生物氧化-線粒體生成ATP的生物氧化體系（生物化學(xué)）

生物氧化生物化學(xué)線粒體生成ATP的生物氧化體系生物化學(xué)概念代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱(chēng)為呼吸鏈(respiratorychain)又稱(chēng)電子傳遞鏈(electrontransferchain)。一、氧化呼吸鏈（一）氧化呼吸鏈的組成成分和作用遞氫體和遞電子體共20余種，歸納為五大類(lèi)。氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。2HHHeH+HRHCONH2N+Ce+RHHCONH2N+H++H+H+

NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H1、NAD+FMN結(jié)構(gòu)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(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN?。2、FMN(FAD)OOCH3CH3RNNNHNOOCH3CH3RNNNHN+H-H+H-HHOOCH3CH3RNNNHNHHFMN(或FAD)FMNH(或FADH),即FMN?

FMNH2(或FADH2)氧化型或醌型半醌型還原型或氫醌型鐵硫蛋白鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+

Fe3++e反應(yīng)傳遞電子。?表示無(wú)機(jī)硫

3、鐵硫蛋白??FeFe?Fe?FeSCH2SCH2SCH2SCH2泛醌（輔酶Q,CoQ,Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。4、輔酶QoH3COH3COCH3oRRoHOH3COH3COCH3·H++eH++eH3CORoHOHH3COCH3泛醌泛醌H?

二氫泛醌氧化型或醌型半醌型還原型或氫醌型細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)CH3蛋白質(zhì)H3CH3CNNNNFe3+CH3CH-CH3CH-CH3SCysSCysCOOHCH2CH2COOHCH2CH2細(xì)胞色素是一類(lèi)以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類(lèi)，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類(lèi)。5、細(xì)胞色素1926年凱林在昆蟲(chóng)翅膀肌肉中發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)有顏色的物質(zhì)，定名為細(xì)胞色素（簡(jiǎn)稱(chēng)Cyt)目前已發(fā)現(xiàn)有很多種，根據(jù)其吸收光譜的不同可分為三大類(lèi)，即細(xì)胞色素A、B、C、（Cyta、Cytb、Cytc）。b、c、c1、

a和a31）分類(lèi)

線粒體bc1

caa3（重點(diǎn)）微粒體b5p4502）組成細(xì)胞色素酶蛋白（b、c1、c、aa3）輔基（鐵卟啉）

3）特點(diǎn)：（1）細(xì)胞色素a與a3不易分離

細(xì)胞色素aa3

（2）細(xì)胞色素aa3

細(xì)胞色素氧化酶（3）細(xì)胞色素aa3

中除有2個(gè)鐵原子，還有2個(gè)銅原子。（4）傳遞電子的順序CytbCytc1CytcCytaa3

bc1caa3（5）細(xì)胞色素類(lèi)為電子傳遞體，主要是通過(guò)細(xì)胞色素中的鐵原子進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。2Cyt-Fe3++2e-

還原2Cyt-Fe2+

氧化

2e-

（6）

細(xì)胞色素C

能溶于水，便于提純，已應(yīng)用于臨床。（7）細(xì)胞色素屬于電子傳遞體。（二）氧化呼吸鏈的酶復(fù)合體通過(guò)用膽酸、脫氧膽酸等反復(fù)處理線粒體內(nèi)膜，可將呼吸鏈分離得到四種仍具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體，其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ完全鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，復(fù)合體Ⅱ鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置e-e-e-e-e-ⅠO2FADH2NADH細(xì)胞色素C線粒體內(nèi)膜胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)ⅣⅢⅡQ復(fù)合體Ⅰ:NADH-泛醌還原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能:將電子從NADH傳遞給泛醌。復(fù)合體Ⅱ:琥珀酸-泛醌還原酶功能:將電子從琥珀酸傳遞給泛醌。琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3復(fù)合體Ⅲ:泛醌-細(xì)胞色素c還原酶功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c。QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1復(fù)合體Ⅳ:細(xì)胞色素c氧化酶

功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧，其中Cyta3和CuB形成的活性部位將電子交給O2。還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

四種具有傳遞氫和電子功能的酶復(fù)合體

泛醌和Cytc均不包含在上述四種復(fù)合體中人線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體酶名稱(chēng)復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體Ⅳ琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素c還原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)3941113復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌還原酶NADH-泛醌還原酶琥珀酸-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞色素還原酶FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu①標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位②拆開(kāi)和重組③特異抑制劑阻斷④還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2

排列順序確定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)(三)體內(nèi)兩條重要的呼吸鏈3.兩條呼吸鏈的排列順序NADH氧化呼吸鏈

FADH2氧化呼吸鏈FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2二、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的概念代謝物脫下的2H，經(jīng)呼吸鏈氧化生成水時(shí)所釋放的能量與ADP磷酸化生成ATP儲(chǔ)能相偶聯(lián)的過(guò)程稱(chēng)為氧化磷酸化。重點(diǎn)(二)氧化磷酸化偶聯(lián)部位1.氧化磷酸化偶聯(lián)部位

復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。2.偶聯(lián)部位的確定

根據(jù)P/O比值和自由能變化（⊿Go=-nF⊿Eo）。線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)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(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.4～2.8

2.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.71.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素c(Fe2+)復(fù)合體Ⅳ→O20.610.681～-P/O比值：氧化磷酸化過(guò)程中，無(wú)機(jī)磷原子消耗的摩爾數(shù)與氧原子消耗的摩爾數(shù)之間的比例稱(chēng)為P/O比值。通過(guò)P/O比值可以了解物質(zhì)氧化時(shí)每消耗1摩爾數(shù)氧原子生成ATP數(shù)。自由能變化每水解一分子ATP釋放30.5KJ/mol

