目录目录2024/9/151第八章第八章 生物氧化生物氧化生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学教学课件教学课件Biological Oxidation目录目录物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化(biological oxidation)，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量，最最终终生生成成COCO2 2 和和 H H2 2O O的过程。的过程。n生物氧化的概念生物氧化的概念 目录目录糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 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 CoA TAC TAC TAC TAC 2H 2H 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H H H2 2 2 2O O O O ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP COCOCOCO2 2 2 2 n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程目录目录线粒体氧化体系目录目录线粒体示意图线粒体示意图目录目录线粒体线粒体(Mitochondria) 呼吸链呼吸链(Respiratory chain)目录目录第一节第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成功能的复合体组成目录目录生生物物体体将将NADH+HNADH+H+ +和和FADHFADH2 2彻彻底底氧氧化化生生成成水水和和ATPATP的的过过程程与与细细胞胞的的呼呼吸吸有有关关，需需要要消消耗耗氧氧，参参与与氧氧化化还还原原反反应应的的组组分分由由含含辅辅助助因因子子的的多多种种蛋蛋白白酶酶复复合合体体组组成成，形形成成一一个个连连续续的的传传递递链链，因因此此称称为为氧氧化化呼呼吸吸链链（oxidative respiratory chain）。也称也称电子传递链电子传递链( (electron transfer chain) )。n氧化呼吸链的定义氧化呼吸链的定义目录目录9 NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 延胡索酸 琥珀酸 e-Q e-e-Cytc e-e-呼吸链电子传递的基本过程目录目录呼吸链各组分中，有的可呼吸链各组分中，有的可以同时传递电子和质子以同时传递电子和质子（递氢体），（递氢体）， 有的只能有的只能传递电子传递电子（递电子体）（递电子体） 。n组成组成递氢体递氢体和和电子传递体（电子传递体（2H 2H 2H 2H+ + + 2e + 2e）目录目录oNADNAD+ +：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( (N Nicotinamide icotinamide A Adenine denine D Dinucleotide)inucleotide) ，又叫，又叫CoCooNADPNADP+ +：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸( (N Nicotin-icotin-amide amide A Adenine denine D Dinucleotide inucleotide P Phosphate) hosphate) ，又，又叫叫CoCooVit PPVit PP（B B3 3）的衍生物的衍生物递氢体递氢体1. NAD1. NAD+ +/ / NADPNADP+ + 目录目录R = H: NADR = H: NAD+ +; ; R = HR = H2 2POPO3 3: NADP: NADP+ + R RNADNAD+ +/ / NADPNADP+ + 的结构的结构目录目录NADNAD+ +（NADPNADP+ +）的递氢机制）的递氢机制（氧化型）（氧化型）（还原型）（还原型）目录目录oFMNFMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸( (F Flavinlavin M Monoonon nucleotide)ucleotide)oFADFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸( (F Flavin lavin A Adenine denine D Dinucleotide)inucleotide)oVit BVit B2 2（核黄素）的衍生物（核黄素）的衍生物2. FMN / FAD2. FMN / FAD目录目录异咯嗪异咯嗪核醇核醇FMN结构结构目录目录FAD结构结构目录目录FMNH目录目录3. 3. 泛醌（泛醌（CoQCoQ）泛醌泛醌泛醌泛醌（QQ）半醌半醌半醌半醌（QHQH）氢醌（氢醌（氢醌（氢醌（QHQH2 2）由由多多个个异异戊戊二二烯烯连连接接形形成成较较长长的的疏疏水水侧侧链链（人人CoQCoQ1010），氧氧化化还还原原反反应应时时可可生生成成中中间间产产物物半半醌醌型型泛泛醌醌。内内膜膜中中可可移移动动电电子子载载体体，在在各各复复合合体体间间募募集集并并穿穿梭梭传传递递还还原原当当量量和和电电子子。在在电电子子传传递递和和质质子子移移动动的的偶偶联中起着核心作用。联中起着核心作用。 目录目录1.1.铁硫蛋白：位于线粒体内膜上的与电子铁硫蛋白：位于线粒体内膜上的与电子传递有关的蛋白质。传递有关的蛋白质。递电子体递电子体o含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。o铁原子可进行铁原子可进行FeFe2+2+ Fe Fe3+3+e +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。 目录目录Fe3+Fe2+-e+e目录目录 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫Fe4S4 表示无机硫表示无机硫 目录目录目录目录2. 2. 细胞色素类细胞色素类( (CytochromeCytochrome ) )：这这是是广广布布于于需需氧氧生生物物线线粒粒体体内内膜膜上上的的一一类类传传递递电子的色素蛋白，辅基为含电子的色素蛋白，辅基为含铁卟啉铁卟啉的衍生物。的衍生物。