1、目目 录录 第第 二二 篇篇 物质代谢与能量代谢物质代谢与能量代谢 目目 录录 物质代谢研究的内容物质代谢研究的内容 糖、脂、氨基酸、核酸基糖、脂、氨基酸、核酸基本代谢反应本代谢反应 过程和生理意义。过程和生理意义。 物质代谢伴随的能量代谢。生物氧化物质代谢伴随的能量代谢。生物氧化 物质代谢伴随环境变化的调节。物质代谢伴随环境变化的调节。 目目 录录 掌握要点掌握要点 基本反应过程：基本反应过程：代谢途径；相互联系。代谢途径；相互联系。 关键酶：关键酶：关键酶及其调节。关键酶及其调节。 生理意义：生理意义：能量代谢，信息代谢，功能作用能量代谢，信息代谢，功能作用 目目 录录 糖糖 代代 谢谢
2、脂脂 代代 谢谢 氨基酸代谢氨基酸代谢 三羧酸循环三羧酸循环 氧化磷酸化氧化磷酸化 目目 录录 第八章第八章 生物氧化与氧化磷酸化生物氧化与氧化磷酸化 Biological oxidation and oxidative phosphorylation 目目 录录 物质在生物体内进行的氧化还原反应。物质在生物体内进行的氧化还原反应。 生物氧化生物氧化（biological oxidation） 氧化释能与氧化释能与ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP相偶联。相偶联。 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 目目 录录 第一节第一节 生物氧化反应及氧化
3、还原酶生物氧化反应及氧化还原酶 基本类型基本类型 Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation 目目 录录 一、生物氧化与反应类型一、生物氧化与反应类型 营养物或其它生物分子在生物体营养物或其它生物分子在生物体（细胞细胞） 内进行的氧化还原作用内进行的氧化还原作用。 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逐主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解逐 步释放能量，最终生成步释放能量，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 C
4、O2和和H2O O2 能量能量 ADP+Pi ATP 热能热能 目目 录录 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 TAC 2H 呼吸链呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 营养物的氧化过程营养物的氧化过程 目目 录录 生物氧化与体外氧化相同点生物氧化与体外氧化相同点 遵循氧化还原反应的一般规律遵循氧化还原反应的一般规律。 氧化方式：氧化方式：加氧加氧、脱氢脱氢、失电子失电子。 氧化消耗的氧量氧化消耗的氧量、最终产物最终产物（CO2，H2O） 和释放能量相同和释放能量相同。 目目 录录 生物氧化与体外氧化生物氧化与体
5、外氧化不同点不同点 生物氧化生物氧化 体外氧化体外氧化 体温体温，近中性近中性pH 。 酶促反应能量逐步释放酶促反应能量逐步释放, 生成生成ATP储存储存。 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。 高温高温、高压高压、强酸碱强酸碱。 能量是突然释放的能量是突然释放的，以以 热量释放热量释放。 物质中的碳和氢直接与物质中的碳和氢直接与 氧结合生成氧结合生成CO2、H2O。 目目 录录 类型：类型：失失/ /得电子得电子 脱脱/ /加氢加氢 加氧反应加氧反应 酶：酶：第第类酶：氧化还原酶类类酶：氧化还原酶类 亚类：氧化酶亚类：氧化酶 加氧酶加氧酶
6、 需氧脱氢酶需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶 生物体内的氧化还原反应类型生物体内的氧化还原反应类型 氧化酶氧化酶 目目 录录 二、氧化还原酶基本类型二、氧化还原酶基本类型 泛指催化涉及氧分子（泛指催化涉及氧分子（O2）的反应。）的反应。 分类：分类：氧化酶（氧化酶（oxidases） 需氧脱氢酶需氧脱氢酶 (aerobic dehydrogenases) 加氧酶加氧酶 (oxygenases) 氢过氧化物酶（氢过氧化物酶（hydroperoxidases） 特点：特点：存在于不同亚细胞结构中，存在于不同亚细胞结构中， 多数催化非营养物质进行生物转化。多数催化非营养物质进行生物转化。 （一）
7、氧化酶：（一）氧化酶： 目目 录录 1. 氧化酶氧化酶 辅基：辅基：Cu2+或或Fe3+卟啉，卟啉， 分布：分布：线粒体，线粒体， 细胞色素细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。氧化酶、抗坏血酸氧化酶。 催化反应：催化反应：以以O2为直接受氢体，产物为为直接受氢体，产物为H2O。 目目 录录 2. 需氧脱氢酶需氧脱氢酶 辅基成分：辅基成分：为为FAD或或FMN，属于黄素酶，属于黄素酶 醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶 作用：作用：直接还原氧生成过氧化氢，直接还原氧生成过氧化氢， O2为直接受氢体，产物为为直接受氢体，产物为H2O2。 黄嘌呤氧化酶辅基：还
