1、第第 六六 章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系第二节第二节 其他不生成其他不生成ATP的氧化体系的氧化体系w 维持生命活动的能量来源：维持生命活动的能量来源： 光能（太阳能）：光能（太阳能）： 化学能：化学能：绿叶中的光合作用新陈代谢新陈代谢新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代
2、谢生物体把能量用在生命活动的生物体把能量用在生命活动的各个方面各个方面 物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成时逐步释放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能n生物氧化的概念生物氧化的概念 区别：区别：生物氧化生物氧化体外燃烧体外燃烧温度温度3737 高温高温催化催化 酶酶/ /环境环境中性中性 干燥干燥能量的释放能量的释放逐步释放部
3、逐步释放部分以分以高能磷酸键形式储存高能磷酸键形式储存全部以热能全部以热能形式散发形式散发n生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、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。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。和释放能量均相同。 反应环境温和，酶促反应逐步反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容进行，能量逐步释放，能量容易捕获，易捕获，ATP生成效率高。生成效率高。 通过加水脱氢反应使物
4、质能间通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2。n 生物氧化与体外氧化之不同点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 能量突然释放。能量突然释放。 物质中的碳和氢直接物质中的碳和氢直接与氧结合生成与氧结合生成CO2H2O 。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 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程三、生物氧化中物质氧化的方式三、生物氧化中物质
5、氧化的方式o氧化反应氧化反应: : 加氧、脱氢、失电子加氧、脱氢、失电子 o还原反应还原反应: : 脱氧、加氢、得电子脱氧、加氢、得电子第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing定义：定义：是指在是指在线粒体内膜线粒体内膜上一系列具有上一系列具有传递氢和电传递氢和电子子作用，并按一定作用，并按一定顺序排列的酶和辅酶顺序排列的酶和辅酶，又称又称电子传电子传递链递链(electron transfer chain)(electron transfer chain)。一、呼
6、吸链（一、呼吸链（respiratory chain）酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，移出线粒体内膜，转变为跨内膜转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于梯度的能量，再用于ATP的生物的生物合成。合成。 （一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力种具有传递电子能力的复合体组成的复合体组成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)多肽多肽链数链数功能辅基功能
7、辅基含结合位点含结合位点复合体复合体NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧）CoQ（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1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQ（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还原酶还原酶25011血红素血红素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt a复合体复合体细胞色素细胞色素C氧氧化酶化酶16213血红素血红素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜间隙侧）（膜
8、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。 Cytcox NADH+H+ NAD+ 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 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置1.1.复合体复合体： NADH-NADH-泛醌还原酶还原酶 又称又称NADH脱氢酶复合体脱氢酶复合体o亚基：亚基： 3
9、939条条o辅酶辅酶/ /辅基：辅基： FMNFMN、Fe2+ 复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能。复合体复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递给泛中的电子传递给泛醌醌(ubiquinone)NAD+和和NADP+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在氧化还原反应时变化发生在五价氮五价氮和和三价氮
10、三价氮之间。之间。FMN结构中含结构中含核黄素核黄素，发挥功能的部位是，发挥功能的部位是异咯异咯嗪环嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。在。在可逆的氧化还原反应中显示可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于种分子状态，属于单、单、双电子传递体。双电子传递体。 铁硫簇铁硫簇(Fe-S)：含铁原子和硫原子：含铁原子和硫原子w 它主要以它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式存在。形式存在。无机硫无机硫铁硫蛋白中辅基铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子
11、可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。 表示无机硫表示无机硫泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可生成中间产物生成中间产物半醌型泛醌半醌型泛醌。内膜中。内膜中可移动电子载体可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电电子传递和质子移动子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。的偶联中起着核心作用。复合体复合体的功能的功能
12、NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH22. 复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶o亚基：亚基：4条条o辅酶辅酶/ /辅基：辅基： FADFAD（黄素蛋白）黄素蛋白） FeFe2+2+（铁硫蛋白）铁硫蛋白） FeFe2+2+（细胞色素细胞色素b560） 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，又称称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶。 电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ 复合体复合体没有没有H+泵的功能泵的功能。复合体复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。
