生物化學：第十一章 生物氧化

1、第十一章 生物氧化 biologic oxidation 營養(yǎng)物在生物體內(nèi)氧化成CO2和H2O， 并逐步釋放出能量的過程。 生物氧化的概念 糖 脂肪 蛋白質(zhì) COCO2 2和和H H2 2O O O2 能量 ADP+PiADP+Pi ATPATP 熱能 物質(zhì)在體內(nèi)和體外的氧化還原過程的比較 1.都遵循同樣的規(guī)律 2.不同點 生物體內(nèi)物質(zhì)氧化方式是：加氧；脫氫；失電子。 相同點：終產(chǎn)物都是CO2和H2O 總能量變化相同 耗氧量相同 同時失去H+和電子 在細胞內(nèi)溫和的環(huán)境（37C，pH近中性），由酶催化進行 逐步釋放能量，并貯存于ATP中 通過加水脫氫反應使物質(zhì)能間接獲得氧,并增加脫氫的機會； 脫

2、下的氫與氧結合產(chǎn)生H2O，有機酸脫羧產(chǎn)生CO2。 1.呼吸鏈上的電子傳遞-電子傳遞鏈 2.氧化磷酸化-機制和調(diào)節(jié) 3.胞液中NADH的再氧化利用（胞液Mit） 教學重點: 1.復合體電子傳遞過程-Q Q循環(huán) 2.化學滲透學說和結合變構學說 3.胞液中NADH的再氧化利用（胞液Mit） 教學難點: 部位：線粒體 生物氧化的主要內(nèi)容 1、代謝物分子如何脫氫？（NAD+、FAD） 2、脫下的氫如何能與O2結合生成水？（電子傳遞鏈） 3、細胞如何在酶的催化下把代謝物分子中的碳變成CO2 4、能量是如何釋放的？（ADP ATP） ATP合酶 真核生物電子傳遞和氧化磷酸化作用 1.部位：線粒體內(nèi)膜 2.過

3、程： 三羧酸循環(huán)（線粒體基質(zhì)） 糖酵解（胞液） 脂肪酸氧化（線粒體基質(zhì)） NADH NADH、FADH2 NADH、FADH2 再氧化 釋放能量 ADPATP 第一節(jié) 氧化呼吸鏈是由具有電子傳遞 功能的復合體組成 生物體將NADH+H+和FADH2徹底氧化生成水和ATP 的過程與細胞的呼吸有關，需要消耗氧，參與氧化 還原反應的組分由含輔助因子的多種蛋白酶復合體 組成，形成一個連續(xù)的傳遞鏈，因此稱為氧化呼吸 鏈（oxidative respiratory chain）。也稱電子 傳遞鏈(electron transfer chain)。 氧化呼吸鏈的定義 一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力 的

4、復合體組成 酶復合體是線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈的天然存在形 式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。 人線粒體呼吸鏈復合體 復合體復合體酶名稱酶名稱質(zhì)量質(zhì)量 (kD) 多肽多肽 鏈數(shù)鏈數(shù) 功能輔基功能輔基含結合位點含結合位點 復合體復合體NADH-泛醌泛醌 還原酶還原酶 85039FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質(zhì)側(cè)）（基質(zhì)側(cè)） CoQ（脂質(zhì)核心）（脂質(zhì)核心） 復合體復合體琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌 還原酶還原酶 1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質(zhì)側(cè)）琥珀酸（基質(zhì)側(cè)） CoQ（脂質(zhì)核心）（脂質(zhì)核心） 復合體復合體泛醌泛醌-細胞色細胞色 素素C還原酶還原酶 25011血紅素血紅素bL, bH, c1, Fe-

5、S Cyt c（膜間隙側(cè)）（膜間隙側(cè)） 細胞色素細胞色素c131血紅素血紅素cCyt c1， Cyt a 復合體復合體細胞色素細胞色素C氧氧 化酶化酶 16213血紅素血紅素a，a3， CuA, CuB Cyt c（膜間隙側(cè)）（膜間隙側(cè)） 泛醌和細胞色素泛醌和細胞色素C C不包含在上述四種復合體中。不包含在上述四種復合體中。 復合體全 稱e傳遞方向組成功能 NADH泛醌還原酶NADHCoQFMN、FeS、Q 催化NADH氧化、 CoQ還原 琥珀酸泛醌還原酶琥珀酸CoQ FAD、鐵硫族、 Cytb560 催化琥珀酸等 的氧化、CoQ 還原 泛醌-細胞色素C還原酶CoQ Cytc2個Cytb、1個