8、含有钼和铁黄嘌呤氧化酶辅基：还含有钼和铁-硫蛋白。硫蛋白。 目目 录录 加氧酶：加氧酶： 氢过氧化物酶：氢过氧化物酶：过氧化氢酶、过氧化物酶；过氧化氢酶、过氧化物酶； 分布：分布：微粒体微粒体 作用：作用：参与某些代谢物、药物、毒物的转化参与某些代谢物、药物、毒物的转化 或清除。或清除。 3. 3. 加氧酶和过氧化酶加氧酶和过氧化酶 目目 录录 （二）不需氧脱氢酶（二）不需氧脱氢酶 能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。 此类酶不是将氢（此类酶不是将氢（H+ + e-）直接传递给）直接传递给O2。 而是使而是使H活化并由辅酶或辅基接受，产生还原型活
9、化并由辅酶或辅基接受，产生还原型 辅酶或辅基。辅酶或辅基。 多数催化营养物质的生物氧化。多数催化营养物质的生物氧化。 目目 录录 主要功能主要功能： （1）催化）催化线粒体线粒体呼吸链呼吸链/电子传递链中氢或电子电子传递链中氢或电子 载体，间接将氢或电子传递给载体，间接将氢或电子传递给O2，生成，生成H2O， 与产生与产生ATP相关。相关。 （2）催化）催化细胞内代谢途径细胞内代谢途径的氧化还原反应，促的氧化还原反应，促 进代谢物之间氢的交换。进代谢物之间氢的交换。 （3）催化可逆的反应促进还原当量在）催化可逆的反应促进还原当量在细胞内的细胞内的 自由运转自由运转或穿梭。或穿梭。 目目 录录
10、NAD+和和NADP+的结构的结构 R=HNAD+; R=H2PO3:NADP+ 1. 以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体 目目 录录 FMN的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应 2. 以黄素核苷酸为受氢体以黄素核苷酸为受氢体 目目 录录 3. 以血红素为电子载体以血红素为电子载体 细胞色素的辅基：细胞色素的辅基： 血红素血红素bH、bL及及c1，传递电子。，传递电子。 N N N N CH3HC CH2 CH3 CHCH2 CH2 CH2 COO CH3 HC CH2CH2 OOC Fe OH CH2CHCCH2 CH3 3 H ON N N N CH3HC CH3 S
11、CH2 CH3 CHSCH2 CH3 CH2 CH2 COO CH3 H3C CH2CH2 OOC protein protein Fe 血红素血红素 b 血红素血红素 C 目目 录录 第二节第二节 线粒体氧化体系与氧化磷酸化线粒体氧化体系与氧化磷酸化 Mitochondrial oxidative system and oxidative phosphorylation 目目 录录 线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 O2 H2O H+ e- H+ ADP + Pi ATP 氧化氧化 磷酸化磷酸化 H+ H+ 线粒体氧化磷酸化系统：线粒体氧化磷酸化系统： 氧化体系氧化体系（线粒体呼吸
12、作用）：（线粒体呼吸作用）： 营养物脱氢氧化，氢和电子传递给氧（呼吸链）营养物脱氢氧化，氢和电子传递给氧（呼吸链） 磷酸化体系：磷酸化体系： 质子跨膜转移和质子跨膜转移和ATP合成的过程。合成的过程。 ATP的作用的作用 目目 录录 呼吸链呼吸链（respiratory chain）： 线粒体内膜线粒体内膜，由一系列具有由一系列具有氢和氢和/或电子传递或电子传递 功能的功能的酶复合体酶复合体按一定顺序排列按一定顺序排列，组成的氧化还组成的氧化还 原体系称为原体系称为呼吸链呼吸链。 一、一、呼吸链：呼吸链： 电子传递体组成的氧化还原体系电子传递体组成的氧化还原体系 目目 录录 （一）电子传递体：
13、（一）电子传递体： 是酶复合体的辅酶或辅基是酶复合体的辅酶或辅基 组成：组成：呼吸链中酶复合体的辅酶或辅基呼吸链中酶复合体的辅酶或辅基。 作用：作用：传递氢和传递电子传递氢和传递电子。 特点：特点：电子传递体具有不同的氧化还原电位电子传递体具有不同的氧化还原电位。 1. 递氢体：递氢体：传递氢和电子传递氢和电子（2H2H+2e） 包括包括NAD+、FMN、FAD和和泛醌泛醌。 2. 递电子体：铁硫蛋白、细胞色素递电子体：铁硫蛋白、细胞色素 Fe2+ Fe3+ + e- 目目 录录 泛醌泛醌（Coenzyme Q , CoQ, Q）： 多个异戊二烯连接形成的疏水侧链。多个异戊二烯连接形成的疏水侧