参参与与线线粒粒体体生生物物氧氧化化体体系系的的细细胞胞色色素素有有CytaCyta，CytaCyta3 3，CytbCytb，CytcCytc和和CytcCytc1 1目目前前尚尚不不能能将将CytaCyta和和CytaCyta3 3分分开开，故故将将他他们们合合称称为为细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（ CytaaCytaa3 3 ）。）。目录目录血红素血红素A ACytCyt的辅基是的辅基是血红素血红素目录目录血红素血红素C血红素血红素B目录目录一、一、氧化呼吸链由氧化呼吸链由4 4种具有传递电子种具有传递电子能力的复合体组成能力的复合体组成目录目录人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称质量质量(kD)(kD)多肽多肽链数链数功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点复合体复合体NADH-NADH-泛醌还泛醌还原酶原酶8508503939FMNFMN，Fe-SFe-SNADHNADH（基质侧）（基质侧）CoQCoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体琥珀酸琥珀酸- -泛醌泛醌还原酶还原酶1401404 4FADFAD，Fe-SFe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQCoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体泛醌泛醌- -细胞色细胞色素素C C还原酶还原酶2502501111血红素血红素b bL L, b, bH H, c, c1 1, ,Fe-SFe-SCyt cCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）细胞色素细胞色素c c13131 1血红素血红素c cCyt cCyt c1 1， Cyt aCyt a复合体复合体细胞色素细胞色素C C氧氧化酶化酶1621621313血红素血红素a a，a a3 3，CuCuA A, Cu, CuB BCyt cCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。目录目录呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置目录目录复合体复合体又称又称NADH-NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶功能：功能：接受来自接受来自NADH+HNADH+H+ +的电子并转移给泛醌的电子并转移给泛醌（ubiquinoneubiquinone）。）。复合体复合体可催化两个同时进行的过程：可催化两个同时进行的过程： 电子传递：电子传递： NADH NADH FMN Fe-SFMN Fe-SFMN Fe-SFMN Fe-S CoQ CoQ 质子泵出：质子泵出：复合体复合体有质子泵功能，每传递有质子泵功能，每传递2 2个电子可将个电子可将4 4个个H H+ +从内膜基质侧泵到胞浆侧。从内膜基质侧泵到胞浆侧。（一）（一） 复合体复合体将将NADH+HNADH+H+ +中的电子传递给中的电子传递给泛醌泛醌目录目录复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，又称又称琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶。电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FADFAD几种几种Fe-SCoQFe-SCoQ复合体复合体没有没有H H+ +泵的功能泵的功能。（二）复合体（二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌将电子从琥珀酸传递到泛醌目录目录泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体并穿梭传递到复合体。目录目录（三）复合体（三）复合体将电子从还原型泛醌传递给将电子从还原型泛醌传递给细胞色素细胞色素c c复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌- -细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶。人复合。人复合体体含有细胞色素含有细胞色素b(b562(bH), b566(bL)b(b562(bH), b566(bL)、细胞色素细胞色素c1c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske (Rieske protein)protein)。电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1CytcbH) Fe-S Cytc1Cytc目录目录复合体复合体的电子传递通过的电子传递通过“Q Q循环循环”实现。实现。复合体复合体每传递每传递2 2个电子向内膜胞浆侧释个电子向内膜胞浆侧释放放4 4个个H H+ +，复合体复合体也有质子泵作用。也有质子泵作用。Cyt cCyt c是是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不不包含在复合体中。将获得的电子传递到复包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体合体。目录目录人复合体人复合体又称又称细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶(cytochrome c (cytochrome c oxidase)oxidase)。电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt aCyt cCuACyt aCyt a3 3CuB CuB OO2 2Cyt aCyt a3 3CuBCuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O O2 2。复合体复合体也也有质子泵功能，每有质子泵功能，每传递传递2 2个电子使个电子使2 2个个H H+ +跨内膜向胞浆侧转移跨内膜向胞浆侧转移 。