第六章第六章 生物氧化与氧化磷酸化生物氧化与氧化磷酸化1沐风教育/一、生物氧化概述二、电子传递链三、氧化磷酸化四、其他末端氧化酶系统2沐风教育/ 一、一、生物氧化生物氧化概念概念 生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解氧化分解，最终生成最终生成co2和和H2o并并释放出能量释放出能量的作用称为生物氧化。的作用称为生物氧化。 生物氧化包含了细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反生物氧化包含了细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应，所以又称为应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸细胞氧化或细胞呼吸。第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述热能热能CO2和和H2O 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 O2能量能量ADP+PiATP3沐风教育/2、生物氧化的特点、生物氧化的特点1.1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应反应条件温和条件温和（水溶液，中性（水溶液，中性pHpH和常温）。和常温）。2.2.氧化进行过程中，必然伴随氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应生物还原反应的的 发生。发生。3.3.水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应的的氧氧供供体体。通通过过加加水水脱脱氢氢作用直接参予了氧化反应。作用直接参予了氧化反应。4.4.在在生生物物氧氧化化中中，碳碳的的氧氧化化和和氢氢的的氧氧化化是是非非同同步步进进行行的的。氧氧化化过过程程中中脱脱下下来来的的氢氢质质子子和和电电子子，通通常常由各种载体，如由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。4沐风教育/5.5.生物氧化是一个生物氧化是一个分步分步进行的过程。每一步都由进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。的条件下释放能量，提高能量利用率。6.6.生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能转换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。5沐风教育/* 生物氧化与体外氧化之相同点n生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。n物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产物（产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。6沐风教育/w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境中中（体体温温，pH接接近近中中性性），在在一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步进进行行，能能量量逐逐步步释释放放有有利利于于机机体体捕捕获获能能量量，提提高高ATP生成的效率。生成的效率。w进进行行广广泛泛的的加加水水脱脱氢氢反反应应使使物物质质能能间间接接获获得得氧氧，并并增增加加脱脱氢氢的的机机会会；脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合合产产生生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。* 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w能量是突然释放的。能量是突然释放的。 w产产生生的的CO2、H2O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结结合生成。合生成。7沐风教育/COCO2 2的生成的生成 方方式式：糖糖、脂脂、蛋蛋白白质质等等有有机机物物转转变变成成含含羧羧基基的的中间化合物，然后在酶催化下中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。 类型类型：-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2R3、生物氧化中CO2 2和和H2 2O的生成的生成8沐风教育/H2O的生成的生成 代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等等）所所接接受受，再再通通过过一一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例：例：12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+9沐风教育/脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放，释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位 4 生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段10沐风教育/1. 1. 自由能（自由能（free energyfree energy）的概念）的概念 概概念念：在在恒恒温温恒恒压压下下，体体系系可可以以用用来来对对环环境境作作功功的的那一部分能量叫作那一部分能量叫作自由能自由能 定义式定义式：=H-TS=H-TS G代表体内自由能的变化；代表体内自由能的变化； H为体系的焓变化；为体系的焓变化； T为热力学温度；为热力学温度； S代表体系墒（体系的散乱无序程度）变化。代表体系墒（体系的散乱无序程度）变化。二、生物能学简介二、生物能学简介11沐风教育/物理意义物理意义：* (体系中能对环境作功的能量体系中能对环境作功的能量) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。注意：注意：反应的反应的 G仅决定于仅决定于反应物反应物(初始状态初始状态)的自由能与的自由能与产物产物(最终状态最终状态)的自由能，而与反应途径和反应机制的自由能，而与反应途径和反应机制无关。无关。 其次其次， G是判断一个化学反应能否向某个方向进行的是判断一个化学反应能否向某个方向进行的根据，而与反应速度无关。负的根据，而与反应速度无关。负的 G表明反应可以自发表明反应可以自发进行，但并不表明反应以多大的速度进行。