生物氧化級臨床醫(yī)學

關于生物氧化級臨床醫(yī)學物質(zhì)在生物體內(nèi)進行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。糖脂肪蛋白質(zhì)CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能第2頁,共121頁，2024年2月25日，星期天注意嚴格的說，機體內(nèi)進行的脫氫，加氧等氧化反應總稱為生物氧化。按照生理意義不同可分為兩大類：一類主要是將代謝物或藥物和毒物等通過氧化反應進行生物轉化，這類反應不伴有ATP的生成；另一類是糖、脂肪和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)通過氧化反應進行分解，生成H2O和CO2，同時伴有ATP生物能的生成，這類反應進行過程中細胞要攝取O2，釋放CO2故又形象地稱之為細胞呼吸(cellularrespiration)。我們平常說的生物氧化就是指這一類。第3頁,共121頁，2024年2月25日，星期天生物氧化中二氧化碳和水的生成二氧化碳的生成生物氧化中CO2的生成是由于糖、脂類、蛋白質(zhì)等有機物轉變成含羧基的化合物進行脫羧反應所致。第4頁,共121頁，2024年2月25日，星期天水的生成生物氧化作用主要是通過脫氫反應來實現(xiàn)的。生物氧化中所生成的水是代謝物脫下的氫，經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結合而成的。所以生物體主要以生物氧化體系(由脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成)，促進水的生成。

第5頁,共121頁，2024年2月25日，星期天生物氧化與體外氧化之相同點生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相同。第6頁,共121頁，2024年2月25日，星期天是在細胞內(nèi)溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶促反應逐步進行，能量逐步釋放有利于有利于機體捕獲能量，提高ATP生成的效率。廣泛的加水脫氫反應使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機會與還原當量；脫下的氫與氧結合產(chǎn)生H2O，有機酸脫羧產(chǎn)生CO2。

生物氧化與體外氧化之不同點生物氧化體外氧化能量是突然釋放的。產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結合生成。第7頁,共121頁，2024年2月25日，星期天生物氧化的一般過程代謝物在體內(nèi)的氧化可以分為三個階段1.糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過分解代謝生成乙酰輔酶A中的乙?；?；2.乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)脫氫，生成CO2并使NAD+和FAD還原成NADH+H+、FADH2；3.NADH+H+和FADH2中的氫經(jīng)呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量用于ATP合成。從廣義來講，上述三個階段均為生物氧化，狹義地說只有第三個階段才算是生物氧化，本章只討論第三個階段。第8頁,共121頁，2024年2月25日，星期天糖原三酯酰甘油蛋白質(zhì)葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸鏈H2OADP+PiATPCO2第9頁,共121頁，2024年2月25日，星期天1.生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）。2.氧化進行過程中，必然伴隨還原反應的發(fā)生。同時，水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。3.在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。生物氧化的特點第10頁,共121頁，2024年2月25日，星期天4.生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。5.生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第11頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細胞中的氧化型物質(zhì)作為電子受體，將燃料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。無氧氧化第12頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

有氧氧化

生物氧化在有氧和無氧條件下都能進行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因為有氧氧化燃燒完全，產(chǎn)能多，所以，只要有氧氣存在，細胞都優(yōu)先進行有氧氧化。第13頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)

氧化呼吸鏈是由具有電子傳遞功能的復合體組成第14頁,共121頁，2024年2月25日，星期天生物體將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（oxidativerespiratorychain）。也稱電子傳遞鏈(electrontransferchain)。氧化呼吸鏈的概念第15頁,共121頁，2024年2月25日，星期天注意糖類、脂肪、氨基酸等代謝物所含的氫，在一般情況下是不活潑的，必須通過相應的脫氫酶將之激活后才能脫落。進人體內(nèi)的氧也必須經(jīng)過氧化酶激活后才能變?yōu)榛钚院芨叩难趸瘎?。但激活的氧在一般情況下，尚不能直接氧化由脫氫酶激活而脫落的氫，兩者之間尚需傳遞激活才能結合生成水。第16頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共121頁，2024年2月25日，星期天1967年，美國格林(Green)等實驗室成功地在線粒體內(nèi)膜上分離到具有催化活性的四種酶復合物以及CoQ和Cytc。他們又將這四種復合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cytc重組呼吸鏈，基本上恢復了線粒體原有的生物氧化能力。目前，呼吸鏈各組分的排列順序已基本明確，但仍有些不一致的看法，其中以CoQ至細胞色素C這一部分研究得還不清楚，對于Fe-S和CoQ的定位和數(shù)量也有爭議。第18頁,共121頁，2024年2月25日，星期天酶復合體有4種：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。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。復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ鑲嵌在內(nèi)膜中；Ⅱ鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側。電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動H+移出線粒體內(nèi)膜，轉變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。