6、 Cytc、1個鐵 硫族 使Cytc還原 細胞色素C氧化酶Cytaa3O2Cytaa3、2個 Cu（1和2價） 使分子O2還原 泛醌和細胞色素C不包含在上述四種復合體中。 人線粒體呼吸鏈復合體 Cytc ox NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ Cytc ox Cytc red Cytc red 4H+ 4H+ 電子傳遞鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置電子傳遞鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置 Cytc Cytc Q Q NADNADH H+ +H H+ +

7、 NADNAD+ + 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O1/2O2 2+ +2H2H+ + H H2 2O O 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 e e- - e e- - e e- - e e- - e e- - 電子傳遞鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置 1、復合體又稱NADH-泛醌還原酶或NADH脫氫酶，接受來 自NADH+H+的電子并轉(zhuǎn)移給泛醌（ubiquinone）。 2、復合體可催化兩個同時進行的過程： 電子傳遞： NADHFMNFe-S CoQ 質(zhì)子的泵出：復合體有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個電 子可將4個H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)。 （一） 復合體將NADH+H+中

8、的電子傳遞給 泛醌 NAD+和NADP+的結構 R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變 氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。 FMN結構中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧 化還原反應時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。在可逆的氧化還原反 應中顯示3種分子狀態(tài)，屬于單、雙電子傳遞體。 鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫 原子，其中一個鐵原子可進行Fe2+ Fe3+e 反應傳遞電子。 屬于單電子傳遞體。 表示無機硫 鐵硫蛋白鐵硫蛋白 SS無機硫無機硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫 泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個異

9、戊二烯連接形成較長的疏 水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛 醌。內(nèi)膜中可移動電子載體，在各復合體間募集并穿梭傳遞還原 當量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動的偶聯(lián)中起著核心作用。 復合體復合體的功能：的功能： NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S Q QH2 將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌 1、復合體是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶， 又稱琥珀酸-泛醌還原酶。 2、電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S CoQ 3、復合體沒有H+泵的功能。 （二）復合體將電子從琥珀酸傳遞到泛醌 （三）復合體將電子從還原型泛醌傳遞給細 胞色素c

10、 1、復合體又叫泛醌-細胞色素C還原酶。人復合體 含有細胞色素b(b562, b566)、細胞色素c1和一種可移 動的鐵硫蛋白(Rieske protein)。 2、泛醌從復合體、募集還原當量和電子并穿梭 傳遞到復合體。 3、電子傳遞過程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 細胞色素(cytochrome, Cyt) 細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶 類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。 復合體的電子傳遞通過 “Q循環(huán)”實現(xiàn)。 復合體每傳遞2個電子向 內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個H+，復 合體也有質(zhì)子泵作用。 Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性 球狀蛋白，不包含在復

11、合 體中。將獲得的電子傳遞 到復合體。 1、人復合體又稱細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 2、電子傳遞：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 3、Cyt a3CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給 O2。復合體也有質(zhì)子泵功能，每傳遞2個電子 使2個H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。 （四）復合體將電子從細胞色素C傳遞給氧 復復 合合 體體 的的 電電 子子 傳傳 遞遞 過過 程程 細胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2還原成水 的過程，有強氧化性中間物始終和雙核中心緊密結 合，不會引起細胞損傷。 1、NADH氧化呼吸鏈 NADH NADH 復合體復合體Co

12、Q CoQ 復合體復合體Cyt c Cyt c 復合復合 體體OO2 2 2、琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸 復合體復合體 CoQ CoQ 復合體復合體Cyt c Cyt c 復合復合 體體OO2 2 二、NADH和FADH2是氧化呼吸鏈的電子供體 根據(jù)電子供體及其傳遞過程，目前認為，氧化呼吸鏈有 兩條途徑： NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2 呼吸鏈各組分的電子傳遞順序，要牢記。 定位:真核生物細胞的線粒體內(nèi)膜 組成:四種復合體()及游離的CoQ和Cytc 主要功能:通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 由以下實驗確

13、定: 標準氧化還原電位 拆開和重組 特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧 氧化呼吸鏈各組分的順序排列是氧化呼吸鏈各組分的順序排列是由以下實驗由以下實驗 確定的確定的 呼吸鏈中各種氧化還原對的標準氧化還原電位呼吸鏈中各種氧化還原對的標準氧化還原電位 氧化還原對E0(V)氧化還原對E0(V) NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22 FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254 FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+