14、链。 人的人的泛醌泛醌(CoQ10、Q10): 10个异戊二烯连接形成侧链个异戊二烯连接形成侧链 泛醌泛醌 目目 录录 辅基：铁硫中心辅基：铁硫中心(Fe-S)。 等量铁原子和硫原子：等量铁原子和硫原子： Fe-S、2Fe-2S、 4Fe-4S 铁原子铁原子 Fe2+ Fe3+e- 传递电子传递电子。 铁硫蛋白铁硫蛋白 目目 录录 细胞色素细胞色素（Cytochrome，Cyt） 以以血红素血红素（heme）为辅基的电子传递蛋白。为辅基的电子传递蛋白。 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。 线粒体：线粒体：CytaCyta、a a3 3、b b、c c、c c1 1 微粒体
15、：微粒体：CytbCytb5 5、CytPCytP450 450 各种还原型细胞色素的主要光吸收峰各种还原型细胞色素的主要光吸收峰 细胞色素细胞色素 波长（波长（nm） a 600 439 b 562 532 429 c 550 521 415 c1 554 524 418 目目 录录 血红素中的铁原子可进行血红素中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e-反应反应 传递电子传递电子, , 属单电子传递体。属单电子传递体。 呼吸链：呼吸链：CytaCyta、a a3 3、b b、c c、c c1 1。 聚戊二烯聚戊二烯 目目 录录 方法：方法：采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经采用胆酸、脱氧胆酸处
16、理线粒体内膜，经 硫酸铵分级分离，纯化得到硫酸铵分级分离，纯化得到4种酶复合体。种酶复合体。 复合体复合体、和和：完全镶嵌在线粒体内膜中，完全镶嵌在线粒体内膜中， 参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的 质子梯度。质子梯度。 复合体复合体：镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递。 （二）电子传递复合体：（二）电子传递复合体：、 目目 录录 Cytc ox 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 4H+ 4H+ 4
17、H+ 4H+ Cytc ox Cytc red Cytc red 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 目目 录录 人线粒体呼吸链酶复合体人线粒体呼吸链酶复合体 酶复合体酶复合体 酶名称酶名称 质量质量 (kD) 多肽多肽 链数链数 功能辅基功能辅基 含结合位点含结合位点 复合体复合体 NADH-泛醌泛醌 氧化还原酶氧化还原酶 850 43 FMN、Fe-S NADH(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 140 4 FAD、Fe-S 琥珀酸琥珀酸(基质侧基质侧) CoQ(脂质核
18、心脂质核心) 复合体复合体 泛醌泛醌-细胞色细胞色 素素c氧化还原氧化还原 酶酶 250 11 血红素血红素bL、bH、 c1、Fe-S Cyt c(膜间隙侧膜间隙侧) Qo(膜间隙侧膜间隙侧) Qi (基质侧基质侧) 复合体复合体 细胞色素细胞色素c氧氧 化酶化酶 160 13 血红素血红素a、a3、 CuA、CuB Cyt c(膜间隙侧膜间隙侧) 注注 细胞色素细胞色素c c：不参与酶复合体组成，作为可溶性蛋白在复不参与酶复合体组成，作为可溶性蛋白在复 合体合体和和之间自由移动。之间自由移动。 目目 录录 1. 1.复合体复合体： 将将NADH+H+中的两个质子中的两个质子/ /电子传递给
19、泛醌电子传递给泛醌。 又称又称NADH-泛醌还原酶：泛醌还原酶： 组成：组成：多个亚基，疏水性多个亚基，疏水性7个亚基，线粒体基因编码个亚基，线粒体基因编码 作用：电子传递：作用：电子传递： H+泵的功能：泵的功能：每传递每传递2个电子泵出个电子泵出4个个H+。 NADH FMN N1a （N3, N1b, N4） N2 QP-N Q （Fe2S2）（）（Fe4S4）（）（Fe2S2）（）（Fe4S4）（）（Fe4S4） 目目 录录 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 Q QH2 目目 录录 又称又称琥珀酸琥珀酸-
20、泛醌还原酶泛醌还原酶 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶（三羧酸循环）三羧酸循环） 组成：组成： 4个亚基组成。个亚基组成。 辅基：辅基：FAD、Fe-S和血红素和血红素b（b566） 作用：作用： 电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ 没有没有H+泵的功能。泵的功能。 2. 复合体复合体： 将质子将质子/电子从琥珀酸传递到泛醌电子从琥珀酸传递到泛醌。 目目 录录 目目 录录 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶 又称又称细胞色素细胞色素bc1复合体复合体 组成结构：组成结构：同二聚体，单体同二聚体，单体11个多肽；个多肽； 核心蛋白：细胞色素核心蛋白：细胞色素b(b562