（四）复合体（四）复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C C传递给氧传递给氧目录目录复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程目录目录1 1、NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH NADH 复合体复合体CoQCoQ 复合体复合体Cytc Cytc 复合体复合体OO2 22 2、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 CoQ CoQ 复合体复合体Cytc Cytc 复合体复合体OO2 2二、二、NADHNADH和和FADHFADH2 2是氧化呼吸链的电子供体是氧化呼吸链的电子供体根根据据电电子子供供体体及及其其传传递递过过程程，目目前前认认为为，氧氧化化呼吸链有两条途径：呼吸链有两条途径：目录目录NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADHFADH2 2氧化呼吸链氧化呼吸链目录目录标准氧化还原电位标准氧化还原电位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将呼吸链拆开和重组将呼吸链拆开和重组 氧化呼吸链各组分的顺序排列是氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下由以下实验确定的实验确定的目录目录呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对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(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816目录目录第二节第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADPADP磷酸化偶联生成磷酸化偶联生成ATPATP目录目录氧氧化化磷磷酸酸化化 (oxidative phosphorylation)是是指指在在呼呼吸吸链链电电子子传传递递过过程程中中偶偶联联ADPADP磷磷酸酸化化，生生成成ATPATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。nATPATP生成方式生成方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱氢等反应偶联，生成底物分子的高能键，使与脱氢等反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)ADP(GDP)磷酸化生成磷酸化生成ATP(GTP)ATP(GTP)的过程。不经电子的过程。不经电子传递。传递。目录目录一、氧化磷酸化偶联部位在复合体一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内内根据根据P/OP/O比值比值自由能变化自由能变化: G: G =-nFE=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、目录目录线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的ATP数数-羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.5 2.5Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.5 1.5Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 1（一）（一）P/O P/O 比值比值指指氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每消消耗耗1/21/2摩摩尔尔O O2 2所所生生成成ATPATP的的摩摩尔尔数数（或或一一对对电电子子通通过过氧氧化化呼呼吸吸链链传传递递给氧所生成给氧所生成ATPATP分子数）。分子数）。 目录目录（二）自由能变化（二）自由能变化根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化(G0)(G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)(E0)之间有以下关系：之间有以下关系：n n为传递电子数；为传递电子数；F F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/mol(96.5kJ/molV)V)G0 = -nFE0G0 = -nFE0目录目录69.5kJ/mol69.5kJ/mol40.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol102.3kJ/mol目录目录电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化 目录目录ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2目录目录二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度体内膜的质子梯度化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传递时，可电子经呼吸链传递时，可将质子将质子(H(H+ +) )从线粒体内膜的基从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜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。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当质子顺浓度梯度回流时驱动ADPADP与与PiPi生成生成ATPATP。Peter mitchell目录目录氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对线粒体内膜对H H+ +、OHOH、K K、ClCl离子是不通透的；离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATPATP合成，而线合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但度，结果电子虽可以传递，但ATPATP生成减少。