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1、生物氧化,Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 生物氧化的概念,细胞呼吸,生物氧化的特点： 1、反应条件温和(在体温37，pH近中性)的有水环境中进行。 2、反应由酶催化。 3、逐步放能，有利于ATP的生成。 4、H2O由代谢物脱下的氢（经呼吸链传递）和氧结合生成，CO2由有机酸脱羧生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体
2、系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,Mitochondrion,呼吸链(respiratory chain) 又称电子传递链(electron transfer chain)。,一、呼吸链,定义,递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,组成,传递氢的酶或辅酶,传递电子的酶或辅酶,酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,人线
3、粒体呼吸链复合体,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,电子传递链各组份的排列顺序,复合体又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone),NADH,每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,递H+2e,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。,1,10,递2H
4、+2e,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,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）。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。,递2H+2e,复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 复合体没有H+泵的功能。,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,3、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1
5、复合体，含有细胞色素b(b566, b562)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。 泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体。 电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,细胞色素(cytochrome, Cyt),细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,属于单电子传递体,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+ 复合体也有质子泵作用,复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体也有质子泵作用。 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获
6、得的电子传递到复合体。,复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。,4、复合体将电子从细胞色素C传递给氧,复合体结构,复合体的电子传递过程,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,由以下实验确定:,1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2、F
7、ADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链） 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,NADH FMN CoQ Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2,(Fe-S),FAD (Fe-S),琥珀酸,FADH2氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,1 ATP,1 ATP,0.5 ATP,Cyt 氧化酶,(Fe-S),琥珀酸脱氢酶、 脂酰CoA脱氢酶、 -磷酸甘油脱氢酶,二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：代谢物脱下的氢，经氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联
8、磷酸化。,ATP生成方式,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 直接将高能代谢物分子中的能量转移给ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程。不经电子传递。,（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,根据P/O比值 自由能变化: G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,1、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（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,2、自由能变化,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.
9、5kJ/molV),G0 = -nFE0,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,近代实验和电化学计算结果： 平均每泵出4个H+才合成并转运1分子ATP NADH氧化呼吸链泵出10个H+：10/4=2.5（分子ATP） FADH2氧化呼吸链泵出6个H+：6/4=1.5（分子ATP）,(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),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胞浆侧，产生膜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ADP与Pi生成ATP。,Nobel Prize,Peter
10、 Mitchell,1978年,氧化磷酸化,质子梯度 能量,for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory,Peter Mitchell Nobel Prize in Chemistry, 1978,It isnt a theory, its a fact.,e e,1/2O2,H+,H+,H+,H+,H+,Pi+ ADP,NAD,H +H+,H+,H+,H+,H+ H+,ATP,H+,H+,-质子
11、泵机制,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。,（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：亲水部分 （动物：33亚基复合体，OSCP），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,ATP合酶结构组成,F1 由五种亲水性亚基组成（33）， 其中33相间排布成有中央孔隙的六面体头部。深入头部的中央孔隙中并可在其中转动。连接与 F0。,F0： 脂溶性，镶嵌于内膜中，由三种疏水性亚基组成（ab2c912）。,亚基c由短环连接的2个反向跨膜-
12、螺旋组成，第2个螺旋中央第61位为天冬氨酸， 912个c亚基装配成对称的c环，跨越内膜。,a亚基固定在c环外部，具有两个互不相通的质子半通道，两个半通道分别与1个C亚基相对应。,两个b亚基连接a亚基和F1的亚基，以固定头部与a亚基皆不转动。,1989年Paul Boyer提出“结合变构”机制， 亚基是ATP合酶催化部位，通过亚基构象的转变，不断从基质中结合ADP+Pi后催化二者合成ATP，并把ATP释入基质。 原理：由于亚基在头部中央孔隙逆时针方向转动，使头部的亚基发生LTOL规律性构象变化使ATP不断合成 。,质子回流如何驱动ATP合成？,1、L型构象捕捉ADP和Pi； 2、与亚基结合后变构
13、为T型构象使结合的ADPPi合成ATP； 3、亚基离开后变构为O型构象，释出ATP；之后，又自动恢复为L构象。,ATP合成的结合变构机制,Paul D. Boyer,John E. Walker,for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP),Nobel Prize in Chemistry, 1997,什么力量驱使-亚基不断逆时针方向转动？,c环中的c亚基接触内膜时，其中的Asp61为质子化的电中性的氨基酸（-羧基不解离），以便与
14、双脂层内膜结合。 C环中两个被a亚基包围的c亚基不直接与双脂层结合。a亚基的两个亲水性半通道分别与这两个相邻的c亚基相通。与a亚基结合的两个c亚基中的Asp61处于带负电的解离状态，这时c环不转动。,Howard Berg 和George Oster提出：,基质侧半通道,膜间隙侧半通道,质子进入a亚基膜间隙半通道，使对应的1个c亚基Asp61负电荷被H+中和， c亚基与疏水内膜相互接触而发生转动(逆时针转动一个c亚基的位置),当c亚基转动到基质侧半通道，H+进入基质。,反复进行， 质子不断从膜间隙进入基质,C环转动经亚基带动亚基在头部中央孔隙中不断逆时针转动,导致头部的亚基不断进行LTOL循环
15、式变构，不断合成ATP。,质子不断地进入膜间隙半通道， c亚基不断转动,三、影响氧化磷酸化的因素,（一）抑制剂,3.氧化磷酸化抑制剂,（二） ADP的调节作用,氧化磷酸化,（ATP利用）,ADP,（三）甲状腺素,（四）线粒体DNA突变,13,1.呼吸链抑制剂,2.解偶联剂,四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸键 水解时释放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,ATP是人体内能量的直接供给者。,ATP：生物体内能量直接供体 UTP：糖原合成 CTP：磷脂合成 GTP：蛋白质
16、生物合成,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,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。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链,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。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),转运机制：,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷
