1、生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，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CO2 和 H2O的过程。糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念 糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 呼吸链 ADP+Pi ATP 生物氧化的一般过程线粒体氧化体系与呼吸链Biological oxidation in mitochondria and the mitochondrial respiratory chain第一节第一节一、线粒体氧化
2、体系需要递氢体和递电子体 递电子体递氢体电子直接传递：Fe2+Fe3+e以氢原子的形式传递电子 2H 2H+2e 水溶性辅酶或辅基：NAD+/NADH,NADP+/NADPH为双电子传递体功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2,FMN/FMNH2为单双电子传递体结构中含核黄素 异咯嗪环为功能基团脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）人体：CoQ10，含10个异戊二烯单位可在线粒体内膜中自由扩散传递质子和电子QQHQH2铁硫蛋白(iron-sulfur protein)辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子 通过 Fe2+Fe3+e-反
3、应传递电子 单电子传递体Fe-SFe2S2Fe4S4 细胞色素蛋白（cytochrome,Cyt）含血红素样辅基的蛋白质分Cyt a、b、c 及不同的亚类通过血红素辅基 Fe2+Fe3+e-反应传递电子单电子传递体 细胞色素a，b，c 结合的血红素辅基血红素a血红素b血红素c二、具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）定义：生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸链（oxidative respirator
4、y chain）。也称电子传递链(electron transfer chain)。生成ATP的氧化体系（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体INADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体II琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体III泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCyt c1，Cyt a复合体IV细胞色素C氧化酶16213血
5、红素a，a3，CuA,CuBCyt c（膜间隙侧）Cytc Q NADH+H+NAD+FAD FADH2 1/2O2+2H+H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 eeeee呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置泛醌 和 Cytc 不包含在上述四种复合体中1.复合体:NADH-泛醌还原酶u 功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone)复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 黄素蛋白铁硫蛋白NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变 复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;
6、Fe-SN-2 复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 FMN FMH FMNH2FMN：核黄素-5-磷酸铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。表示无机硫表示半胱氨酸硫 复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人：CoQ10），氧化还原反应时
7、可生成中间产物半醌型泛醌。复合体的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2 复合体：NADH-泛醌还原酶、NADH脱氢酶 接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌 复合体可催化两个同时进行的过程：电子传递：NADHFMNFe-S Q 质子的泵出：复合体有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧2.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶功能将电子从琥珀酸等传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFAD;Fe-S1;Fe-S2;Fe-S3;b560黄素蛋白铁硫蛋白细胞色素b560细胞色素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱
8、不同而分类。复合体：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S Q 复合体：无H+泵的功能3.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c 复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c1铁硫蛋白细胞色素b细胞色素c1 复合体的电子传递通过“Q循环”实现 复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体有质子泵作用 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中 Cyt c将获得的电子传递到复合体IV4.复合体:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3-
9、CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。1、NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O22、琥珀酸氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2三、三、NADH和和FADH2是氧化呼吸链的电子供体是氧化呼吸链的电子供体根据电子供体及其传递过程，目前认为，氧化呼吸链有两条途径：NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化磷酸化与ATP的生成第二节第二节Oxidative phosphorylatio
10、n and production of ATP 氧化磷酸化 定义：氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中、能量逐步释放并偶联ADP磷酸化生成ATP，因此又称为偶联磷酸化 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是因脱氢、脱水等作用使能量在分子内部重新分布而形成高能化合物，然后将能量转移给ADP形成ATP的过程。氧化过程如何偶联ADP的磷酸化过程？每条呼吸链各产生多少ATP？氧化磷酸化的偶联部位偶联部位的确定方法有两种：1.测定P/O比值2.计算自由能(GO)的变化ATPATP ATP一、氧化磷酸化偶联部
11、位在复合体、内（一）P/O 比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）1.5ATP2.5ATP底物底物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值可生成的可生成的ATP-羟丁酸羟丁酸NAD+复合体复合体ICoQ复合体复合体IIICyt c复合体复合体IVO22.52.5琥珀酸琥珀酸复合体复合体IICoQ复合体复合体III Cyt c复合体复合体IVO21.51.5抗坏血酸抗坏血酸Cyt c复合体复合体IVO20.881细胞色素细胞色素c(Fe2+)复合体复合体IVO20.61-0.681（二）自由能变化 根据自由能变化确定偶联部
12、位G=-nF E偶联部位电位变化(E0)自由能变化(G0)能否生成ATP(G0是否大于30.5KJ)NADHCoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQCytc0.21V40.5KJ/mol能Cyta-a3O20.53V102.3KJ/mol能n：传递电子数；F：法拉第常数 合成1摩尔ATP 需能量约30.5kJ 区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化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
13、能电子传递链自由能变化ATP ATP 19.3KJATP呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需复合体 I复合体 III复合体 IV一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP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胞浆胞浆 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外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。二、氧化磷酸化的偶联机制：
14、化学渗透学说 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸 琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+胞液侧 基质侧+-化学渗透假说详细示意图4H+2H+4H+三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATPATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白功能：回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATPATPATP合酶结构组成F1（亲水部分）（亲水部分）亚基：功能：催化 ATP 合成Fo（疏水部分）（疏水部分）亚基：a1b2c9-12功能：质子回流至基质的通道DL.Nelson,MM.Cox Lehninger Principles of Biochemistry
15、ATP合酶：质子回流通道 a亚基形成2个质子半通道 半通道接受的质子中和c亚基Asp61的负电荷后，c亚基环与内膜接触发生转动ATP合酶的结合变构模型：催化ATP合成质子顺浓度梯度经Fo部分回流时，驱动亚基转动，使3个亚基构象周期性改变 依次结合底物、生成、释出产物ATP 生成1个ATP，需3个H回流入线粒体基质，还需一个H H转运为何生物氧化主要的能量代谢产物是ATP？ATP合酶的作用 ATP的作用ATP在能量代谢中起核心作用1）底物水平磷酸化：2）氧化磷酸化：是体内ATP生成的主要方式。化学能化学能ADPATP底物产物P、能量化学能电势能底物NADH，FADH2OH2OADP+PATP 能
16、量 H+、e、能量H+、e（呼吸链）形成X P1)ATP的生成 为糖原、磷脂、蛋白质合成提供能量的UTP、CTP、GTP不能从物质氧化过程中直接生成，只能在二磷酸核苷激酶的催化下，从ATP中获得P ATP+NDP ADP+NTPNDP激酶2)ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心3)ATP通过转移自身基团提供能量ATP通过共价键与底物或酶分子相连，将Pi、Ppi、AMP基团转移到底物或蛋白上而形成中间产物 ATP中的高能磷酸键是肌肉收缩的直接参与者，磷酸肌酸中的高能磷酸键则是能量的一种贮存方式 骨骼肌、心肌、脑组织骨骼肌、心肌、脑组织ATP+肌酸 ADP+磷酸肌酸4)磷酸肌酸也是储存能量的高能
17、化合物ATP循环是生物体内能量转换最基本的方式。循环是生物体内能量转换最基本的方式。营养物质营养物质+O2生物氧化生物氧化CO2和和H2O机械能机械能-运动运动化学能化学能-合成合成渗透能渗透能-分泌吸收分泌吸收电能电能-生物电生物电热能热能-体温体温光能光能-生物发光生物发光能量能量能量能量ATP ADP+P C+PCP ATP的生成和利用的生成和利用氧化磷酸化的影响因素第三节第三节Regulation of oxidative phosphorylation 体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 -ADP：浓度高，氧化速率加快 抑制剂 其它：-甲状腺激素：诱导ATP酶合成，加速ATP分解 -线
18、粒体DNA突变：能量代谢障碍 -核基因突变：线粒体所需蛋白缺陷，能量代谢受阻氧化磷酸化的调控1.呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离，如：解偶联蛋白、二硝基苯酚3.氧化磷酸化抑制剂 (ATP合酶抑制剂)对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用，如：寡霉素 （一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A粘噻唑菌醇 CO、CN-、N3-及H2S1.各种呼吸链抑制剂的阻断位点萎锈灵三氟丙酮 复合体抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等 复合体的抑制剂：萎锈灵 复合体抑制剂：抗霉素A，阻断Cytb传递电子到泛醌(QN)复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧
19、化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB-Cyt a3间传递；CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2 二硝基苯酚ATP合酶结构模式图DNPDNP可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成2.氧化磷酸化抑制剂寡霉素(oligomycin)解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 ADP+Pi ATP 各种抑制剂对电子传递链的影响 ADP的调节ADP 氧化磷酸化ATP 氧化磷酸化 甲状腺素诱导NaK-ATP酶的合成，加速ATP分解，ADP 氧化磷酸化诱导解偶联蛋白表达，加速耗氧和产热。是一种生理性调节 线粒体DNA突变。mtDNA编码氧
20、化磷酸化复合体中13条多肽链。与线粒体DNA病及衰老有关。线粒体内膜的物质转运 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(transporter)对各种物质的转运。线粒体内膜的主要转运蛋白线粒体内膜的主要转运蛋白 胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运蛋白丙酮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
21、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肉碱碱胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸-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-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运
22、蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-丙酮酸转运蛋白丙酮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肉碱碱肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱转运蛋白转运蛋白功功 能能胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)
23、苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)1.-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 CHOH2.苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝、肾和心肌中NADH+H+NAD+-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHH
24、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 -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-
25、C-COO-H3N+H苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸（二）ATP-ADP转位酶协调转运ADP进入和ATP移出线粒体ATP4-F0 F1 胞液侧 基质侧 腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白 ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷，相当于多1个H+转入线粒体基质。电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌H+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧H+其他氧化与抗氧化体系第四节第四节Oxidative rea
26、ctions and anti-oxidants一、微粒体中的加氧酶类微粒体细胞色素P450加单氧酶功能：使底物羟化 -参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成 -药物、毒物的生物转化 机制：催化O2中的一个氧原子加入底物，另一个氧原子被还原成H2ORH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O细胞色素P450单加氧酶作用机制二、线粒体呼吸链也可产生活性氧二、线粒体呼吸链也可产生活性氧 反应活性氧类(reactive oxygen species,ROS):O2的不完全还原产物：超氧阴离子(O2-)，羟自由基(OH）、H2O2等 化学性质非常活泼，氧化性强ROS主要来源 线粒体：细胞内95
27、的ROS来自线粒体，超氧阴离子O-2以及后续H2O2和OH ROS主要由复合体I和复合体III中的“Q循环”中产生 -半醌型泛醌（QH)，可直接将单个电子泄漏给O2而生成O2-过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基OH 胞浆需氧脱氢酶：如黄嘌呤氧化酶也可催化生成O-2 细菌感染、组织缺氧等病理过程；环境、药物等外源因素氧化杀死入侵细菌H2O2可使2I-氧化为I2，使酪氨酸碘化生成甲状腺素强氧化性，可诱发氧化应激，引起细胞膜脂质、蛋白质、DNA等氧化损伤破坏细胞的正常结构和功能，与机体的衰老、疾病的发生密切相关ROS的作用抗氧化体系清除ROS催化2分子O2-分
28、别进行氧化和还原，生成O2和H2O2活性强，是人体防御超氧离子损伤的重要酶哺乳动物细胞有3 种SOD 同工酶：l Cu/Zn-SOD：胞外、胞质l Mn-SOD：线粒体超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）过氧化氢酶(catalase)含4个血红素辅基 催化活性极强，40,000底物/秒 存在部位：过氧化酶体、胞质及微粒体中2H2O2 2H2O+O2谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）存在部位：胞浆、线粒体、过氧化酶体 含硒代半胱氨酸，活性必需基团 消除H2O2和其它过氧化物类（ROOH）保护生物膜及血红蛋白本章知识框架掌握底物水平磷酸化和氧化磷酸化的概念掌握底物水平磷酸化和氧化磷酸化的概念呼吸链的概念、种类、排列顺序及呼吸链的概念、种类、排列顺序及ATPATP生成部位生成部位。掌握掌握P/OP/O比值比值的概念，的概念，生物氧化生物氧化概念，概念，掌握两种穿梭方式。掌握两种穿梭方式。熟悉抑制剂对呼吸链抑制作用的部位。熟悉抑制剂对呼吸链抑制作用的部位。ATPATP的生成、高能化合物。的生成、高能化合物。了解化学渗透假说的内容了解化学渗透假说的内容复习要点
