupling hypothesis) 產(chǎn)生活潑的高能共價(jià)中間物。 沒(méi)有證據(jù) 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)(conformational coupling hypothesis) 內(nèi)膜蛋白構(gòu)象變化形成一種高能形式，恢復(fù)原來(lái)構(gòu)象過(guò)程中合成ATP。 沒(méi)有有力證據(jù) 化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotic hypothesis) 1961，P.

23、 Mitchell提出，1978年Nobel 化學(xué)獎(jiǎng) 電子傳遞釋放出的自由能驅(qū)動(dòng)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(guò)H+ 回流驅(qū)動(dòng)ATP合成。 有許多證據(jù)P. Mitchell 1920-199257化學(xué)滲透假說(shuō)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 582 質(zhì)子梯度（ proton gradient）的形成： 質(zhì)子動(dòng)勢(shì)或質(zhì)子動(dòng)力(proton-motive force, pmf)：因電子傳遞使H+

24、跨mit內(nèi)膜流向間隙，造成mit間隙形成正電勢(shì)，mit基質(zhì)形成負(fù)電勢(shì)，這樣產(chǎn)生的電化學(xué)梯度即電動(dòng)勢(shì)（electromotive force, emf).59（1） 質(zhì)子泵出是需能過(guò)程 一個(gè)質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過(guò)線粒 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(duì)溫度； Z:質(zhì)子上的電荷（包括符號(hào)）； 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(fù)），所以 G 0。是需能過(guò)程。60呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中，哪些區(qū)

25、段放出的能量能實(shí)現(xiàn)ADP的磷酸化？0.5 ATP61通過(guò)形成ATP，共截獲釋放的總能量的百分?jǐn)?shù)？62 H+的轉(zhuǎn)移(外排)與電子傳遞鏈上三個(gè)復(fù)合體有關(guān)： complex I, complex III和complex IV，為三個(gè)質(zhì)子泵。 質(zhì)子移動(dòng)力與跨膜的pH梯度和膜電位有關(guān)，每合成一個(gè) ATP需要有 2-3個(gè)H+ 跨膜（3個(gè)）。 63(2) 質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制的兩種假設(shè) 氧化-還原回路機(jī)制，氧-還回路：(H+ + e- )載體， Q循環(huán) 質(zhì)子泵機(jī)制：電子傳遞過(guò)程導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象變化, 造成氨基酸側(cè)鏈pK值的改變高643 ATP合成機(jī)制：(1) ATP酶種類： P型：?jiǎn)坞逆?，水解ATP，用于轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+

26、、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(xí)65 (2) ATP合酶, FoF1-ATP酶（啞鈴狀，F(xiàn)型ATP酶） Fo單元 F1單元 FoF1之間的柄 Fo單元(ab2c 10-12):質(zhì)子通道 跨膜部分 含6個(gè)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(guò)Fo 。 寡霉素(

27、oligomycin)可與FO結(jié)合，抑制質(zhì)子通過(guò)FO。66 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(xué)梯度時(shí)，催化ATP水解 F1抑制劑(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 )P13467(3) ATP合酶催化機(jī)制：結(jié)合變化機(jī)制(旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)) (bindin

28、g-change mechanism) （美 Paul Boyer 提出）：結(jié)合變化機(jī)制(旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō))要點(diǎn)如下(3個(gè)方面)： ATP合酶利用質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生構(gòu)象的改變，改變了 與底物的親和力，催化ATP的形成和釋放。 F1具有三個(gè)催化位點(diǎn)，分別位于三個(gè)亞基上, 在特定的時(shí)間，三個(gè)催化位點(diǎn)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(guò)程中，三個(gè)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H+

29、梯度提供。Boyer和Walker獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。68 質(zhì)子流通過(guò)Fo引起c亞基寡聚體構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)和亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部是高度不對(duì)稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起3個(gè)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(lái)。亞基的中心 -螺旋被認(rèn)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(shuō))分子馬達(dá)(molecular motor)-empty, -ADP, -ATP O L T69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(lái)70化學(xué)滲透假說(shuō)原理示意圖4H+4H+2H+

30、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 71 ATP/ADP交換體72合成和輸出1個(gè)ATP = 消耗4個(gè)H+73NADH：10H+/3 = 3ATP FADH2 ： 6H+/3 = 2 ATP74 氧化磷酸化過(guò)程：NADH或FADH2上的電子經(jīng)電子傳遞鏈傳給O2電子傳遞過(guò)程中放出的能量使三個(gè)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(guò)程中驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化，合成ATP75 （1）解偶聯(lián)劑 （uncouplers）： 抑

