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1、目录目录第第7 7章章生物氧化生物氧化Biological Oxidation目录目录营营养养物物质质在在生生物物体体内内经经氧氧化化分分解解，最最终终生生成成CO2 和和 H2O，并并释释放放能能量量的的过过程程称称生生物物氧氧化化 (biological oxidation)。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能n生物氧化的概念生物氧化的概念 目录目录糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP
2、 COCO2 2 n 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程目录目录第一节第一节 氧化呼吸链是由具有电子传递功氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成能的复合体组成目录目录n 线粒体的结构线粒体的结构目录目录指指线线粒粒体体内内膜膜中中按按一一定定顺顺序序排排列列的的一一系系列列具具有有电电子子传传递递功功能能的的酶酶复复合合体体（酶酶和和辅辅酶酶），可可通通过过一一系系列列的的氧氧化化还还原原将将代代谢谢物物脱脱下下的的电电子子（氢氢）最最终终传传递递给给氧氧生生成成水水。这这一一传传递递链链称称为为氧氧化化呼呼吸吸链链(respiratory chain)又又称称电电子子传传递递链链(el
3、ectron transfer chain)。n氧化呼吸链氧化呼吸链目录目录一、一、氧化呼吸链由氧化呼吸链由4 4种具有传递电子种具有传递电子能力的复合体组成能力的复合体组成目录目录人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称质量质量(kD)多肽多肽链数链数功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点复合体复合体NADH-泛醌泛醌还原酶还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）（脂质核心）复合体复合体泛醌泛醌-细胞色
4、细胞色素素C还原酶还原酶25011血红素血红素bL, bH, c1,Fe-SCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧）细胞色素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt a复合体复合体细胞色素细胞色素C氧氧化酶化酶16213血红素血红素a，a3，CuA, CuBCyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。目录目录复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶。泛醌还原酶。复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S Fe-S CoQ （以下介绍以下介绍）每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，
5、复合体胞浆侧，复合体有质子泵功能。有质子泵功能。（一）复合体（一）复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递中的电子传递给泛醌给泛醌(ubiquinone)目录目录 NAD+和和NADP+ 属递氢体和递电子体属递氢体和递电子体目录目录 FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。在在可可逆逆的的氧氧化化还还原原反反应应中中显显示示3种种分分子子状状态态，属属于于递递氢体（单、双电子传递体）。氢体（单、双电子传递体）。 目录目录 铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫中中心心(Fe-
6、S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中一一个个铁铁原原子子可可进进行行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。 目录目录 泛泛醌醌（辅辅酶酶Q, CoQ, Q）由由多多个个异异戊戊二二烯烯连连接接形形成成较较长长的的疏疏水水侧侧链链（人人CoQ10），氧氧化化还还原原反反应应时时可可生生成成中中间间产产物物半半醌醌型型泛泛醌醌。内内膜膜中中可可移移动动电电子子载载体体，在在各各复复合合体体间间募募集集并并穿穿梭梭传传递递还还原原当当量量和和电电子子。在在电电子传递和质子移动子传递和质子移动的偶联中起着核心作用（的偶联中起着核心作用
7、（递氢递氢）。）。 目录目录复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶。泛醌还原酶。复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能。 复合体复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传递给中的电子传递给泛醌泛醌(ubiquinone)目录目录复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，又称，又称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶。电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ复合体复合体没有
8、没有H+泵的功能泵的功能。（二）复合体（二）复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。目录目录（三）复合体（三）复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素细胞色素c c。复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞色，细胞色素素b-c1复合体，含有复合体，含有细胞色素细胞色素b(b562, b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc泛醌从复合体泛醌从复
9、合体、募集还原当量和电子并穿梭募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体传递到复合体。目录目录 细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以细胞色素是一类以血红素（铁卟啉）为辅基血红素（铁卟啉）为辅基的的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。类。存在于线粒体内膜的存在于线粒体内膜的Cyt有：有：Cytaa3，Cytb（bH，bL），），Cytc，Cytc1单电子传递体：单电子传递体：FeFe 2+ 2+ Fe Fe 3+3+ + e + e目录目录目录目录 复合体复合体功能功能是将电子从还原型泛醌传递给细是将电子从还原型泛
10、醌传递给细胞色素胞色素c c。复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞，细胞色素色素b-c1复合体，含有复合体，含有细胞色素细胞色素b(b562, b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体梭传递到复合体，复合体复合体也有质子泵作也有质子泵作用。用。目录目录Cyt c是是呼吸链唯一水溶性球状蛋白呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不，