进行，但并不表明反应以多大的速度进行。12沐风教育/2.2.化学反应自由能的计算化学反应自由能的计算 a.a.利用化学反应平衡常数计算利用化学反应平衡常数计算 基本公式：基本公式：G=GG=G+ RTlnQc+ RTlnQc (Qc-(Qc-浓度商浓度商) ) GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq 例例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 b.b.利用标准氧化还原电位（利用标准氧化还原电位（E E ）计算）计算（限于氧化还原（限于氧化还原反应）反应） 基本公式：基本公式：GG=nFEnFE (E (E=E=E+ +-E-E- -) 例例：计算：计算NADHNADH氧化反应的氧化反应的GG13沐风教育/计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时达平衡时 =Keq=19解：解：G= - RTlnKeqG= - RTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 lg19 lg19 =-7.6KJ.mol-1G=GG=G+ RTlnQc (+ RTlnQc (Qc-Qc-浓度商浓度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 lg0.1 lg0.1 =-13.6 =-13.6KJ.mol-1未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1反应反应G-1-PG-6-P在在380C达到平衡时，达到平衡时， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求 G0 。如果反应未达到平衡，。如果反应未达到平衡，设设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反求反应的应的 G 是多少？是多少？例题：例题：14沐风教育/例题：计算下反应式例题：计算下反应式GGNADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+ +H+H2 2O O正极反应：正极反应：1/2O1/2O2 2+2H+2H+ +2e +2e H H2 2O O E E+ + 0.820.82负极反应：负极反应：NADNAD+ +H+H+ +2e +2e NADHNADH E E- - -0.32 -0.32GG -nFE-nFE -2-296.48596.4850.82-(-0.32)0.82-(-0.32) -220 KJ-220 KJmolmol-1-1 15沐风教育/生物系统中的能流生物系统中的能流16沐风教育/三、高能化合物三、高能化合物 生生化化反反应应中中，在在水水解解时时或或基基团团转转移移反反应应中中可可释释放放出出大大量量自自由由能能（2121千千焦焦/ /摩摩尔尔）的的化化合合物物称称为为高能化合物。高能化合物。生物化学中的高能键与普通化学中的高能键含义不同： 普通化学中的高能键指形成或打断一个键要释放或消耗较多的能量，这里的高能键通常表示稳定的键； 生物化学中的高能键是指具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酯键，此处高能键是不稳定的键。17沐风教育/高高能能化化合合物物类类型型18沐风教育/n根据生物体内高能化合物键的特性可以把根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：他们分成以下几种类型：磷氧键型磷氧键型a) 酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔19沐风教育/氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸20沐风教育/b)b)焦磷酸化合物焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔21沐风教育/c)c)烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔22沐风教育/氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。23沐风教育/硫酯键型硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A24沐风教育/甲硫键型甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸25沐风教育/ATPATP的特点的特点 在在pH=7pH=7环环境境中中，ATPATP分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带4 4个个负负电电荷荷的的离离子子形形式式（ATPATP4-4-），具具有有较较大大势势能能，加加之之水水解解产产物物稳稳定定，因因而而水水解解自自由由能能很很大大（GG=-30.5=-30.5千千焦焦/ /摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O AMP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1 ATP之所以能充当之所以能充当“能量货币能量货币”与其结构特点有直接的关系。与其结构特点有直接的关系。26沐风教育/ATPATP的特殊作用的特殊作用 ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货” ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物） 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油以高能磷酸形式贮能的物质统称磷酸原，包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸等。27沐风教育/第二节第二节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系 一、线粒体一、线粒体结构特点结构特点二、电子传递呼吸链的电子传递呼吸链的概念概念三、三、呼吸链的组成呼吸链的组成四、机体内四、机体内两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链及其及其能量变化能量变化 五、五、电子传递抑制剂电子传递抑制剂28沐风教育/一、线粒体结构一、线粒体结构29沐风教育/二、线粒体呼吸链二、线粒体呼吸链 线线粒粒体体基基质质是是呼呼吸吸底底物物氧氧化化的的场场所所，底底物物在在这这里里氧氧化化所所产产生生的的NADHNADH和和FADHFADH2 2将将质质子子和和电电子子转转移移到到内内膜膜的的载载体体上上，经经过过一一系系列列氢氢载载体体和和电电子子载载体体的的传传递，最后传递给递，最后传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。 