14、/Fe2+0.35 Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 呼吸鏈的成員按一定的順序傳遞氫或電子即由其還原電位決定的，電子 從還原電位低向高的方向傳遞 NADH氧化呼吸鏈：為體內(nèi)最常見的一條重要的呼吸鏈。傳遞蘋 果酸、乳酸等脫下的氫。催化這些脫氫反應的脫氫酶的輔酶為 NAD+。此條呼吸鏈由復合體、組成。 在線粒體內(nèi)，主要的呼吸鏈有兩條，即： 琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）：傳遞琥珀酸、脂酰 CoA和-磷酸甘油等脫下的氫。催化這些脫氫反應的脫氫酶的 輔酶為FAD。此條呼吸鏈由復合體、組成。 線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑 NADH FMN （Fe-S） c1 caa3

15、O2 FAD （Fe-S） 琥珀酸 -磷酸甘油 CoQCyt b 蘋果酸 -羥脂酰CoA -羥丁酸 異檸檬酸 谷氨酸 FAD 硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸 FAD 脂酰CoA 第二節(jié) 氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與 ADP磷酸化偶聯(lián)生成ATP 1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)(substrate level phosphorylation)是底物分子是底物分子 內(nèi)部能量重新分布內(nèi)部能量重新分布, ,例如與脫氫反應偶聯(lián)例如與脫氫反應偶聯(lián), , 生成底物分子的高生成底物分子的高 能鍵，使能鍵，使ADP(GDP)ADP(GDP)磷酸

16、化生成磷酸化生成ATP(GTP)ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電的過程。不經(jīng)電 子傳遞。子傳遞。 2 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)(oxidative phosphorylation)指指在呼吸鏈電子傳遞在呼吸鏈電子傳遞 過程中偶聯(lián)過程中偶聯(lián)ADPADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATPATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。，又稱為偶聯(lián)磷酸化。 兩層含義兩層含義: : 體內(nèi)ATP生成方式: 一是:電子在呼吸鏈上傳遞時必然發(fā)生氧化磷酸化 二是:只有發(fā)生氧化磷酸化,電子才可能在呼吸鏈上進行傳遞 底物O2 能量 ADP + H3PO4ATP 氧化 磷酸化 偶聯(lián) 自由

17、能（供生理活動、生化反應需要） 呼吸鏈 一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復合體、內(nèi) 1、根據(jù)P/O比值 2、自由能變化: G=-nFE 氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體、 線粒體離體實驗測得的一些底物的P/O比值 底 物呼吸鏈的組成P/O 比值可能生成的 ATP數(shù) -羥丁酸NAD +復合體 CoQ復合體 2.52.5 Cyt c復合體O 2 琥珀酸復合體 CoQ復合體1.5 1.5 Cyt c復合體O 2 抗壞血酸Cyt c復合體O 2 0.881 細胞色素 c (Fe 2+) 復合體O 2 0.61- 0.68 1、P/O 比值 1 指電子傳遞過程中,每消耗1摩爾O原子所消耗的無機磷酸 的摩爾數(shù) 2、自由

18、能變化 根據(jù)熱力學公式，pH7.0時標準自由能變化 (G0)與還原電位變化(E0)之間有以下關系： n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/molV) G0 = -nFE0 2.自由能變化( G0)： G0nFE0 NADH FMN （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+0.82 0.36V 0.21V 0.53V 69.5kJ/mol 40.5kJ/mol 102

19、.3kJ/mol 大于30.5kJ即可 生成1摩爾ATP 電子傳遞鏈自由能變化 區(qū)段 電位變化 (E) 自由能變化 G=-nFE 能否生成ATP (G是否大于30.5KJ) Cyt aa 3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能 NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能 CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能 偶聯(lián)部位： 根據(jù)計算自由能變化和測定P/O比值可知，氧化磷酸化的偶 聯(lián)部位在復合體（NADH和CoQ之間）、（CoQ和Cytc之間） 和（Cytaa3和O2之間）。 故NADH氧化呼吸鏈有三個偶聯(lián)部位，P/O 3，可產(chǎn)生2.5 分子ATP。而琥珀酸氧化呼吸