生成减少。 n化学渗透假说已经得到广泛的实验支持化学渗透假说已经得到广泛的实验支持目录目录线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图目录目录 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+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传递过程电子传递过程复合体复合体 (4H (4H+ +) ) 、 (4 H (4 H+ +) )和和 (2H(2H+ +) )有质子泵功能有质子泵功能。 目录目录化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响目录目录三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成合成ATPATPF F1 1：亲亲水水部部分分 （动动物物：3 33 3亚亚基基复复合合体体，OSCPOSCP、IF1IF1 亚基），线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧颗颗粒粒状突起，状突起，催化催化ATPATP合成。合成。 F F0 0：疏疏水水部部分分（abab2 2c c912912亚亚基基，动动物物还还有有其其他他辅辅助助亚亚基基），镶镶嵌嵌在在线线粒粒体体内内膜膜中中，形形成成跨跨内内膜膜质质子子通道通道 。nATPATP合酶结构组成合酶结构组成目录目录目录目录当当H H+ +顺顺浓浓度度递递度度经经F F0 0中中a a亚亚基基和和c c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚基发生旋转亚基发生旋转，3 3个个亚基的构象发生改变亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制nATPATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制(binding change (binding change mechanism) mechanism) 目录目录ATPF0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 H2PO4- ATP3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADPADP每分子每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆在线粒体中生成并转运到胞浆需需4个个H回流进入线粒体基质中回流进入线粒体基质中目录目录o NADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 2.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。o FADH2氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 1.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。目录目录四、四、ATPATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用细细胞胞内内代代谢谢反反应应都都是是依依序序进进行行、能能量量逐逐步步得失。得失。ATPATP称称之之为为高高能能磷磷酸酸化化合合物物，可可直直接接为为细细胞胞的的各各种种生生理理活活动动提提供供能能量量，同同时时也也有有利利于于细细胞胞对能量代谢进行严格调控。对能量代谢进行严格调控。生物体能量代谢有其明显的特点。生物体能量代谢有其明显的特点。目录目录n高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol21KJ/mol的磷酸酯的磷酸酯键，常表示为键，常表示为 P P。n高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物目录目录化合物化合物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)乙酰辅酶乙酰辅酶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)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 目录目录（一）（一）ATPATP是体内能量捕获和释放利用的重要是体内能量捕获和释放利用的重要分子分子ATPATP是是体体内内最最重重要要的的高高能能磷磷酸酸化化合合物物，是是细细胞胞可直接利用的能量形式。可直接利用的能量形式。 ATPATP在在生生物物能能学学上上最最重重要要的的意意义义在在于于，通通过过其其水水解解反反应应释释放放大大量量自自由由能能和和需需要要供供能能的的反反应应偶偶联，使这些反应在生理条件下完成。联，使这些反应在生理条件下完成。 目录目录 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 + ADP ATP + AMPADP + ADP ATP + AMP（二）（二）ATPATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心相互转变的核心 目录目录（三）（三）ATPATP通过转移自身基团提供能量通过转移自身基团提供能量因因为为ATPATP分分子子中中的的高高能能磷磷酸酸键键水水解解释释放放能能量量多多，易易释释放放PiPi、PPiPPi基基团团，很很多多酶酶促促反反应应由由ATPATP通通过过共共价价键键与与底底物物或或酶酶分分子子相相连连，将将ATPATP分分子子中中的的PiPi、PPiPPi或或者者AMPAMP基基团团转转移移到到底底物物或或酶酶蛋蛋白白上上而而形形成成中中间间产产物物，经经过过化化学学转转变变后后再再将将这这些些基基团团水解而形成终产物。水解而形成终产物。目录目录磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式目录目录 ATP ATP的生成、储存和利用的生成、储存和利用ATP ATP ADP 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 P P P P P P P P 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATPATP为中心。