13、功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。3. 复合体复合体: 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将功能：将电子电子从泛醌传递给细胞色素从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1o亚基：亚基：1010条条o辅酶辅酶/ /辅基：辅基：FeFe2+2+（细胞色素（细胞色素b b562 562 /b/b566566） FeFe2+2+（细胞色素（细胞色素c c1 1） FeFe2+2+（铁硫蛋白）（铁硫蛋白） 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，细胞色，细胞色素素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细
14、胞色素b(b562, b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体梭传递到复合体。 电子传递过程电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt)(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。 复合体复合体的电子传递通的
15、电子传递通过过“Q循环循环”实现。实现。 复合体复合体每传递每传递2个电个电子向内膜胞浆侧释放子向内膜胞浆侧释放4个个H+，复合体复合体也有也有质子泵作用质子泵作用。 Cyt c是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包含，不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。4. 复合体复合体: 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给传递给氧氧。 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB o亚基：亚基：1313条条o辅酶辅酶/ /辅基：辅基：CuCu+ +/Cu/Cu2+2+（含（
16、含CuCu多肽：多肽：CuCuA A） FeFe2+2+/Fe/Fe3+3+（细胞色素（细胞色素aaaa3 3） CuCu+ +/Cu/Cu2+2+（含含CuCu多肽：多肽：CuCuB B） 复合体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 oxidase)。 电子传递电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB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O2。每。每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 。复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程细胞色素细胞色素c氧化酶
17、氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。结合，不会引起细胞损伤。NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶（二）（二）呼吸链中电子传递体的呼吸链中电子传递体的排列顺序排列顺序v标准氧化还原电位标准氧化还原电位E E0
18、0的高低的高低排列排列 e e E EO O（小）（小） E EO O（大）（大）v电子传递体氧化还原态时的电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化吸收光谱变化进行检测进行检测v利用利用阻断剂阻断剂研究分析研究分析v四种复合物的电子传递四种复合物的电子传递再造再造实验实验 由以下实验确定：由以下实验确定：1 . 1 . 标准氧化还原电位标准氧化还原电位E E0 0v氧化还原电势氧化还原电势还原剂失掉电子或氧化剂还原剂失掉电子或氧化剂得到电子的倾向称氧化还原电势。得到电子的倾向称氧化还原电势。v标准电势标准电势任何的氧化任何的氧化-还原物质都有其特还原物质都有其特定的电动势，称标准电势。用定的电动势
19、，称标准电势。用E0或或0表示表示 伏特计伏特计桥桥溶液（溶液（X及及X-各各1mol/L)1mol/L H+与与1大气大气压压H2平衡平衡还还 原原 电电 位位 的的 测测 定定 装装 置置半反应半反应: XH2 X-+2H+2e2H+2e 2H生物体内生物体内 pH=7, H+ =10-7mol/L标准氧化还原电位（标准氧化还原电位（ Eo ）测定）测定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.
20、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 /H2O0.816NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等琥珀酸等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素C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还原酶还原酶-0.2-0.40
21、+0.20.40.60.8E0/V2.呼吸链分离、重组呼吸链分离、重组NADH FMN (Fe-S) Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 O2FAD.H2 (Fe-S)鱼藤酮鱼藤酮异戊巴比妥异戊巴比妥杀粉蝶霉素杀粉蝶霉素A-抗霉素抗霉素A二巯基丙醇二巯基丙醇氰化物氰化物硫化氢硫化氢叠氮化叠氮化CO-3. 各种呼吸链各种呼吸链抑制剂抑制剂作用部位作用部位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 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 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2结结 果果NADHF
22、MN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP偶联偶联 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼是指在呼吸链电子传递过程中偶联吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP，又称为又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子
23、的高能键，使与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经的过程。不经电子传递。电子传递。nATP生成方式生成方式（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/O比值比值 自由能变化自由能变化: G=-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、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
24、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 11、P/O 比值比值指氧化磷酸化过程中，每消耗指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所生所生成成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成给氧所生成ATP分子数）。分子数）。 2.自由能变化自由能变化o标准自由能变化（标准自由能变化（ G 0）在标准条件下发在标准条件下发生的化学反应的自由能变化。生的化学反应的自由能变化。 标
25、准条件指反应的温度位标准条件指反应的温度位25（298K），），大气压为大气压为101,325Pa (1atm)，pH=0.0且反且反应物和生成物的浓度均为应物和生成物的浓度均为1mol/L。 对于对于生物化学反应生物化学反应，标准条件还要求，标准条件还要求pH=7.0用用G 0表示表示 。G0= -nFE0NADHFMN（Fe-S）CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸能量ADP + PiATP能量ADP + PiATP能量ADP + PiATP-0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.