一、氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的(酶)復合體組成第19頁,共121頁，2024年2月25日，星期天功能遞氫體和電子傳遞體（相關的酶與輔助因子）部位

在真核生物細胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上;原核生物中，它位于細胞膜上。注意：嚴格的說，呼吸鏈由4種酶復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和2種獨立的有機物質(zhì)泛醌、細胞色素c組成。第20頁,共121頁，2024年2月25日，星期天人線粒體呼吸鏈復合體復合體酶名稱質(zhì)量(kD)多肽鏈數(shù)功能輔基含結合位點復合體ⅠNADH-泛醌還原酶85039FMN，F(xiàn)e-SNADH（基質(zhì)側）CoQ（脂質(zhì)核心）復合體Ⅱ琥珀酸-泛醌還原酶1404FAD，F(xiàn)e-S琥珀酸（基質(zhì)側）CoQ（脂質(zhì)核心）復合體Ⅲ泛醌-細胞色素C還原酶25011血紅素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜間隙側）細胞色素c131血紅素cCytc1，Cyta復合體Ⅳ細胞色素C氧化酶16213血紅素a，a3，CuA,CuBCytc（膜間隙側）

泛醌和細胞色素c不包含在上述四種復合體中。第21頁,共121頁，2024年2月25日，星期天ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液側基質(zhì)側線粒體內(nèi)膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+電子傳遞鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置第22頁,共121頁，2024年2月25日，星期天呼吸鏈各復合體在線粒體內(nèi)膜中的位置第23頁,共121頁，2024年2月25日，星期天ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側基質(zhì)側線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-第24頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅰ又稱NADH-泛醌還原酶或NADH脫氫酶，接受來自NADH+H+的電子并轉移給泛醌。復合體Ⅰ可催化兩個同時進行的過程：

電子傳遞：

NADH→FMN→Fe-S→CoQ

質(zhì)子的泵出：復合體Ⅰ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)側泵到胞漿側。（一）復合體Ⅰ將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌（ubiquinone）第25頁,共121頁，2024年2月25日，星期天NAD+和NADP+的結構第26頁,共121頁，2024年2月25日，星期天NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉變氧化還原反應時變化發(fā)生在五價氮和三價氮之間。可同時傳遞氫和電子,屬于雙電子傳遞體。R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

第27頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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)，可同時傳遞氫和電子，屬于單、雙電子傳遞體。第28頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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。

?表示無機硫注意：不能直接傳遞氫和質(zhì)子。第29頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體I中含7個鐵硫中心共20-26個鐵原子，最終將FMNH2的電子傳給泛醌。

復合體ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2第30頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

鐵硫蛋白SS無機硫半胱氨酸硫第31頁,共121頁，2024年2月25日，星期天泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側鏈（人CoQ10），氧化還原反應時可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可自由擴散，是可移動電子載體，由于可同時傳遞氫和電子，所以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。屬于單、雙電子傳遞體。

第32頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+FMNFMNH2還原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2第33頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅱ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。電子傳遞：琥珀酸→FAD→幾種Fe-S→CoQ(二)復合體Ⅱ?qū)㈦娮訌溺晁醾鬟f到泛醌

復合體Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3注意：復合體Ⅱ沒有H+泵的功能。第34頁,共121頁，2024年2月25日，星期天CoASHNADH+H+NAD+CO2NAD+NADH+H+CO2GTPGDP+PiFADFADH2NADH+H+NAD+H2OH2OH2OCoASHCoASH⑧①②③④⑤⑥⑦②H2O①檸檬酸合酶②順烏頭酸梅③異檸檬酸脫氫酶④α-酮戊二酸脫氫酶復合體⑤琥珀酰CoA合成酶⑥琥珀酸脫氫酶⑦延胡索酸酶⑧蘋果酸脫氫酶GTPGDPATPADP核苷二磷酸激酶第35頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共121頁，2024年2月25日，星期天(三)復合體Ⅲ將電子從還原型泛醌傳遞給細胞色素C復合體Ⅲ又叫泛醌-細胞色素C還原酶或細胞色素b-c1復合體(人)，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(rieskeprotein)。泛醌從復合體Ⅰ、Ⅱ接受還原當量和電子并穿梭傳遞到復合體Ⅲ。第37頁,共121頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞過程：CoQH2→(Cytb562→Cytb566)→Fe-S→Cytc1→Cytc