11、不包含在复合体中。将获得的电子传递到包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体复合体。目录目录复合体复合体又称又称细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)。电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆侧转移跨内膜向胞浆侧转移 （质子泵作用质子泵作用）。）。（四）复合体（四）复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧目录目录酶复合体 辅基主要功能复合体(NADH-泛醌氧化还原酶) FM
12、N、 Fe-S把NADH+H+中2个电子传递到Q/QH2池，并由基质向膜间隙泵出4个质子复合体(琥珀酸-泛醌氧化还原酶)FAD、Fe-S把琥珀酸中2个电子、2个质子传递到Q/QH2池复合体(泛醌-细胞色素氧化还原酶)血红素bH bL c，Fe-S通过Q循环把Q/QH2池中2个电子传递到细胞色素C，并把4个质子由基质泵出到膜间隙 细胞色素C*血红素C传递复合体中2个电子到复合体复合体(细胞色素C氧化酶)血 红 素 a、a3，CuA2+、CuB2+把4个细胞色素C传来的4个电子转交给O2，在摄取基质中4个质子与O2生成2分子水的同时，把基质中另外4个质子泵出到膜间隙目录目录1、NADH氧化呼吸链氧
13、化呼吸链NADH 复合体复合体CoQ 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22 2、琥珀酸氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 CoQ 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2二、二、NADH和和FADH2是氧化呼吸链的电子是氧化呼吸链的电子供体供体根根据据电电子子供供体体及及其其传传递递过过程程，目目前前认认为为，氧氧化化呼吸链有两条途径：呼吸链有两条途径：目录目录标准氧化还原电位标准氧化还原电位拆开和重组拆开和重组特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢还原状态呼吸链缓慢给氧给氧 氧化呼吸链各组分的顺序排列是氧化呼吸链各组分的顺序排列是由以下实由以下实验确定的验
14、确定的目录目录线粒体内重要代谢物氧化的途径线粒体内重要代谢物氧化的途径目录目录第二节第二节 氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成磷酸化偶联生成ATP目录目录底底 物物 水水 平平 磷磷 酸酸 化化 (substrate level phosphorylation)与与脱脱氢氢反反应应偶偶联联，生生成成底底物物分分子子 的的 高高 能能 键键 ， 使使 ADP(GDP)磷磷 酸酸 化化 生生 成成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。的过程。不经电子传递。氧氧化化磷磷酸酸化化 (oxidative phosphorylation)是是指指在在呼呼吸吸链链电
15、电子子传传递递过过程程中中偶偶联联ADP磷磷酸酸化化，生生成成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。nATP生成方式生成方式目录目录根据根据P/O比值比值自由能变化自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、一、氧化磷酸化偶联部位在复合体一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内内目录目录1、P/O 比值比值指指氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每消消耗耗1/2摩摩尔尔O2所所生生成成ATP的的摩摩尔尔数数（或或一一对对电电子子通通过过氧氧化化呼呼吸吸链链传传递递给给氧氧所生成所生成ATP分子数）。分子数）。 2 2、自由能变化、自由能变化根据热力学公式，
16、根据热力学公式，pH7.0时标准自时标准自由能变化由能变化(G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)之间有以下关系：之间有以下关系：n为传递电子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV)G0 = -nFE0目录目录ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2目录目录1、化学渗透假说、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧
17、，产生膜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度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度体内膜的质子梯度目录目录氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜的跨内膜电化学梯度电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致增加线
18、粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，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，但度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。生成减少。 n化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。目录目录 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 目录目录F1：亲亲水水部部分分 （
19、动动物物：33亚亚基基复复合合体体，OSCP、IF1 亚基），线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧颗颗粒粒状突起，状突起，催化催化ATP合成合成。 Fo：疏疏水水部部分分（ab2c912亚亚基基，动动物物还还有有其其他他辅辅助助亚亚基基），镶镶嵌嵌在在线线粒粒体体内内膜膜中中，形形成成跨跨内膜质子通道内膜质子通道 。nATP合酶结构组成合酶结构组成三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成合成 ATP目录目录nATP合酶组成可旋转的发动机样结构合酶组成可旋转的发动机样结构 目录目录 质子顺梯度回流如何质子顺梯度回流如何驱使转子部分转动？（驱使转子部分转动？（猜想猜
20、想） 膜膜间隙高隙高质子子浓度胞液度胞液半通道半通道质子化（中性）子化（中性）基基质的的强强大大负电性基性基质侧半通道去半通道去质子化（子化（负电）C环再逆再逆时针转动一一个个C亚基的位置基的位置反复进行反复进行 质子不断质子不断从膜间隙进入基质从膜间隙进入基质导致致头部的部的亚基基变构，不断构，不断合成合成ATP。经亚基基带动亚基在基在头部部中央孔隙中不断逆中央孔隙中不断逆时针转动，(ATP/120度度/3H+)目录目录当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚基发生旋转亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生改变亚基的构象发生改变。nATP合成的结合