21、, b566)、 细胞色素细胞色素c1 可移动的铁硫蛋白可移动的铁硫蛋白 作用：电子传递过程：作用：电子传递过程： CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 质子泵功能：质子泵功能：每传递每传递2个电子，泵出个电子，泵出4个个H+。 3. 复合体复合体：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c 目目 录录 复合体复合体 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 目目 录录 泛醌泛醌- -细胞色素细胞色素C C还原酶结构还原酶结构 目目 录录 4. 复合体复合体：将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 又称又称细胞色素细胞
22、色素c氧化酶氧化酶(cytochrome C oxidase) 组成结构：组成结构：13个亚基，个亚基， 线粒体编码的线粒体编码的SU1-SU3，复合体复合体核心结构核心结构 SU2含含2个个Cu，(CuA)双核中心双核中心 SU1含血红素含血红素a、a3，Cu，(a3-CuB)中心。中心。 作用：电子传递：作用：电子传递： Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB活性双核中心，将电子传递给活性双核中心，将电子传递给O2。 质子泵作用：质子泵作用：每传递每传递2个电子，泵出个电子，泵出2个个H+。 目目 录录 细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶CuA中心中心 目目 录录
23、 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶a3-CuB中心中心 目目 录录 复复 合合 体体 的的 电电 子子 传传 递递 过过 程程 目目 录录 Cytc氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成水的过程。还原成水的过程。 2H2O 2H+ 目目 录录 （三）呼吸链中各组分的排列顺序（三）呼吸链中各组分的排列顺序 电子传递链各组分标准氧化还原电位（电子传递链各组分标准氧化还原电位（E0 ）、由）、由 低到高排列，即电子从低电位组分向高电位组分传递低到高排列，即电子从低电位组分向高电位组分传递 。 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
24、链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 由以下实验确定由以下实验确定 目目 录录 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+ 0.32 Cyt c1 Fe3+ /Fe2+ 0.22 FMN /FMNH2 0.219 Cyt c Fe3+ /Fe2+ 0.254 FAD /FADH2 0.219 Cyt a Fe3+ /Fe2+ 0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+ 0.05(0.10) Cyt a3 Fe3+ /Fe2+ 0.35 Q10 /Q10H
25、2 0.06 1/2O2 /H2O 0.816 目目 录录 电子传递链中酶复合体电子传递示意图电子传递链中酶复合体电子传递示意图 目目 录录 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O2 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 氧化呼吸链可分为两条途径氧化呼吸链可分为两条途径: 目目 录录 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQ Cyt bCyt c1Cyt c Cyt aa3 O2 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化
26、呼吸链氧化呼吸链 目目 录录 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)： 代谢物脱下的氢，代谢物脱下的氢，经呼吸链电子传递释放能量，经呼吸链电子传递释放能量， 偶联驱动偶联驱动ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程，又称为的过程，又称为偶联偶联 磷酸化磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) ： 底物分子内部能量重新分布底物分子内部能量重新分布，生成高能键生成高能键，使使 ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程的过程。 ATP生成方式：生成方式： 目目 录录 根据