20、鏈只有兩個偶聯(lián)部位，P/O 2， 可產(chǎn)生1.5分子ATP。 ATPATP ATP ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶聯(lián)部位 NADHNADH FMNFMN (Fe-S)(Fe-S) 琥珀酸 FADFAD (Fe-S)(Fe-S) CoQCoQCyt bCyt cCyt cCyt bCyt cCyt cCyt aaCyt aa3 3O O2 2 三個偶聯(lián)部位：、 NADHNADH氧化呼吸鏈有三個偶聯(lián)部位，氧化呼吸鏈有三個偶聯(lián)部位，P/O 3P/O 3，產(chǎn)生，產(chǎn)生2.52.5分子分子ATPATP 琥珀酸氧化呼吸鏈有兩個偶聯(lián)部位，琥珀酸氧化呼吸鏈有兩個偶聯(lián)部位，P/O 2P/O 2，產(chǎn)生，產(chǎn)生1.

21、51.5分子分子ATPATP 1. 1.電子傳遞：電子傳遞：電子傳遞鏈電子傳遞鏈（化學滲透學說）（化學滲透學說） 2.ATP合成：ATP合酶（結合變構學說） (二)氧化磷酸化偶聯(lián)機制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜 的質(zhì)子梯度 質(zhì)子梯度形成 1. 化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜 的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學梯度儲存 能量。當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。 電化學勢能:化學勢能-質(zhì)子的濃度差 電勢能-內(nèi)負外正 質(zhì)子驅(qū)動力 內(nèi)膜 1、氧化磷酸化的進行需要完整封閉的線粒體內(nèi)膜的存在 2、線粒體內(nèi)膜對

22、H+、OH、K、Cl離子是不通透的 3、使用精確的pH計可檢測到跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度 4、破壞質(zhì)子驅(qū)動力的化學試劑能抑制ATP的合成,例如纈氨霉素 5、從線粒體內(nèi)膜純化得到一種酶能夠直接利用質(zhì)子梯度合成 ATP,此酶稱為F1F0-ATP合酶 化學滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持 線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì) 線粒體膜 + + + + - - - - H H+ + O O2 2 H H2 2O O H H+ + e- ADPADP + + Pi Pi ATP ATP 化學滲透假說簡單示意圖 內(nèi)膜對質(zhì)子不通透 F0 F1 CytCyt c c Q NADNADH H+ +H H+ + NADNAD+ +

23、延胡索酸 琥珀酸 H H+ + 1/2O1/2O2 2+ +2H2H+ + H H2 2O O ADP+Pi ADP+Pi ATP ATP 4H4H+ + 2H2H+ + 4H4H+ + 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 電子傳遞過程復合體(4H+)、(4H+)和(2H+) 有質(zhì)子泵功能。 化學滲透示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響 （三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP 合酶利用催化ATP合成 ATP合酶結構組成： F0：疏水部分（ab2c912亞基，動物還有其他輔助亞基），鑲 嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道。 F1：親水部分（

24、動物33亞基復合體，OSCP、IF1亞基）， 線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。 ATP合酶 即復合體。位于線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)。 ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機樣結構 1、F0的2個b亞基的一端錨定F0的a亞基，另一端通過和33穩(wěn)固結合，使a、b2 和33、亞基組成穩(wěn)定的定子部分。 2、部分和亞基共同形成穿過33間中軸，還與1個亞基疏松結合作用，下 端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結合。c亞基環(huán)、和亞基組成轉(zhuǎn)子部分:。 3、質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時，轉(zhuǎn)子部分相對定子部分旋轉(zhuǎn)，使ATP合酶利用 釋放的能量合成ATP。 ATP合酶（ATP synthase）： 分布：線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè) 組成：F

25、0（疏水部分）和F1（親水部分） 功能： F0將質(zhì)子梯度產(chǎn)生的能量導向F1（鑲嵌于內(nèi)膜中的質(zhì)子通道） F1的功能是結合ADP、Pi，并利用質(zhì)子梯度的能量合成ATP。 當H+順濃度梯度經(jīng)F0回流時，F(xiàn)1催化ADP和Pi，生成并 釋放ATP 當H+順濃度梯度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時， 亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個亞基的構象發(fā)生改變。 ATP合酶的工作機制 ATP合成的結合變構機制(binding change mechanism) - 1977年Paul Boyer提出 四、ATP在能量代謝中起核心作用 1、細胞內(nèi)代謝反應都是依序進行、能量逐步得失。 2、ATP稱之為高能磷酸化合物，可直接為細胞的各