21、变构机制合成的结合变构机制(binding change mechanism) 目录目录近来的研究证明（小结）近来的研究证明（小结）1 ATP4 质子质子 (H+H+)泵出泵出生成生成NADH102.5H2O电子传递链2 eATPH+3个偶联部位个偶联部位H2O61.52 eATPH+FADH22个偶联部位个偶联部位目录目录目录目录n高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于25kJ/mol的磷酸酯键，常表的磷酸酯键，常表示为示为 P。n高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物四、四、ATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用目录目录
22、 核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP目录目录n肌酸激酶的作用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。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。目录目录 ATP的生成和利用的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) )
23、化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的储存和生物体内能量的储存和利用都以利用都以ATP为中心。为中心。目录目录 第三节第三节 氧化磷酸化的影响因素氧化磷酸化的影响因素 目录目录一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率 氧化磷酸化是机体合成能量载体氧化磷酸化是机体合成能量载体ATPATP的最主要的最主要的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节酸化速率，从而调节ATPATP的生成量。的生成量。 目录目录（一）呼吸链抑制剂阻断电子传
24、递过程（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程复合体复合体抑制剂：鱼藤酮抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉、粉蝶霉素素A(piericidin A)及异戊巴比妥及异戊巴比妥(amobarbital)等等阻断传递电子到泛醌阻断传递电子到泛醌 。复合体复合体的抑制剂：萎锈灵的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程目录目录复复合合体体抑抑制制剂剂：抗抗霉霉素素A(antimycin A)阻阻断断Cyt bH传传递递电电子子到到泛泛醌醌(QN) ；粘粘噻噻唑唑菌菌醇醇则则作作用用QP位点位点。复复合合体体 抑抑制制剂剂：CN、N3紧紧密密结结
25、合合中中氧氧化化型型Cyt a3，阻阻断断电电子子由由Cyt a到到CuB- Cyt a3间间传传递递。CO与还原型与还原型Cyt a3结合，结合，阻断电子传递给阻断电子传递给O2。 目录目录 解解偶偶联联剂剂(uncoupler)可可使使氧氧化化与与磷磷酸酸化化的的偶偶联联相相互互分分离离，基基本本作作用用机机制制是是破破坏坏电电子子传传递递过过程程建建立立的的跨跨内内膜膜的的质质子子电电化化学学梯梯度度，使使电电化化学学梯梯度度储储存存的的能量以热能形式释放能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。的生成受到抑制。 如如 ： 二二 硝硝 基基 苯苯 酚酚(dinitrophenol, DN
26、P) ；解解偶偶联联蛋蛋白白(uncoupling protein，UCP1)。（二）解偶联剂阻断（二）解偶联剂阻断ADPADP的磷酸化过程的磷酸化过程目录目录这类抑制剂对电子传递及这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制磷酸化均有抑制作用。例如作用。例如寡霉素寡霉素(oligomycin)可结合可结合F0单位单位，二，二环己基碳二亚胺环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合共价结合F0的的c亚基谷氨酸残基，亚基谷氨酸残基，阻断质子阻断质子从从F0质子半通道回流质子半通道回流，抑制，抑制ATP合酶活性。由于线合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化
27、学梯度增高影响呼吸链质子粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。泵的功能，继而抑制电子传递。 （三）（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成的生成目录目录不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 目录目录化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响目录目录 Na+，K+ATP酶酶 解偶联蛋白基因表达均增加。解偶联蛋白基因表达均增加。三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热四、线粒体四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸突
28、变可影响机体氧化磷酸化功能。化功能。目录目录线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选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择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。五、线粒体的内膜选择性协调转运氧五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物化磷酸化相关代谢物目录目录-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 存在于脑和骨骼肌存在于脑和骨骼肌苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) 存在于肝和心肌存在于肝和心肌（一
29、）胞浆中（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链体氧化呼吸链胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。n转运机制：转运机制：目录目录ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子每分子ATP4-和和ADP3-反向转运时，向内膜外净转反向转运时，向内膜外净转移移1个负电荷个负电荷 ，相当于多，相当于多1个个H+转入线粒体基质。转入线粒体基质。 （二）二）ATP-ADP转位酶促进转位酶促进ADP进入和进入和ATP移出紧密偶联移出紧密偶联目录目录ATP生成的化学渗透模式（小结）生成的化学渗透模式（小结）NAD+H+IIIIIIIVFADH2FADH+H+2O2+ 2H+H2OCyt cADP + PiATPH+F0F1ADPATPCoQPiOH-基质基质内内 膜膜鱼藤酮安密妥抗霉素A叠氮化物氰化物寡霉素解偶联蛋白