27、：根据： P/O比值：比值： 自由能变化自由能变化: G =-nFE （一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位 氧化呼吸链中偶联生成氧化呼吸链中偶联生成ATP的部位。的部位。 目目 录录 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 2.5 Cyt c 复复 合合 体体 O 2 琥琥 珀珀 酸酸 复复 合合 体体 CoQ 复复
28、合合 体体 1.5 1.5 Cyt c 复复 合合 体体 O 2 抗抗 坏坏 血血 酸酸 Cyt c 复复 合合 体体 O 2 0.88 1 细细 胞胞 色色 素素 c (Fe 2+ ) 复 复 合合 体体 O 2 0.61 - 0.68 1 1、根据、根据P/O 比值推测氧化磷酸化偶联部位比值推测氧化磷酸化偶联部位 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摩摩 尔尔O2所生成所生成ATP的摩尔数。（或一对电子通过的摩尔数。（或一对电子通过 氧化呼吸链传递给氧所生成氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。分子数）。 目目 录录 2 2. .根据电子传递时自
29、由能变化确定偶联部位根据电子传递时自由能变化确定偶联部位 根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化 (G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)之间有以下关系：之间有以下关系： G0 = -nFE0 n为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/mol V) 目目 录录 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+ 0.32 Cyt c1 Fe3+ /Fe2+ 0.22 FMN /FMNH2 0.219 Cyt c Fe3+ /Fe2+ 0.254 FAD /FADH2 0.219
30、 Cyt a Fe3+ /Fe2+ 0.29 Q10 /Q10H2 0.04(0.10) Cyt a3 Fe3+ /Fe2+ 0.35 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+ 0.06 1/2O2 /H2O 0.816 生成生成ATP所需所需G0 30.5 kJ/mol NAD+CoQ: 0.04 -（-0.32）= 0.36V 69.5 kJ/mol CoQ Cyt c: 0.254 - 0.06 = 0.194V 37.44 kJ/mol Cytaa3 O2: 0.816 - 0.29 = 0.526V 101.52 kJ/mol 目目 录录 ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧
31、化磷酸化偶联部位 目目 录录 （二）氧化磷酸化偶联的机制（二）氧化磷酸化偶联的机制 跨线粒体内膜质子梯度偶联跨线粒体内膜质子梯度偶联ATP生成生成 电子经呼吸链传递时，驱动质子（电子经呼吸链传递时，驱动质子（H+）从线）从线 粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而产生膜粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，从而产生膜 内外质子电化学梯度储存能量，当质子顺浓度梯内外质子电化学梯度储存能量，当质子顺浓度梯 度回流时驱动度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 1. 1.呼吸链氧化驱动生成呼吸链氧化驱动生成跨线粒体内膜的质子梯度跨线粒体内膜的质子梯度 1961年英国年英国P.Mitchell提出，提出，1
32、978年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 目目 录录 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 氧化氧化 磷酸化磷酸化 质子电化学梯度质子电化学梯度 目目 录录 F 0 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 + + + + + + + + + +