这这种种由由一一系系列列电电子子载载体体按按对对电电子子亲亲和和力力逐逐渐渐升升高高的的顺顺序序组组成成的的电电子子传传递递系系统统称称电电子子传传递递链链（eclctron eclctron transfer transfer chain),chain),因因为为其其功功能能和和呼呼吸吸作作用直接相关，亦称为呼吸链。用直接相关，亦称为呼吸链。30沐风教育/三、呼吸链的组成三、呼吸链的组成1. 1. 黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类（flavoproteins, FPflavoproteins, FP）2. 2. 铁铁- -硫蛋白类硫蛋白类（ironironsulfur proteins)sulfur proteins)3 3. . 辅酶辅酶（ubiquinone,ubiquinone,亦写作亦写作CoQCoQ）4 4. . 细胞色素类细胞色素类（cytochromes）NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（FAD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）31沐风教育/电电子子传传递递链链中中各各中中间间体体的的顺顺序序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶辅酶辅酶Q-细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q脱氢酶脱氢酶32沐风教育/ Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置33沐风教育/1. 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸nNAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；nNADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫Co，主要在还原性生物合成中作为供氢体。n二者的递氢部位是烟酰胺部分，为Vit PP。34沐风教育/R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+和和NADP+的结构的结构35沐风教育/NAD+（NADP+）的递氢机制）的递氢机制（氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。36沐风教育/2. 黄素辅基黄素辅基nFMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide)nFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)nFMN和和FAD中中异咯嗪环异咯嗪环起起递氢体递氢体作用。作用。 n异咯嗪及核醇部分为异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。（核黄素）。37沐风教育/ FMN结构结构异咯嗪异咯嗪核醇核醇38沐风教育/ FAD结构结构39沐风教育/FMN和和FAD递氢机制递氢机制 （氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）40沐风教育/3. 铁硫蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S)n又叫铁硫中心或铁硫簇。又叫铁硫中心或铁硫簇。 n含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。n铁除与硫连接外，还与肽链中铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯残基的巯基连接。基连接。 n铁原子可进行铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电反应传递电子，子，为为单电子传递体单电子传递体。 41沐风教育/铁原子可进行铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。42沐风教育/43沐风教育/4. 泛醌泛醌 (ubiquinone, UQ)n即辅酶即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。链。n因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。中。n分子中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2个个H，为，为递氢体递氢体。 44沐风教育/ 异戊二烯异戊二烯45沐风教育/ 46沐风教育/5. 细胞色素类（细胞色素类（Cytochrome, Cyt）n是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。n呼吸链中主要有呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同；的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟的铁卟啉为血红素啉为血红素A。n分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子单电子传递体传递体。传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e+e47沐风教育/48沐风教育/49沐风教育/ 复合体: NADH-泛醌脱氢酶u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 50沐风教育/复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH251沐风教育/复合体: 琥珀酸-泛醌脱氢酶u 功能功能: : : : 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 52沐风教育/53沐风教育/复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c154沐风教育/55沐风教育/复合体: 细胞色素c氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。