復合體ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1第38頁,共121頁，2024年2月25日，星期天概念：細胞色素（cyt）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。分類：各種細胞色素的輔基結構略有不同，據(jù)此分為細胞色素a,b,c等，每類中又可分多個亞類。功能：細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+的互變起傳遞電子的作用的,為單電子傳遞體。有時還需銅離子的參與。注意：1.均為線粒體呼吸鏈。2.不能直接傳遞氫和質(zhì)子。細胞色素第39頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共121頁，2024年2月25日，星期天補充材料：1926年Keilin首次使用分光鏡觀察昆蟲飛翔肌振動時，發(fā)現(xiàn)有特殊的吸收光譜，因此把細胞內(nèi)的吸光物質(zhì)定名為細胞色素。細胞色素是一類含有鐵卟啉輔基的色蛋白，屬于遞電子體。線粒體內(nèi)膜中有細胞色素b、c1、c、aa3，肝、腎等組織的微粒體中有細胞色素P450。細胞色素b、c1、c為紅色細胞素，細胞色素aa3為綠色細胞素。不同的細胞色素具有不同的吸收光譜，不但其酶蛋白結構不同，輔基的結構也有一些差異。第41頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅲ的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實現(xiàn)。復合體Ⅲ每傳遞2個電子向內(nèi)膜胞漿側釋放4個H+，復合體Ⅲ也有質(zhì)子泵作用。第42頁,共121頁，2024年2月25日，星期天補充材料Q循環(huán)復合物Ⅲ的電子傳遞比較復雜，和“Q循環(huán)”有關。輔酶Q能在膜中自由擴散，在內(nèi)膜C側，還原型輔酶Q（氫醌）將一個電子交給Fe-S→細胞色素c1→細胞色素c，被氧化為半醌，并將一個質(zhì)子釋放到膜間隙，半醌將電子交給細胞色素b566→b562，釋放另外一個質(zhì)子到膜間隙。細胞色素b566得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌→b566→b562→輔酶Q。在內(nèi)膜M側，輔酶Q可被復合體Ⅰ（復合體Ⅱ）或細胞色素b562還原為氫醌。一對電子由輔酶Q到復合物Ⅲ的電子傳遞過程中，共有四個質(zhì)子被轉移到膜間隙，其中兩個質(zhì)子是輔酶Q轉移的。用簡單的話說，Q是接受呼吸鏈傳耒的電子，然后從基質(zhì)里拿倆氫離子，傳出去，再循環(huán)往復。

第43頁,共121頁，2024年2月25日，星期天補充材料第44頁,共121頁，2024年2月25日，星期天細胞色素c細胞色素c為一外周蛋白，位于線粒體內(nèi)膜的外側。細胞色素C比較容易分離提純，其結構已清楚。Cytc是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復合體中。將獲得的電子傳遞到復合體Ⅳ。哺乳動物的Cytc由104個氨基酸殘基組成，并從進化的角度作了許多研究。Cytc的輔基血紅素(亞鐵原卟啉)通過共價鍵(硫醚鍵)與酶蛋白相連，其余各種細胞色素中輔基與酶蛋白均通過非共價鍵結合。第45頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅳ又稱細胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。Cyta3–CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個電子傳遞過程使2個H+跨內(nèi)膜向胞漿側轉移。(四)復合體Ⅳ將電子從細胞色素C傳遞給氧第46頁,共121頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞：

Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2

復合體Ⅳ還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB其中Cyta3

和CuB形成的活性部位將電子交給O2。第47頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅳ的電子傳遞過程第48頁,共121頁，2024年2月25日，星期天細胞色素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。第49頁,共121頁，2024年2月25日，星期天細胞色素a和a3細胞色素a和a3不易分開，統(tǒng)稱為細胞色素aa3。細胞色素aa3可將電子直接傳遞給氧，因此又稱為細胞色素氧化酶。

第50頁,共121頁，2024年2月25日，星期天鐵卟啉輔基可有Fe2+←→Fe3++e的互變，因此起到傳遞電子的作用。鐵原子可以和酶蛋白及卟啉環(huán)形成6個配位鍵。細胞色素aa3和P450輔基中的鐵原子只形成5個配位鍵，還能與氧再形成一個配位鍵，將電子直接傳遞給氧，也可與CO、氰化物、H2S或疊氮化合物形成一個配位鍵。細胞色素aa3與氰化物結合就阻斷了整個呼吸鏈的電子傳遞，引起氰化物中毒。第51頁,共121頁，2024年2月25日，星期天1、NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→CoQ

→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O22、琥珀酸(FADH2)氧化呼吸鏈琥珀酸→復合體Ⅱ→CoQ