26、 種生理活動提供能量，同時也有利于細胞對能量代 謝進行嚴格調(diào)控。 生物體能量代謝有其明顯的特點： 1 1、高能磷酸鍵、高能磷酸鍵 水解時釋放的能量大于21kJ/mol的磷酸 酯鍵，常表示為P。 2 2、高能磷酸化合物、高能磷酸化合物 含有高能磷酸鍵的化合物 ATP是人體內(nèi)能量的直接供給者。 N N N N 9 NH2 O OH OH HH H CH2 H 1 2 OP O- - O O PO O- - O P O- - - -O O 一磷酸腺苷（AMP） 二磷酸腺苷（ADP） 三磷酸腺苷（ATP） 化合物 E0 kJ/mol(kcal/mol) 磷酸烯醇式丙酮酸61.9(14.8) 氨基甲酰磷

27、酸51.4(12.3) 1，3-二磷酸甘油酸49.3(11.8) 磷酸肌酸43.1(10.3) ATP ADPPi30.5(7.3) 乙酰輔酶A31.5(7.5) ADP AMPPi27.6(6.6) 焦磷酸27.6(6.6) 1-磷酸葡萄糖20.9(5.0) 一些重要有機磷酸化合物水解釋放的標準自由能 （一）ATP是體內(nèi)能量捕獲和釋放利用的重要分子 2、ATP在生物能學上最重要的意義在于，通過其水 解反應釋放大量自由能和需要供能的反應偶聯(lián)， 使這些反應在生理條件下完成。 1、ATP是體內(nèi)最重要的高能磷酸化合物，是細胞可 直接利用的能量形式 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP +

28、 UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP （二）ATP是體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移和磷酸核苷化合物 相互轉(zhuǎn)變的核心 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP （三）ATP通過轉(zhuǎn)移自身基團提供能量 因為ATP分子中的高能磷酸鍵水解釋放能量多，易 釋放Pi、PPi基團，很多酶促反應由ATP通過共價鍵與 底物或酶分子相連，將ATP分子中的Pi、PPi或者AMP 基團轉(zhuǎn)移到底物或酶蛋白上而形成中間產(chǎn)物，經(jīng)過化 學轉(zhuǎn)變后再將這些基團水解而形成終產(chǎn)物。 肌酸激酶的作用 磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。 磷酸肌酸 + ADP 肌酸 + ATP

29、肌酸激酶 COOH CH2 N C H3C NH2 NH COOH CH2 N C H3C N NH H P （四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲存形式（四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲存形式 1.高能磷酸鍵 磷酸胍類 磷酸肌酸 磷酸烯醇丙酮酸 PEP 混合酸酐 1，3二磷酸甘油酸 磷酸酐 ATPGTPUTPCTP 2高能硫酯鍵：乙酰CoA，琥珀酰CoA 肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 機械能(肌肉收縮) 滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運) 化學能(合成代謝) 電能(生物電) 熱能(維持體溫) 生物體內(nèi)能量的儲存和利 用都以ATP為中心。 ATP的生成、儲存和利用 第三節(jié) 氧化磷酸化的影響因素 一、體

30、內(nèi)能量狀態(tài)可調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是機體合成能量載體ATP的最主要的途 徑，因此機體根據(jù)能量需求調(diào)節(jié)氧化磷酸化速率，從 而調(diào)節(jié)ATP的生成量。 二、抑制劑可阻斷氧化磷酸化過程 （一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程 （二）解偶聯(lián)劑阻斷ADP的磷酸化過程 （三）ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成 1、復合體抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A) 及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 2、復合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin) （一）呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程 3、復合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷C

31、yt bH傳遞電子 到泛醌(QN)；粘噻唑菌醇則作用QP位點。 4、復合體抑制劑：CN、N3緊密結合其中氧化型Cyta3，阻 斷電子由Cyta到CuB-Cyta3間傳遞。CO與還原型Cyta3結合，阻 斷電子傳遞給O2。 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2 魚藤酮魚藤酮 粉蝶霉素粉蝶霉素A A 異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A 二巰基丙醇二巰基丙醇 COCO、CNCN- -、 N N3 3- -及及H H2 2S S 各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點 (二)解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學梯度 解