33、 - - - - - - - - - 电子传递过程驱动电子传递过程驱动质子泵功能机制未清楚质子泵功能机制未清楚 复合体复合体(4H+)、(4H+)、(2H+)有质子泵功能有质子泵功能 化学渗透示意图化学渗透示意图 目目 录录 ATP合酶的组成合酶的组成结构结构 2. ATP合酶合酶利用质子顺梯度回流释能合成利用质子顺梯度回流释能合成ATP F1：亲水部分：亲水部分： 内膜基质侧颗粒状突起内膜基质侧颗粒状突起 ATP合成酶催化亚基。合成酶催化亚基。 F0：疏水部分：疏水部分： 镶嵌线粒体内膜中，镶嵌线粒体内膜中， 内膜质子通道内膜质子通道 。 F1 F0 H+ 目目 录录 F0 组成：组成： a
34、b2c912亚基亚基 作用：作用： c：9-12个个c亚基围成环；亚基围成环； a：5个个螺旋形成螺旋形成2个质子个质子 半通道。半通道。 b：连接：连接F0和和F1。 作用：作用：33间隔形成间隔形成6聚体聚体 单元结合单元结合1个个ATP F1 组成：组成：33亚基复合体、亚基复合体、 寡霉素敏感蛋白寡霉素敏感蛋白(OSCP)、IF1 F1 F0 H+ 目目 录录 ATP合酶合酶 Fo中中a亚基和亚基和c亚基结构示意亚基结构示意 目目 录录 定子部分：定子部分： F0 a、b2、 F13 3、亚基组成亚基组成 b2亚基的作用：亚基的作用： 一端锚定一端锚定亚基，亚基， 一端连接一端连接33
35、。 ATP合酶结构模式图合酶结构模式图 ATP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 目目 录录 转子部分：转子部分： c环、环、亚基组成。亚基组成。 一端和一端和亚基亚基穿过穿过33中中 间轴，与间轴，与1个个亚基疏松亚基疏松 结合。结合。 另一端另一端与嵌入内膜的与嵌入内膜的c亚亚 基环紧密结合。基环紧密结合。 H+ c环旋转环旋转，质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道， 通过基质半通道释放进入线粒体基质通过基质半通道释放进入线粒体基质。 c环与环与亚基紧密相连亚基紧密相连，当当 c环旋转时会带动环旋转时会带动 亚基旋转亚基旋转，驱动驱动ATP合成
36、合成。 目目 录录 H+顺浓度递度经顺浓度递度经a亚基和亚基和c亚基回流亚基回流，亚基发生亚基发生 旋转旋转，3个个亚基的构象发生改变亚基的构象发生改变，促进酶释放促进酶释放ATP ATP合酶的工作机制合酶的工作机制 ATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制 (binding change mechanism) 亚基旋转使亚基旋转使亚基构象改变导致亚基构象改变导致ATP合成和释放合成和释放 目目 录录 开放型开放型(O型型): 释放释放ATP; 疏松结合型疏松结合型(L型型): 结合结合ADP; 紧密结合型紧密结合型(T型型): 酶催化酶催化ADP和和Pi 生成生成ATP ATP合酶的工作机
37、制合酶的工作机制 H H+ +顺浓度递度回流：顺浓度递度回流： T型型O型型: L型型T型：型： O型型L型：型： ATP释放释放 ATP合成合成 结合结合ADP 目目 录录 三、三、ATP在能量生成、储存、利用过程在能量生成、储存、利用过程 起核心作用起核心作用 一般将一般将G 大于大于ATP（包括（包括ATP），或），或G 大大 于于21 kJ/mol的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。 用符号用符号P表示高能磷酸键。表示高能磷酸键。 （一）高能磷酸化合物（一）高能磷酸化合物 ATP磷酸基水解释放出大量自由能。磷酸基水解释放出大量自由能。 高能磷酸化合物高能磷酸
38、化合物: : 目目 录录 重要有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能重要有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能 化合物化合物 G kJ/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) 乙酰乙酰CoA -31.5 （-7.5） ATPADP+Pi -30.5 (-7.3) ADPAMP+Pi -27.6 (-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
39、(-5.0) 6-磷酸果糖磷酸果糖 -15.9 (-3.8) AMP -14.2 (-3.4) 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 -13.8 (-3.3) 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 -9.2 (-2.2) 目目 录录 （二）（二）ATP是最重要的高能磷酸化合物是最重要的高能磷酸化合物 体内许多代谢物的“体内许多代谢物的“活化活化” 反应（吸能）大反应（吸能）大 多直接或间接地与多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相酸酐键的水解放能反应相 偶联，使“活化”反应能顺利进行。偶联，使“活化”反应能顺利进行。 O CH2 HO H OH OH H OH H OH H H 葡萄糖葡萄糖 ATP ADP M