31、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+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外DNP2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用76三氟甲氧基苯腙羰基氰化物7778（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。79 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ATP合成H + 電化學(xué)梯度異常增高抑制磷酸化過(guò)程抑制電子傳遞的氧化過(guò)程 寡霉素抑制劑

32、結(jié)合到ATP合酶的Fo亞基上，抑制H+通過(guò)Fo，而不是結(jié)合到寡霉素敏感性付與蛋白（OSCP）上。80（3）離子載體抑制劑 （ionophores) ：脂溶性，運(yùn)輸某些一價(jià)陽(yáng)離子，破壞H+電荷梯度，抑制ATP合成 移動(dòng)性載體：如：纈氨霉素(valinomycin)，專一性運(yùn)K+ 通過(guò)將膜外的K+轉(zhuǎn)運(yùn)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(jià)陽(yáng)離子順梯度通過(guò)短桿菌肽雙分子膜通道，valinomycinGramicin ANMR 衍射圖81 解偶聯(lián)的生理意義： 人類、新生哺乳動(dòng)物、冬眠動(dòng)物褐色脂肪組織(brown fat)中的線粒體，含

33、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(jī)制（褐色脂肪組織線粒體）82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+8384蒼術(shù)苷金輪霉素黑星菌素85黑星菌素8687（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(wú)底物，無(wú)ADP狀態(tài)II：無(wú)底物，有ADP狀態(tài)III：有底物、ADP狀態(tài)IV：有底物，無(wú)ADP狀態(tài)V：

34、有底物、ADP， O2耗盡88 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892. 呼吸控制 (respiratory control)指ADP對(duì)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(shí)氧的利用速度（狀態(tài)） 沒(méi)有ADP存在時(shí)氧的利用速度（狀態(tài)） 完整 mit: 可達(dá)10以上； 受損傷或衰老的 mit：可低至14. 磷氧比（P/O） 物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1mol氧原子所消耗無(wú)機(jī)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

35、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(biāo):RCR 與 P/O 呼吸控制 90磷氧比（ P/O ） 丙酮酸，2.5； 抗壞血酸細(xì)胞色素c，0.5(ADP+Pi) ATP例 實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈： P/O 2.5NADHFADH2O212H2OH2OADP+Pi ATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈： P/O 1.5O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATP(ADP+Pi) ATP1212121291（五）細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化 甘油-3-磷酸穿梭途徑 (glycerol-3-phosphate shuttle) 蘋果酸天冬氨酸穿梭途徑 (malate-asparta

36、te shuttle) 酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化 （線粒體）92線粒體外NADH的氧化磷酸化 1. 甘油磷酸穿梭機(jī)制: 存在于骨骼肌，神經(jīng)細(xì)胞。 NADH FADH2 1分子NADH 1.5分子ATP。93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(jī)制: NADH NADH 存在于肝臟，心肌， 1分子NADH 2.5分子ATP。94NADH兩種氧化途徑的比較氧化途徑主要存在的組織主要承擔(dān)酶胞液中主要承擔(dān)酶的輔基線粒體內(nèi)主要承擔(dān)酶的輔基被完全氧化時(shí)經(jīng)過(guò)的呼吸鏈完全氧化時(shí)產(chǎn)生的ATP量3-磷酸甘油穿梭骨骼肌、神經(jīng)細(xì)胞3-磷酸甘油脫氫酶NAD+FAD琥珀酸

37、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(xí)閱讀9596（六） 葡萄糖氧化的能量結(jié)算方法:EMP途徑生成的2分子NADH,若經(jīng)歷蘋果酸-Asp穿梭途徑則共產(chǎn)生32個(gè)ATP。5個(gè)ATP25個(gè)ATP課后復(fù)習(xí)97掌握能斯特方程及相關(guān)計(jì)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(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。掌握化學(xué)滲透理論的要點(diǎn)，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(jī)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(xì)胞溶膠中的NADH的再氧化途徑要點(diǎn)回顧98不要忘了好好復(fù)習(xí)喲！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死亡？原理何在？4. 概述化學(xué)滲透假說(shuō).5. 沿著電子傳遞鏈，電子載體的還原勢(shì)如何變化？為什么會(huì)這樣變化？6. 由細(xì)胞色素氧化酶催化的O2的4電子還原反應(yīng)由哪幾步組成？這一反應(yīng)的重要性是什么？ 復(fù)習(xí)題1007. 在正常的線粒體