→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2二、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：第52頁,共121頁，2024年2月25日，星期天NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸鏈FADH2氧化呼吸鏈注意：此呼吸鏈成分的排列順序是以輔助因子為主。目前多采用。第53頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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組分按氧化還原電位由低到高的順序排列

由以下實驗確定:第54頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.30CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.06CytaFe3+/Fe2+0.29Q10/Q10H20.045Cyta3Fe3+/Fe2+0.35CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)1/2O2/H2O0.816第56頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共121頁，2024年2月25日，星期天可以這樣認為：質(zhì)子或電子是按照氧化還原電位在一系列輔助因子中傳遞，最終激活氧生成水。而酶(酶蛋白)就是催化質(zhì)子或電子與輔助因子的結合或解離，即在不同輔助因子間的轉移。因此，狹義的呼吸鏈(電子傳遞鏈)的組成僅有這些輔助因子即可！第58頁,共121頁，2024年2月25日，星期天接受還原性輔酶上的氫原子對(2H++2e)，并將電子對順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負離子(O2-)與質(zhì)子對(2H+)結合，生成水。電子對在傳遞過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動ADP和無機磷發(fā)生磷酸化反應，生成ATP。呼吸鏈的作用第59頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共121頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞鏈與電子遷移方向第61頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián)

氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)與脫氫反應偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。ATP生成方式第62頁,共121頁，2024年2月25日，星期天一、氧化磷酸化偶聯(lián)部位在復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ內(nèi)根據(jù)P/O比值自由能變化:⊿Go'=-nF⊿Eo'氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ第63頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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)β-羥丁酸NAD+→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2琥珀酸復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ1.51.5→Cytc→復合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復合體Ⅳ→O20.881細胞色素c(Fe2+)復合體Ⅳ→O20.61-0.681(一)P/O比值指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。第64頁,共121頁，2024年2月25日，星期天(二)自由能變化n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96.5kJ/mol·V)⊿G0′=-nF⊿

E0′

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：第65頁,共121頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞鏈自由能變化

ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方，例如，NADH呼吸鏈E0‘值在三個部位有大的“跳動”，基本在0.2伏以上。第66頁,共121頁，2024年2月25日，星期天ATPATPATP氧化磷酸化偶聯(lián)部位第67頁,共121頁，2024年2月25日，星期天二、氧化磷酸化偶聯(lián)機制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)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)側泵到內(nèi)膜胞漿側，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。第68頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

歷史英國生物化學家P.Mitchell于1961年提出了化學滲透偶聯(lián)假說（chemiosmoticcouplinghypothesis）解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。該學說認為：在電子傳遞過程中，伴隨著質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的里層向外層轉移，形成跨膜的氫離子梯度，這種勢能驅(qū)動了氧化磷酸化反應（提供了動力），合成了ATP.這一學說具有大量的實驗支持，得到公認并獲得了1978年諾貝爾獎?；瘜W滲透學說可以很好地說明線粒體內(nèi)膜中電子傳遞、質(zhì)子電化學梯度建立、ADP磷酸化的關系。

第69頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第70頁,共121頁，2024年2月25日，星期天氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜；線粒體內(nèi)膜對H+、OH－、K＋、Cl－離子是不通透的；電子傳遞鏈可驅(qū)動質(zhì)子移出線粒體，形成可測定的跨內(nèi)膜電化學梯度；增加線粒體內(nèi)膜外側酸性可導致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。化學滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實驗支持。第71頁,共121頁，2024年2月25日，星期天線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化學滲透假說簡單示意圖第72頁,共121頁，2024年2月25日，星期天ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側

基質(zhì)側++++++++++---------電子傳遞過程復合體Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有質(zhì)子泵功能。

第73頁,共121頁，2024年2月25日，星期天三、質(zhì)子順梯度回流釋放能量用于合成

ATPF1：親水部分（動物：α3β3γδε亞基復合體，OSCP、IF1

亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側顆粒狀突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12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。ATP合酶結構組成OSCP:寡霉素敏感蛋白第74頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

ATP合酶結構模式圖第75頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第76頁,共121頁，2024年2月25日，星期天a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉子部分第77頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第78頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第79頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第80頁,共121頁，2024年2月25日，星期天F0的2個b亞基的一端錨定F1的α亞基，另一端通過δ和α3β3穩(wěn)固結合，使a、b2和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。部分γ和ε亞基共同形成穿過α3β3間中軸，γ還與1個β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)、γ和ε亞基組成轉子部分。質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時，轉子部分相對定子部分旋轉，使ATP合酶利用釋放的能量合成ATP。