26、53VG0= ？ 生成ATP所需能量为30.5kJ-0.0669.5kJ40.5kJ102.3kJ电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区区段段电电位位变变化化(E)自自由由能能变变化化G=-nFE能能否否生生成成ATP(G是是否否大大于于30.5KJ) Cytaa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCytc 0.21V 40.5KJ/mol 能能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底物水平磷酸
27、化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。*底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：1,3-1,3-二磷酸二磷酸 甘油酸甘油酸3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADP ATPADP ATP磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶磷酸烯醇型磷酸烯醇型丙酮酸丙酮酸 丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶丙酮酸激酶ADP ATPADP ATP琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶GDP GTPGDP GTP琥珀酰琥珀酰CoACoA琥珀
28、酸琥珀酸( (二二) )氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度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，可将质子电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜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度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。o要点：要点： a. 电子传递链是质子电子传递链是质子泵泵（I、III、IV）；）； b. 在在电子传递电子传递中，释放能量
29、驱动中，释放能量驱动质子泵质子泵。 c. 质子跨膜质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动过程中释放的能量，直接驱动 ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。 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+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；透的； 电子传递链可驱动质子移出内膜，形成可测定的电子传递链可驱动质子移出内膜，形成可测定的跨内膜电化学梯度；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ATP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
30、电子虽可以传递，但度，结果电子虽可以传递，但ATP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。 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+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有质子泵功能有质子泵功能。质子梯度的形成质子梯度的形成化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图ATPAT
31、P合酶（三联体、三分子体、合酶（三联体、三分子体、F F0 0F F1 1复合体）复合体）头部头部柄部柄部基底部基底部F F1 1 ：具酶活性：具酶活性, ,催化催化ATPATP合成合成 3 33 3F F0 0：跨内膜质子通道：跨内膜质子通道 ab2c912下页下页nATP合酶结构组成合酶结构组成（三）质子顺梯度回流释放能量被（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶合酶利用催化利用催化ATP合成合成亲水部分亲水部分疏水部分疏水部分ATP合酶合酶内膜内膜外膜外膜内、外膜间隔内、外膜间隔嵴嵴ATPATP合酶合酶nATP合酶组成可旋转的发动机样结构合酶组成可旋转的发动机样结构 F0的的2个个b亚基
32、的一端锚定亚基的一端锚定F1的的亚基，另一端通亚基，另一端通过过和和33稳固结合，使稳固结合，使a、b2和和33、亚基组成亚基组成稳定的稳定的定子部分定子部分。 部分部分和和亚基共同形成穿过亚基共同形成穿过33间中轴，间中轴，还与还与1个个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环亚基环紧密结合。紧密结合。c亚基环、亚基环、和和亚基组成亚基组成转子部分转子部分。 质子质子顺梯度向基质顺梯度向基质回流回流时，转子部分相对定子部时，转子部分相对定子部分旋转，使分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合酶利用释放的能量合成合成ATP。 合酶和质子的跨膜流动机制模式图合酶和
33、质子的跨膜流动机制模式图当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间回流时，亚基之间回流时，亚基发生旋转亚基发生旋转，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nATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制(binding change mechanism) O：开放型：开放型 L：疏松型：疏松型 T ：紧密结合型：紧密结合型约需约需3个质子穿线粒体内膜回流进基质能生个质子穿线粒体内膜回流进基质能生成成分子分子ATP,转子循环一周生成转子循环一周生成3分子分子ATP.两个电子两个电子经经复合物复合物I、III和和IV传递大约导致传递大约导致
34、线粒体内的线粒体内的10个个H转移到膜间隙。转移到膜间隙。 H经经ATP合成酶流回线粒体基质足可以驱动合成酶流回线粒体基质足可以驱动3个个ATP的合的合成。成。从从复合物复合物II进入电子传递链的电子经复合进入电子传递链的电子经复合物物III传递到复合物传递到复合物IV，只能驱动，只能驱动6个质子个质子的转的转移，但也可驱动移，但也可驱动2个个ATP的合成。的合成。三、氧化磷酸化的内外源影响因素三、氧化磷酸化的内外源影响因素（一）有（一）有3类氧化磷酸化抑制剂类氧化磷酸化抑制剂1 1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程 复合体复合体抑制剂：鱼藤酮
35、抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉、粉蝶霉素素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(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)。 复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断阻断Cyt bH传递电子到泛醌传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用；粘噻唑菌醇则作用QP位点位点。 复合体复合体 抑制剂：抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由，阻断电子由Cyt a到到CuB- Cyt a3间传递。间传递。CO与还原型与
36、还原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。 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NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2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2 2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解偶联剂解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶
37、可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是联相互分离，基本作用机制是破坏破坏电子传递过程建电子传递过程建立的跨内膜的立的跨内膜的质子电化学梯度质子电化学梯度，使电化学梯度储存，使电化学梯度储存的的能量以热能形式释放能量以热能形式释放，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；解偶联蛋白联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。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）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ADP+Pi ATP 3、