为中心。目录目录第三节第三节 氧化磷酸化的影响因素氧化磷酸化的影响因素 目录目录一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是机体合成能量载体氧化磷酸化是机体合成能量载体ATPATP的最主要的最主要的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节酸化速率，从而调节ATPATP的生成量。的生成量。 目录目录二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程复合体复合体抑制剂：鱼藤酮抑制剂：鱼藤酮(rotenone)(rotenone)、粉蝶、粉蝶霉素霉素A(piericidin A)A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)(amobarbital)等等阻断传递电子到泛醌阻断传递电子到泛醌 。复合体复合体的抑制剂：萎锈灵的抑制剂：萎锈灵(carboxin)(carboxin)。目录目录复复合合体体抑抑制制剂剂：抗抗霉霉素素A(antimycin A(antimycin A)A)阻阻断断Cyt Cyt bHbH传传递递电电子子到到泛泛醌醌(Q(QN N) ) ；黏黏噻噻唑唑菌菌醇醇则则作作用用Q QP P位点位点。复复合合体体抑抑制制剂剂：CNCN、N N3 3紧紧密密结结合合中中氧氧化化型型Cyt Cyt a a3 3，阻阻断断电电子子由由Cyt Cyt a a到到CuB- CuB- Cyt Cyt a a3 3间间传传递递。COCO与还原型与还原型Cyt aCyt a3 3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O O2 2。 目录目录NADHNADHFMNFMN(Fe-S)(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FADFAD(Fe-S)(Fe-S)CoQCoQCyt bCyt cCyt cCyt bCyt cCyt cCyt aaCyt aa3 3O O2 2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 COCO、CNCN- -、N N3 3- -及及H H2 2S S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目录目录（二）解偶联剂阻断（二）解偶联剂阻断ADPADP的磷酸化过程的磷酸化过程 解解偶偶联联剂剂(uncoupler)(uncoupler)可可使使氧氧化化与与磷磷酸酸化化的的偶偶联联相相互互分分离离，基基本本作作用用机机制制是是破破坏坏电电子子传传递递过过程程建建立立的的跨跨内内膜膜的的质质子子电电化化学学梯梯度度，使使电电化化学学梯梯度度储储存存的的能量以热能形式释放能量以热能形式释放，ATPATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如如：二二硝硝基基苯苯酚酚(dinitrophenol, (dinitrophenol, DNP) DNP) ；解解偶联蛋白偶联蛋白(uncoupling protein(uncoupling protein，UCP1)UCP1)。目录目录婴儿和初生的哺乳动物体婴儿和初生的哺乳动物体内含有较多的棕色脂肪组内含有较多的棕色脂肪组织，可维持体温。织，可维持体温。目录目录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 F F F0 0 0 0 F F F F1 1 1 1 Cyt cCyt cQ Q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+ + + + H H H H+ + + + ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP 目录目录目录目录（三）（三）ATPATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATPATP的生成的生成这类抑制剂对电子传递及这类抑制剂对电子传递及ADPADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制作用。例如作用。例如寡霉素寡霉素(oligomycin)(oligomycin)可结合可结合F F0 0单位，单位，二二环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, (dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)DCCP)共价结合共价结合F F0 0的的c c亚基谷氨酸残基，阻断质子从亚基谷氨酸残基，阻断质子从F F0 0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATPATP合酶活性。由于线粒合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。的功能，继而抑制电子传递。 目录目录 寡霉素寡霉素(oligomycin) (oligomycin) ATPATP合酶结构模式图合酶结构模式图可阻止质子从可阻止质子从F0F0质子通道回质子通道回流，抑制流，抑制ATPATP生生成。成。目录目录电子传递链及氧化电子传递链及氧化磷酸化系统概貌磷酸化系统概貌H+ 跨膜质子电化跨膜质子电化学梯度；学梯度；H+m内膜内膜基质侧基质侧H+；H+c 内内膜胞液侧膜胞液侧H+目录目录 NaNa+ +，K K+ +ATPATP酶酶和和解解偶偶联联蛋蛋白白基基因因表表达达均均增增加加，导导致致机机体体耗耗氧氧量量和和产产热热比比例例均均增增加加，所所以以甲甲亢患者的基础代谢率增高。亢患者的基础代谢率增高。三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热目录目录四、线粒体四、线粒体DNADNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。突变可影响机体氧化磷酸化功能。 mtDNAmtDNA呈裸露的呈裸露的环状双螺旋结构，缺环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到修复系统，容易受到损伤而发生突变，其损伤而发生突变，其突变率远高于核内的突变率远高于核内的基因组基因组DNADNA。