56沐风教育/57沐风教育/ 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序58沐风教育/1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2机体内两条主要的呼吸链及其能量变化机体内两条主要的呼吸链及其能量变化59沐风教育/NADH呼吸链呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物FADH2呼吸链呼吸链FADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c - c1-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸60沐风教育/NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链61沐风教育/62沐风教育/呼吸链中电子传递时自由能的下降呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH63沐风教育/NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应总反应: NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG=-nFE=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦千焦mol-1总反应总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE = -296.50.82-(-0.18) =-193.0千焦千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化64沐风教育/（三）、（三）、电子传递抑制剂电子传递抑制剂鱼藤酮、安密妥、杀菌粉蝶素A抗菌素A氰化物、叠氮化物、一氧化碳和硫化氢65沐风教育/NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3氰化物、叠氮化氰化物、叠氮化物、物、CO、HS等等的抑制部位的抑制部位呼吸链的比拟图解呼吸链的比拟图解66沐风教育/第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化氧化磷酸化二、氧化磷酸化和磷氧比（二、氧化磷酸化和磷氧比（P/OP/O）三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理四、氧化磷酸化的解偶联和抑制四、氧化磷酸化的解偶联和抑制五、线粒体穿梭系统五、线粒体穿梭系统六、能荷六、能荷 67沐风教育/一、氧化磷酸化一、氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATP（即（即ADP+PiATPATP）, ,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能68沐风教育/1底物水平磷酸化 在底物氧化过程中，形成了某些高能中间代谢物，再通过酶促磷酸基团转移反应，直接偶联ATP的形成，称为底物水平磷酸化。 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。例如：糖酵解中生成的1，3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、三羧酸循环中的琥珀酰CoA等。69沐风教育/2氧化磷酸化 电子从NADH或FADH2经电子传递链传递到分子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化生成ATP。称为电子传递偶联的磷酸化或氧化磷酸化，是需氧生物合成ATP的主要途径。70沐风教育/二、氧化磷酸化和磷氧比（二、氧化磷酸化和磷氧比（P/O）1.电子传递过程的能量变化总反应总反应: NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG=-nFE=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦千焦mol-1总反应总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE = -296.50.82-(-0.18) =-193.0千焦千焦mol-1贮能效率=61/193.0100%=31.6%71沐风教育/2.磷氧比（磷氧比（ P/O ）呼呼吸吸过过程程中中无无机机磷磷酸酸（P Pi i）消消耗耗量量和和分分子子氧氧（O O2 2）消消耗耗量量的的比比值值称称为为磷磷氧氧比比。由由于于在在氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每传传递递一一对对电电子子消消耗耗一一个个氧氧原原子子，而而每每生生成成一一分分子子ATPATP消消耗耗一一分分子子P Pi i ，因因此此P/O的的数数值值相相当当于于一一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATPATP分子数。分子数。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP72沐风教育/1. ATP合酶合酶由亲水部分由亲水部分F1（33亚基亚基 ）和疏）和疏水部分水部分 F0（a1b2c912亚亚基）组成。基）组成。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图三、 氧化磷酸化的偶联机理73沐风教育/ATP合酶结构示意图合酶结构示意图定子定子定子定子 旋转催化理论认为旋转催化理论认为旋转催化理论认为旋转催化理论认为质子流通过质子流通过质子流通过质子流通过FoFo引起亚引起亚引起亚引起亚基基基基III III 寡聚体和寡聚体和寡聚体和寡聚体和 及及及及 亚亚亚亚基一起转动基一起转动基一起转动基一起转动, ,这种旋转这种旋转这种旋转这种旋转配置配置配置配置 / / 亚基之间的亚基之间的亚基之间的亚基之间的不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用, ,引引引引起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转变变变变, , 亚基的中心亚基的中心亚基的中心亚基的中心 - -螺螺螺螺旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子, ,亚基亚基亚基亚基I I和和和和IIII与与与与 亚基组合在一亚基组合在一亚基组合在一亚基组合在一起组成定子起组成定子起组成定子起组成定子, ,它压住它压住它压住它压住 / / 异质六聚体异质六聚体异质六聚体异质六聚体. . OSCPOSCP F F1 1HH+ +通道通道通道通道 F FOO柄柄柄柄DCCDDCCD结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白基质表面基质表面基质表面基质表面外表面外表面外表面外表面 74沐风教育/2. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。 75沐风教育/化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 76沐风教育/ 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+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图77沐风教育/线粒体电子传递和线粒体电子传递和H+排出的数目和途径排出的数目和途径H H2 2O O2 2H H+ +CytcCytcCytcCytcCytcCytcQ QFMNFMNFeSFeSFeSFeSCytcCytc1 1CytbCytbK KCytbCytbr rCytaCytaFeSFeSCytaCyta3 32 2e e- -2 2e e- -NADH+HNADH+H+ +NADNAD+ +O O2 2 +2H+2H+ + H H2 2O O4 4H H+ +2 2H H+ +2 2H H+ +复合物复合物 1278沐风教育/ 3.氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图79沐风教育/4.Boyer和和Walker的工作的工作 英国科学家英国科学家Walker通过通过x光衍射获得高分辩率的牛心光衍射获得高分辩率的牛心线粒体线粒体ATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构， 证明在证明在ATP酶合成酶合成ATP的催的催化循环中三个化循环中三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了从而有力地支持了Boyer的假说。的假说。 Boyer和和Walker共同获得共同获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 美国科学家美国科学家Boyer为解释为解释ATP酶作用机理酶作用机理,提出提出旋转催化旋转催化假说，认为假说，认为ATP合成酶合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于有利于ADP和和Pi结合，一种构象结合，一种构象(T)可使结合的可使结合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三种构象，第三种构象(O)使合成的使合成的ATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜变化，所需能量由跨膜H+提供。提供。80沐风教育/ATPase的旋转催化模型的旋转催化模型 IIIIII IVIVIIIII I定子定子定子定子转子转子转子转子 旋转催化理论认为旋转催化理论认为旋转催化理论认为旋转催化理论认为质子流通过质子流通过质子流通过质子流通过FoFo引起亚引起亚引起亚引起亚基基基基III III 寡聚体和寡聚体和寡聚体和寡聚体和 及及及及 亚亚亚亚基一起转动基一起转动基一起转动基一起转动, ,这种旋转这种旋转这种旋转这种旋转配置配置配置配置 / / 亚基之间的亚基之间的亚基之间的亚基之间的不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用, ,引引引引起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转变变变变, , 亚基的中心亚基的中心亚基的中心亚基的中心 - -螺螺螺螺旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子, ,亚基亚基亚基亚基I I和和和和IIII与与与与 亚基组合在亚基组合在亚基组合在亚基组合在一起组成定子一起组成定子一起组成定子一起组成定子, ,它压住它压住它压住它压住 / / 异质六聚体异质六聚体异质六聚体异质六聚体. .81沐风教育/当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚亚基基的的构构象象发发生生改变。改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制82沐风教育/四、影响氧化磷酸化的因素1. 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 2. 解偶联剂解偶联剂 使电子传递与使电子传递与ADPADP磷酸化两个过程分离，它只抑制磷酸化两个过程分离，它只抑制ATPATP的形的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散。如：解偶联蛋白以热的形式耗散。如：解偶联蛋白 3. 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 直接干扰直接干扰ATPATP的生成过程，即干扰由电子传递的高能状态形成的生成过程，即干扰由电子传递的高能状态形成ATPATP的过程，结果也使电子传递不能进行。如：寡霉素的过程，结果也使电子传递不能进行。如：寡霉素 4.4.离子载体抑制剂离子载体抑制剂 增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度最终破坏了氧化磷酸化过程。的电位梯度最终破坏了氧化磷酸化过程。如：缬氨霉素结合如：缬氨霉素结合K+，短杆菌肽可使，短杆菌肽可使K+、Na+及其他一些一价阳离子穿过及其他一些一价阳离子穿过膜。膜。83沐风教育/鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点84沐风教育/解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+ + H H+ + ADP+Pi ATP 85沐风教育/2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线线粒粒体体内内膜膜内内外外86沐风教育/ 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图87沐风教育/ NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱脱氢氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 1. - -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 五、线粒体穿梭系统五、线粒体穿梭系统88沐风教育/2.