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1、生 物 氧 化(biological oxidation),氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP 氧化磷酸化的影响因素 其他氧化与抗氧化体系,内容提纲,第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP,氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),* 定义 氧化磷酸化 是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。,两个过程的偶联： 即还原当量的氧化过程和ADP磷酸化过程 氧化磷酸化是体内ATP生成的主要方式,（一）氧化磷酸化偶联部位,根据P/O比值和自由能变化，可以大致确
2、定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP生成的部位。,P/O比值 指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成的ATP数。,？,n ,n,n,n,根据上述实验结果，推定NADH与CoQ之间（复合体I），CoQ与Cyt c之间（复合体III）和复合体IV存在着偶联部位,自由能变化 根据热力学公式，pH 7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系： G=-nFE,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),氧化磷酸化偶联部位,电子传递链自由能变化,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,（二）氧化磷酸化偶联机制,1. 化学渗透假说
3、（chemiosmotic hypothesis） 其基本要点是：呼吸链中复合体、具有质子泵功能，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胞浆侧，由于内膜对质子的不通透特性，造成膜内、外质子电化学梯度，以此储存能量。当质子顺梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。, 化学渗透假说已经得到广泛的实验
4、支持,化学渗透假说简单示意图,2. ATP合酶(ATP synthase)复合体V,ATP合酶结构组成,F1：亲水部分 （动物：33亚基复合体，OSCP等亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 FO：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道, ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,FO的2个b亚基的一端锚定a亚基，另一端通过F1的和33稳固结合，使a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分。 部分和亚基共同形成穿过33间中轴，还与1个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分。 质子顺梯度向基质
5、回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。,ATP合酶（ATP synthase）结构模式图,当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。,ATP合酶的工作机制,O:开放型 L:疏松型 T:紧密型,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,（三）ATP在能量代谢中起核心作用, 生物体能量代谢的特点：,2. 生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转移成细胞可以利用的能量形式 3. ATP是最重要的高能化合物，是细胞可以直接利用的最主要能量形式,生物体不能承受能量大量增加、大量释放的化学过程，所以代谢反应都是依序进行，能量
6、逐步得失的反应,生物化学中把化合物水解时释放的能量大于21 kJ/mol者,所含的化学键称为高能键，以“”表示。,含有高能键的化合物称为高能化合物。在体内所有高能化合物中，以高能磷酸化合物种类最多，其中又以ATP最为重要。,高能磷酸化合物,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,1. ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子,ATP细胞可以直接利用的能量形式 - 营养物质氧化分解产生的能量大约40%用于产生ATP,2. ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心,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。,3. ATP通过转移自身基团提供能量,ATP,ADP,机
7、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),生物体内能量的捕获、储存、转移和利用都以ATP为中心,ATP循环,4. 磷酸肌酸是高能键能量的存储形式,ATP的生成,（一）底物水平磷酸化,定义：,代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate phosphorylation)。,底物水平磷酸化反应,*,（二）氧化磷酸化,定义：,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成
8、ATP，又称为偶联磷酸化。,第三节 氧化磷酸化的影响因素,（一）抑制剂 （二）ADP的调节作用 （三）甲状腺激素 （四）线粒体DNA突变,影响氧化磷酸化的因素,（1）呼吸链抑制剂： 阻断呼吸链中某些部位电子传递 （2）解偶联剂（uncoupler）： 破坏内膜两侧的质子电化学梯度，从而使 氧化与磷酸化偶联过程脱离 （3）ATP合酶抑制剂： 对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用,（一）抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,复合体抑制剂： 鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。 复合体的抑制剂：萎锈灵(carbox
9、in)。 复合体抑制剂： 抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 复合体 抑制剂： CN、N3紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,萎锈灵,解偶联蛋白（UCP1）作用机制 （棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,问题：,给实验大鼠注射DNP（二硝基苯酚）后大鼠体温明显升高，其机制何在？ 注：DNP为脂溶性物质
10、，可使线粒体内膜通透性增高 答案：DNP为解偶联物质，破坏破坏内膜两侧的 质子电化学梯度，从而使氧化与磷酸化 偶联过程脱离，能量以热的形式释放。,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从Fo质子通道回流，抑制ATP生成,Q,胞液侧,基质侧,寡霉素,（一）抑制剂 （二）ADP的调节作用 （三）甲状腺激素 （四）线粒体DNA突变,影响氧化磷酸化的因素,（二）ADP的调节作用,氧化磷酸化是机体合成能量ATP的最主要途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量。 细胞内ADP的浓度以及ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化。,（三）甲状腺激素,甲状腺激素能够：
11、诱导Na+,K+ATP酶的生成，加速ATP分解，使ADP增多而促进氧化磷酸化； 诱导解偶联蛋白基因表达均增加，引起物质氧化释能和产热比率均增加,所以，甲状腺功能亢进症患者基础代谢率较高。,线粒体DNA突变与线粒体DNA病及衰老有关。,（四）线粒体DNA突变,线粒体DNA无蛋白质保护； 线粒体DNA编码了 呼吸链复合体中13个亚基以及线粒体内22个tRNA和2个rRNA。,线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷，致使ATP合成障碍、能量来源不足导致的一组异质性病变.,线粒体内膜对物质的转运,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
12、质的转运。,（一）线粒体内膜的主要转运蛋白,（二） 胞浆中NADH转运进入线粒体,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。 转运机制主要有： 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) -磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle),1. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,主要存在于心肌和肝脏中,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮 戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,2. -磷酸甘油穿梭机制,主要存在于脑和骨骼肌中, -磷酸甘油脱氢酶, -磷酸甘油脱氢酶,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,-磷酸甘油,线粒体 -磷酸甘油脱氢酶,