32、偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基 本作用機制是它們能夠快速消耗跨膜質(zhì)子梯度,使得質(zhì)子難以通 過F1F0-ATP合酶上的質(zhì)子通道來合成ATP,從而使儲存在質(zhì)子梯度 中的電化學勢能轉(zhuǎn)變成熱，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白 (uncoupling protein，UCP1)。 （二）解偶聯(lián)劑阻斷ADP的磷酸化過程 解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體） Cyt c Q 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 解偶聯(lián) 蛋白 熱能 ADP+Pi ATP DNP作用機制 CytCyt c c Q 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) DNP 熱能 ADP+P

33、iADP+Pi ATP ATP 問題: 1.受試大鼠注射DNP(二硝基苯酚)可引起什么現(xiàn)象?試解釋其原因 或:現(xiàn)在已不再使用的減肥藥2,4-二硝基苯酚，其減肥原理是什么？ DNP是呼吸鏈解偶聯(lián)劑，使呼吸鏈傳遞電子過程中泵出的H+ +不 經(jīng)ATP合酶的F0 0質(zhì)子通道回流，而通過與DNP結合返回線粒體基質(zhì)， 從而破壞內(nèi)膜兩側(cè)的電化學梯度，使ATP生成受抑制，由電化學梯 度儲存的能量以熱能形式釋放。 在解耦聯(lián)劑存在下，增加呼吸鏈的活性就需要更多額外燃料的降 解。生成同樣量的ATP，就要消耗包括脂肪在內(nèi)的大量的燃料，這 樣可以達到減肥的目的。 當P/O比接近零時，會導致生命危險。 （三）ATP合酶抑

34、制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成 這類抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如 寡霉素(oligomycin)可結合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價結合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從 F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。 由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子 泵的功能,繼而抑制電子傳遞。 寡霉素(oligomycin) 寡霉素 ATP合酶結構模式圖 可阻止質(zhì)子從F0質(zhì) 子通道回流，抑制 ATP生成。 抑制類型 抑制劑名稱 作用位點和作用機制 呼吸鏈抑制劑 魚藤酮、安米妥、殺粉菌素 復合體 萎銹靈 復

35、合體 抗霉素A 復合體 氰化物、CO、H2S、疊氮化物 復合體 F1F0-ATP合酶抑制劑 寡霉素 抑制F0 DCCD 阻止質(zhì)子通過質(zhì)子F0通道 解偶聯(lián)劑 DNP 脂溶性質(zhì)子載體 纈氨霉素 鉀離子載體,破壞電勢能 產(chǎn)熱素 質(zhì)子通道 ATP/ADP交換體抑制劑 蒼術苷、米酵菌酸 抑制線粒體基質(zhì)內(nèi)的ATP 與細胞液中的ADP間交換 氧化磷酸化的抑制劑 ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素 氧化磷酸化的速率主要受ADP的調(diào)節(jié) ADP或 ADP/ATP比率是調(diào)節(jié)氧化磷酸化最基本的機制 線粒體內(nèi)ADP濃度F1F0-ATP合酶活性 耗氧率 質(zhì)子梯度 細胞呼吸電子傳遞速率 O2作為呼吸鏈的最終電子

36、受體,它的消耗程度 直接反映電子傳遞和氧化磷酸化的效率 ADP調(diào)節(jié)的意義： 這一機制保證，只有當需要ATP時，電子才沿呼吸 鏈往下流動。如果ATP水平高，而ADP水平低，則不發(fā) 生電子傳遞，NADH和FADH2堆積，于是TCA循環(huán)和糖 酵解作用被抑制。 NaNa+ +，K K+ +ATPATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加 1.誘導細胞膜上Na+,K+-ATP酶生成，使ATP加速分解為ADP 和Pi，從而促進氧化磷酸化 2.增加解偶聯(lián)蛋白基因表達，引起耗氧和產(chǎn)熱均增加 甲亢病人的基礎代謝率 三、甲狀腺激素可促進氧化磷酸化和產(chǎn)熱 （四）線粒體DNA突變可影響機體氧化磷酸