苹果酸苹果酸-草酰乙酸穿梭作用草酰乙酸穿梭作用细胞液细胞液线粒体内膜体线粒体内膜体天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、 、 、 为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链89沐风教育/六、能荷：六、能荷：在总的腺苷酸系统中在总的腺苷酸系统中(即即ATP、ADP和和AMP浓度之和浓度之和)所负所负荷的高能磷酸基数量。荷的高能磷酸基数量。定义式：能荷定义式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意义意义： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相对数量决的相对数量决定，数值在定，数值在01之间，反之间，反映细胞能量水平。映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可能荷对代谢的调节可通过通过ATP 、 ADP和和AMP作为代谢中某些酶分子的作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节别构效应物进行变构调节来实现。来实现。能荷能荷相相对对速速率率ATP的利用途径的利用途径 ATP的的生成途径生成途径能荷对能荷对ATP的生成途径和的生成途径和ATP的利用途径相对速率的的利用途径相对速率的 影响影响90沐风教育/本章小结本章小结1 生物氧化概述1） 生物氧化概念，生物氧化的主要内容，特点，生物氧化中CO2和H2O的生成。2） 生物化学反应的自由能变化3 ）高能磷酸化合物： 高能磷酸化合物的类型，ATP在能量转换中的作用。2 电子传递链(呼吸链)1）电子传递链：电子传递链的组成，排列顺序，在线粒体内膜上的分布2）电子传递抑制剂97沐风教育/3 氧化磷酸化1） 氧化磷酸化的概念及类型：底物水平磷酸化，氧化磷酸化。2） 氧化磷酸化与电子传递的偶联：电子传递过程的能量变化及P/O比。3） 氧化磷酸化的机理 F0-F1因子，化学渗透假说，氧化磷酸化重建，ATP酶的旋转催化理论。4） 氧化磷酸化的解偶联和抑制 氧化磷酸化的解偶联剂，抑制剂和离子载体抑制剂及其作用机制。5） 线粒体穿梭系统 线粒体外NADH进入线粒体，线粒体ATP的外运，甘油-3-磷酸系统，苹果酸穿梭系统。6） 能荷4 其它末端氧化酶系统98沐风教育/习 题1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。内氧化和体外氧化异同。2、何谓高能化合物？体内、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能有那些生理功能？名词解释：名词解释：生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链呼吸链 磷氧比（磷氧比（P0）能荷）能荷99沐风教育/n NADH NADH：还原型辅：还原型辅n它是由它是由NADNAD+ +接受多种代谢产物脱氢得到的产物。接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADHNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。供体之一。100沐风教育/n铁硫蛋白铁硫蛋白( (简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子传递有关的是一种与电子传递有关的蛋白质，它与蛋白质，它与NADHNADH Q Q还原酶的其它蛋白质组分还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以结合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式存在。形式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变变化起传递电子的作用化起传递电子的作用铁硫蛋白铁硫蛋白101沐风教育/ NADH NADH 泛醌还原酶泛醌还原酶n简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶, , 即复合物即复合物I I，它的作用是，它的作用是催化催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还原。所以它既是一的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHNADH Q Q还原酶最还原酶最少含有少含有1616个多肽亚基。它的活性部分含有辅基个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。nFMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型成还原型FMNHFMNH2 2。还原型。还原型FMNHFMNH2 2可以进一步将电子转可以进一步将电子转移给移给Q Q。n NADHNADH Q Q还原酶还原酶n NADH + Q + HNADH + Q + H+ + = NAD = NAD+ + + QH + QH2 2102沐风教育/n它是电子传递链中一个它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素水。它与细胞色素c c1 1含含有相同的辅基，但是蛋有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在白组成则有所不同。在电子传递过程中，电子传递过程中，cyt. cyt. c c通过通过 FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变起电的互变起电子传递中间体作用。子传递中间体作用。 细胞色素细胞色素c（cyt.c）103沐风教育/n简写为简写为cyt. c cyt. c 氧氧化酶，即复合物化酶，即复合物IVIV，它是位于线，它是位于线粒体呼吸链末端粒体呼吸链末端的蛋白复合物，的蛋白复合物，由由1212个多肽亚基个多肽亚基组成。活性部分组成。活性部分主要包括主要包括cyt. acyt. a和和a a3 3。 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶104沐风教育/ncyt.acyt.a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。还含有铜原子。cyt.a acyt.a a3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。n在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 CuCu+ + Cu Cu2+2+ 的互变，将的互变，将cyt.ccyt.c所携带的电子传递所携带的电子传递给给O O2 2。105沐风教育/