40、g2+ 己糖激酶己糖激酶 (hexokinase) O H OH OH H OH H OH H O CH2 H 6 6- -磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 P P 目目 录录 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 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) ) 人体内人体内ATP的的来源和去路来源和去路 （三）（三）ATP是生物能转换、储存和利用的核心是生物能转换、储存和利用的核心
41、 目目 录录 磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式 目目 录录 ATP+AMP 2ADP 腺苷激酶腺苷激酶 ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP 核苷二磷酸激酶催化核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成生成 目目 录录 四、线粒体内膜选择性地转运代谢物四、线粒体内膜选择性地转运代谢物 线粒体基质与胞浆之间有线粒体内线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外膜外膜 相隔相隔，外膜对物质通透的选择性不强外膜对物质通透的选择性不强，内膜依内膜依 赖各种赖各种跨膜转运蛋白跨膜转运蛋白 (transporter)对
42、各种物质对各种物质 的转运的转运。 目目 录录 线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运 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 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
43、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
44、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 目目 录录 （一）胞质中（一）胞质中NADH通过两个穿梭机制进通过两个穿梭机制进 入线粒体入线粒体 转运机制主要有两条转运机制主要有两条: -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
45、梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 目目 录录 1. - -磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中 NADH+H+经经-磷酸甘油穿梭转变为磷酸甘油穿梭转变为FADH2， 进入氧化呼吸链生成进入氧化呼吸链生成1.5个个ATP。 目目 录录 2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中主要存在于心肌和肝中 NADH+H+经苹果酸经苹果酸-天冬氨酸穿梭仍为天冬氨酸穿梭仍为NADH+H+ ， 进入氧化呼吸链生成进入氧化呼吸链生成2.5个个ATP。 目目 录录 （二）（二）ATP-ADP转位酶促进转位酶促进ADP进入和
46、进入和 ATP移出的偶联移出的偶联 ATP-ADP转位酶转位酶（ATP-ADP translocase） 又称又称腺苷酸移位酶腺苷酸移位酶（adenine nucleotide translocase） 目目 录录 第三节第三节 呼吸链功能调节及呼吸链功能调节及 线粒体功能失调线粒体功能失调 Functional Regulation of Respiratory Chain and Mitochondrial Dysfunction 目目 录录 1.ATP/ ADP比值在能量代谢起重要调节作用：比值在能量代谢起重要调节作用： 营养物质的代谢；营养物质的代谢；营养物营养物乙酰乙酰CoANADH+H+ 呼吸链的电子传递；呼吸链的电子传递；NADH+H+ O2 ATP的生成；的生成； 2.呼吸链电子传递和呼吸链电子传递和ATP生成的偶联关系是相生成的偶联关系是相 互依赖的互依赖的。 一、一、ATP/ADP相互转换相互转换是调节氧化是调节氧化 磷酸化速率的主要因素磷酸化速率的主要因素 目目 录录 呼吸链抑制剂：呼吸链抑制剂：阻断呼吸链的电子传递阻断呼吸链的电子传递 如：鱼藤酮如：鱼藤酮（rotenone） 解偶联剂：解偶联剂：破坏