37、化功能 影響氧化磷酸化的功能，使ATP生成, ,與線粒體DNA 病及衰老有關 線粒體線粒體DNADNA（mtDNAmtDNA）呈裸露的環(huán)狀雙螺旋結）呈裸露的環(huán)狀雙螺旋結 構，缺乏蛋白質(zhì)保護和損傷修復系統(tǒng)，容易受到損構，缺乏蛋白質(zhì)保護和損傷修復系統(tǒng)，容易受到損 傷而發(fā)生突變，其突變率遠高于核內(nèi)的基因組傷而發(fā)生突變，其突變率遠高于核內(nèi)的基因組DNADNA。 氧化磷酸化作用的條件： 底物（NADH和FADH2）、完整的呼吸鏈、ADP、氧、 無機磷酸 H+ 跨膜質(zhì)子電化 學梯度；H+m內(nèi)膜 基質(zhì)側(cè)H+；H+c 內(nèi) 膜胞液側(cè)H+ 電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌 五、線粒體的內(nèi)膜選擇性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運 氧化磷酸化

38、相關代謝物 線粒體外膜通透性高，線粒體對物質(zhì)通過的選擇 性主要依賴于內(nèi)膜中不同轉(zhuǎn)運蛋白(transporter)對各種 物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白進入線粒體進入線粒體出線粒體出線粒體 ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶轉(zhuǎn)位酶ADP3-ATP4- 磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白H2PO4- + H+ 二羧酸轉(zhuǎn)運蛋白二羧酸轉(zhuǎn)運蛋白HPO42-蘋果酸蘋果酸 -酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸蘋果酸-酮戊二酸酮戊二酸 天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸 單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白丙酮酸丙酮酸OH- 三羧酸轉(zhuǎn)運蛋白三羧酸轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸蘋果酸檸檬酸檸檬酸 堿性氨基酸轉(zhuǎn)運

39、蛋白堿性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白鳥氨酸鳥氨酸瓜氨酸瓜氨酸 肉堿轉(zhuǎn)運蛋白肉堿轉(zhuǎn)運蛋白脂酰肉堿脂酰肉堿肉堿肉堿 線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運線粒體內(nèi)膜的某些轉(zhuǎn)運蛋白對代謝物的轉(zhuǎn)運 不可通過物質(zhì)：不可通過物質(zhì)：H H+ +、NADPHNADPH、NADPNADP、草酰乙酸、乙酰、草酰乙酸、乙酰CoACoA （一）胞漿中NADH通過穿梭機制進入線粒體 氧化呼吸 胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運機制進入線粒 體,再經(jīng)呼吸鏈進行氧化磷酸化。 -磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 轉(zhuǎn)運機制： 1、-磷酸甘油

40、穿梭主要存在于腦和骨骼肌中 通過此種穿梭作用，1對氫可生成1.5分子ATP。 NADHH FADH2 1.5ATP (胞液) （Mit） NADH+HNADH+H+ + FAD FADH H2 2 NADNAD+ + FAD FAD 線粒體 內(nèi)膜 線粒體 外膜 膜間隙 線粒體 基質(zhì) -磷酸甘油 脫氫酶 呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 Pi CH2O- CH2OH C=O Pi CH2O- CH2OH C=O - -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O- CH2OH CHOH PiCH2O- CH2OH CHOH 2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中 通過此種穿梭作用，1對氫可生成2.5分子ATP NA

41、DHH NADHH 2.5ATP (胞液) （Mit） NADH NADH +H+H+ + NADNAD+ + -OOC-CH 2-C-COO - O -OOC-CH2-C-COO- OH H NADH NADH +H+H+ + NADNAD+ + 谷氨酸- 天冬氨酸 轉(zhuǎn)運體 蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運體 -OOC-CH 2-C-COO- OH H 蘋果酸 -OOC-CH2-C-COO- O 草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO- O -OOC-CH2-CH2-C-COO- O -酮戊二酸 -OOC-CH 2-CH2-C-COO - H3N + H 谷氨酸 蘋果酸 脫氫酶 谷草轉(zhuǎn) 氨酶

42、胞液 線 粒 體 內(nèi) 膜 基質(zhì) 呼吸鏈 -OOC-CH 2-C-COO - H3N + H 天冬氨酸 -OOC-CH 2-C-COO - H3N + H -OOC-CH 2-CH2-C-COO - H3N + H 入：ADP、Pi、H+ 出：ATP （二）ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運ADP進入和 ATP移出線粒體 有氧氧化生成的ATP計算? ATP4- F 0 F1 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) 腺苷酸 腺苷酸 轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白 磷酸磷酸 轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子ATP4-和ADP3-反向轉(zhuǎn)運時，向內(nèi)膜外凈轉(zhuǎn)移1個 負電荷 ，相當于多1個H+轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)。 第四節(jié) 其他氧化與抗氧化體系 反應活性氧類(reactive oxyge