38、ATP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ATP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)可结合可结合F0单位，二单位，二环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合共价结合F0的的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F0质质子半通道回流，抑制子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内合酶活性。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的功膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功
39、能，继而抑制电子传递。能，继而抑制电子传递。 寡霉素寡霉素ATP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F0质子通道回质子通道回流，抑制流，抑制ATP生生成。成。不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响o呼吸控制呼吸控制ATP/ADP之比对电子传递和之比对电子传递和氧化磷酸化起重要调控作用，其中氧化磷酸化起重要调控作用，其中ADP对氧对氧化磷酸化的调控化磷酸化的调控作用作用 称为呼吸控制。称为呼吸控制。o呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)离体线粒体在过量底物（琥珀酸）条离体线粒体在过量底物（琥珀酸）条件下
40、，加入件下，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比，称为的耗氧速率之比，称为呼吸控制率呼吸控制率。（二）（二）ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素率的主要因素 （三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加热同时增加o甲状腺激素激活细胞膜上的甲状腺激素激活细胞膜上的Na+-K+-ATP酶酶 使使ATP水解增加水解增加因而使因而使ATP/ADP比值下降比值下降 氧化磷酸化速度加快。氧化磷酸化速度加快。o甲状腺激素（甲状腺激素（T3）可使）可使解偶联蛋白基因表达解偶联蛋白基因表达增增加。加。 引起
41、物质引起物质氧化释能氧化释能和和产热比率产热比率均增加。均增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变可影响机体突变可影响机体氧化磷酸化功能氧化磷酸化功能o与线粒体与线粒体DNA（mitochondrial DNA， mtDNA ）突变及衰老有关。）突变及衰老有关。四、四、ATP在能量的生成、利用、转移在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用和储存中起核心作用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/mol的磷酸酯的磷酸酯键，常表示为键，常表示为 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化合物化合物E0kJ/mol(kcal/m
42、ol)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)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖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 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
43、+ GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMPn肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用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。 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 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ATP为中心。
44、为中心。五、线粒体内膜对各种物质进行五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运选择性转运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)对各种物质的转运。对各种物质的转运。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-ADP转位酶转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4- + H+二羧酸转运蛋白二羧酸转运蛋白HPO42-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-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白
45、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OH-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 （一）胞浆中（一）胞浆中NADH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NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。- -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosph
46、ate 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：1 1、-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中 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 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH磷酸甘油脱磷酸甘油脱氢酶氢
47、酶2 2、苹果酸、苹果酸- -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 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 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -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 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷
48、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 -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-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭穿梭物质穿梭物质-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮苹果酸、苹果酸、 谷氨酸谷氨酸天冬天冬aaaa、-酮戊二酸酮戊二酸进入线粒进入线粒体后转变体后转变成的物质成的物质FADH2NADH+ H+进入进入呼吸链呼吸链 琥珀酸琥珀酸氧化呼吸链氧化呼吸链NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链生成生成ATPATP
49、数数23存在组织存在组织某些肌肉、某些肌肉、神经组织神经组织肝脏和心肌组织肝脏和心肌组织相同点相同点将胞浆中将胞浆中NADHNADH的还原当量转送到线粒体内的还原当量转送到线粒体内（二）（二）ATP-ADP转位酶促进转位酶促进ADP进入和进入和ATP移出紧密偶联移出紧密偶联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
50、 ，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。 第二节第二节 其他不生成其他不生成ATP的氧化体系的氧化体系The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能的功能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nROS主要来源主要来源 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