目录目录五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物酸化相关代谢物线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。目录目录转运蛋白转运蛋白进入线粒体进入线粒体出线粒体出线粒体ATP-ADPATP-ADP转位酶转位酶ADPADP3-3-ATPATP4-4-磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H H2 2POPO4 4- - + H+ H+ +二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPOHPO4 42-2-苹果酸苹果酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸- -谷氨酸转运蛋谷氨酸转运蛋白白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白单羧酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OHOH- -三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运 目录目录（一）胞浆中（一）胞浆中NADHNADH通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链氧化呼吸链胞浆中胞浆中NADHNADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭( (-glycerophosphate shuttle) )苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 ( (malate-asparate shuttle) )n转运机制：转运机制：目录目录1. 1. -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中主要存在于脑和骨骼肌中 目录目录 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 脱氢酶脱氢酶 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 目录目录2. 2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中主要存在于肝和心肌中 目录目录NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 目录目录（二）（二）ATP-ADP转位酶协调转运转位酶协调转运ADP进入和进入和ATP移出线粒体移出线粒体目录目录ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP4-和和ADP3-反向转运时，向内膜外净反向转运时，向内膜外净转移转移1个负电荷个负电荷 ，相当于多，相当于多1个个H+转入线粒体基质。转入线粒体基质。 目录目录第四节第四节 其他氧化与抗氧化体系其他氧化与抗氧化体系目录目录n反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)O2e-O-2e-+2H+H2O2e-+H+OHH2Oe-+H+H2O反应活性氧类反应活性氧类一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧一、线粒体氧化呼吸链也可产生活性氧 目录目录nROS主主要来源要来源线粒体：线粒体：超氧阴离子超氧阴离子O-2，是体内，是体内O-2的主要来的主要来源；源； O-2在线粒体中再生成在线粒体中再生成H2O2和和OH。过氧化酶体：过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电将从脂肪酸等底物获得的电子交给子交给O2生成生成H2O2和羟自由基和羟自由基OH。胞浆胞浆需氧脱氢酶需氧脱氢酶（如（如黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶等）也可催等）也可催化生成化生成O-2。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等等外源因素外源因素也可导致细胞产生活性氧类。也可导致细胞产生活性氧类。 目录目录需氧脱氢酶和氧化酶需氧脱氢酶和氧化酶二、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的二、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能功能目录目录n抗氧化酶体系抗氧化酶体系1. 过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 目录目录可去除细胞生长和代谢产生的可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物和过氧化物(R-O-OH)，是，是体内防止活性氧类损伤主要的酶体内防止活性氧类损伤主要的酶。2. 谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH目录目录 谷胱甘肽过谷胱甘肽过氧化物酶氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。 谷胱甘谷胱甘肽还原酶肽还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 目录目录3. 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)目录目录三、微粒体细胞色素三、微粒体细胞色素P450P450单加氧酶催化单加氧酶催化底物分子羟基化底物分子羟基化RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 上述反应需要细胞色素上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。参与。n细胞色素细胞色素P450单加氧酶单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)，又称混合功能氧化酶，又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)目录目录细胞色素细胞色素P450单加氧酶作用机制单加氧酶作用机制