線粒體基質(zhì)

線粒體膜

++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP

化學(xué)滲透假說(shuō)簡(jiǎn)單示意圖1.化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotichypothesis)

電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，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(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。

(三)氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理ⅢⅠ

ⅡⅣF0F1

Cytc

Q

NADH+H+

NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+

H2O

ADP+PiATP

胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)++++++++++

---------

化學(xué)滲透假說(shuō)詳細(xì)示意圖4H+

4H+

4H+

4H+

2H+

2H+

H+

H+

2、ATP合酶(復(fù)合體V）在線粒體內(nèi)膜上存在著利用呼吸鏈所釋放的能量催化ADP與pi生成ATP的酶。

ATP合酶結(jié)構(gòu)疏水的F0部位親水的F1部位F1部位：催化ADP生成ATP。F0部位：與H+順濃度梯度回流有關(guān)。ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖基質(zhì)側(cè)胞液側(cè)線粒體F1F0γαααβββδε內(nèi)膜當(dāng)H+順濃度梯度經(jīng)F0回流時(shí)，F(xiàn)1催化ADP生成ATP。H+F1：催化ATP合成F0：跨內(nèi)膜質(zhì)子通道功能：

每分子ATP在線粒體中生成共需要4個(gè)H+回流氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、ⅣNADH氧化呼吸鏈：

10/4=2.5個(gè)ATPFADH2氧化呼吸鏈：

6/4=1.5個(gè)ATP（四）影響氧化磷酸化的因素1.呼吸鏈抑制劑阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。如魚(yú)藤酮、氰化物、CO等。2.解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過(guò)程脫離。如解偶聯(lián)蛋白、2，4-二硝基酚。3.ATP合酶抑制劑對(duì)電子傳遞及ATP合酶均有抑制作用。如寡霉素。4.甲狀腺激素--調(diào)節(jié)氧化磷酸化的重要激素甲狀腺激素誘導(dǎo)Na+、K+-ATP酶ATP分解導(dǎo)致

ATPADP引起氧化磷酸化甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)甲狀腺素氧化磷酸化導(dǎo)致產(chǎn)熱多、出汗多、基礎(chǔ)代謝率高5.ADP/ATP比值的調(diào)節(jié)劇烈運(yùn)動(dòng)ATPADP促進(jìn)氧化磷酸化促進(jìn)三羧酸循環(huán)

休息ATPADP抑制氧化磷酸化抑制三羧酸循環(huán)節(jié)約能源物質(zhì)意義：合理進(jìn)行氧化磷酸化，防止能源浪費(fèi)。重點(diǎn)三、ATP的轉(zhuǎn)移與利用（一）腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與ADP與ATP反向轉(zhuǎn)運(yùn)。H+H2PO4-ADP3-H2OATP4-基質(zhì)側(cè)胞液側(cè)線粒體內(nèi)膜磷酸鹽載體腺苷酸載體H2PO4-H+ADP3-ATP4-ATP、ADP、Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)（二）高能化合物的儲(chǔ)存和利用高能化合物：含有高能鍵的化合物，如ATP、輔酶A、磷酸肌酸等。

1、高能化合物高能鍵

能釋放大于21KJ/mol能量的化學(xué)鍵，如高能硫酯鍵和高能磷酸鍵，以“

”表示。磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種儲(chǔ)存形式肌酸激酶肌酸NH2NHNCOOHCH3CCH2磷酸肌酸NNHNCOOHCH3CCH2H~P+ATP+ADP幾種常見(jiàn)的高能化合物通式舉例釋放能量

pH7.0，25℃KJ/mol(kcal/mol)NHRCNH~PO3H2CH2RCO~PO3H2ORCO~PO3H2ORC~SCoA~POOHPOOHOOH磷酸肌酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoAATP,GTP,UTP,CTP-43.9(-10.5)-61.9(-14.8)-41.8(-10.1)-31.4(-7.5)-30.5(-7.3)

ATP生成方式氧化磷酸化80%

底物水平磷酸化

重點(diǎn)特點(diǎn)：通過(guò)底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP的方式體內(nèi)共有三步反應(yīng)。（糖代謝）1，3二磷酸甘油酸+ADP

磷酸甘油激酶

3-磷酸甘油酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP

丙酮酸激酶丙酮酸+ATP琥珀酰COA+GDP

琥珀酰COA合成酶琥珀酸+

GTP2、高能化合物的儲(chǔ)存和利用機(jī)體能量的釋放、儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心。（1）能量的生成、利用：ATP是生物界普遍的供能物質(zhì)，體內(nèi)能量代謝的重要反應(yīng)是ADP/ATP轉(zhuǎn)換，ADP吸收能量磷酸化生成ATP,ATP水解放出能量產(chǎn)生ADP。釋放的能量用于各種生命活動(dòng)如：呼吸、泌尿、神經(jīng)傳導(dǎo)、合成代謝、肌肉收縮等。

（2）能量的轉(zhuǎn)移ATP+UDPADP+UTP

參與糖原合成ATP+CDPADP+CTP

參與磷脂合成ATP+GDPADP+GTP

參與蛋白質(zhì)合成（3）能量的儲(chǔ)存1）磷酸肌酸是腦、肌肉組織能量貯存形式2）經(jīng)常鍛煉，肌肉中磷酸肌酸含量升高3）肌無(wú)力癥，磷酸肌酸含量下降。

ATP的生成和利用ATP

ADP肌酸

磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P

~P

機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)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(chǔ)存和利用都以ATP為中心。四、線粒體外NADH的氧化

胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭

(α-glycerophosphateshuttle)蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭

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