F1-ATP合酶作用機理自學第81頁,共121頁，2024年2月25日，星期天F1是酶的膜外部分，3個α亞基與3個β亞基交替排列，形成一個對稱的橘瓣狀結構。F0嵌在膜上，a亞基和b亞基二聚體排列在12個c亞基形成的環(huán)的外側。F0和F1主要由b和δ等幾個小亞基組在一側連接起來。c亞基環(huán)、γ和ε亞基組成轉子部分。γ和ε亞基組成的位于酶的中央部位,類似于“軸”。a、b和α3β3、δ亞基組成穩(wěn)定的定子部分。第82頁,共121頁，2024年2月25日，星期天簡單說：abα3β3δ組成了“定子（stator）”

cγε組成“轉子（rotor）”當H+質(zhì)子穿過a和c之間的通道時產(chǎn)生了力矩，從而推動了轉子與定子間的相對轉動，這樣在F1中合成了ATP.ATP合酶組成可旋轉的發(fā)動機樣結構第83頁,共121頁，2024年2月25日，星期天結合變構模型（binding-changemodel）ATP合酶合成ATP的分子機理的研究一直是研究的熱點，為多數(shù)人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“結合變構模型”。該模型認為F1中的γ亞基作為C亞基旋轉中心中固定的轉動桿，旋轉時會引起αβ復合物構型的改變。有三種不同的構型，對ATP和ADP具有不同的結合能力：①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結合；②L型同ADP和Pi的結合較強；③T型與ADP和Pi的結合很緊，能自動形成ATP，并能與ATP牢牢結合。當γ亞基旋轉并將αβ復合物轉變成O型則會釋放ATP（見圖）。第84頁,共121頁，2024年2月25日，星期天美國Boyer（1989）提提出了結合變構模型來解釋ATP合成過程，并因此于1997年獲得諾貝爾化學獎。PaulDBoyer第85頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第86頁,共121頁，2024年2月25日，星期天當H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉，3個β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(bindingchangemechanism)第87頁,共121頁，2024年2月25日，星期天四、ATP在能量代謝中起核心作用細胞內(nèi)代謝反應都是依序進行、能量逐步得失。ATP稱之為高能磷酸化合物，可直接為細胞的各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。第88頁,共121頁，2024年2月25日，星期天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。高能磷酸化合物含有高能磷酸鍵的化合物第89頁,共121頁，2024年2月25日，星期天化合物△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→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰輔酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)葡糖-1-磷酸－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第90頁,共121頁，2024年2月25日，星期天（一）ATP是體內(nèi)能量捕獲和釋放利用的重要分子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。

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。第91頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP（二）ATP是體內(nèi)能量轉移和磷酸核苷化合物相互轉變的核心

第92頁,共121頁，2024年2月25日，星期天（三）ATP通過轉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基團轉移到底物或酶蛋白上而形成中間產(chǎn)物，經(jīng)過化學轉變后再將這些基團水解而形成終產(chǎn)物。第93頁,共121頁，2024年2月25日，星期天磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。（四）磷酸肌酸是高能鍵能量的儲存形式第94頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

ATP的生成、儲存和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P機械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉運)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。第95頁,共121頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)

氧化磷酸化的影響因素

第96頁,共121頁，2024年2月25日，星期天一、體內(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。

第97頁,共121頁，2024年2月25日，星期天二、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復合體Ⅰ抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌。復合體Ⅱ的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。第98頁,共121頁，2024年2月25日，星期天復合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A(antimycinA)阻斷CytbH傳遞電子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇則作用QP位點。復合體Ⅳ抑制劑：CN－、N3－緊密結合中氧化型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。

第99頁,共121頁，2024年2月25日，星期天NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點第100頁,共121頁，2024年2月25日，星期天不同底物和抑制劑對線粒體氧耗的影響

第101頁,共121頁，2024年2月25日，星期天（二）解偶聯(lián)劑阻斷ADP的磷酸化過程

解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學梯度，使電化學梯度儲存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶聯(lián)蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。第102頁,共121頁，2024年2月25日，星期天解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側基質(zhì)側解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP第103頁,共121頁，2024年2月25日，星期天（三）ATP合酶抑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(dicyclohexylcarbodiimide,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。第104頁,共121頁，2024年2月25日，星期天

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。第105頁,共121頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌ΔμH+跨膜質(zhì)子電化學梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側H+；H+c

內(nèi)膜胞液側H+第106頁,共121頁，2024年2月25日，星期天Na+，K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達均增加。三、甲狀腺激素可促進氧化磷酸化和產(chǎn)熱第107頁