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1、目目 录录第第第第 八八八八 章章章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation目目 录录w生物氧化的核心内容从生物氧化的核心内容从能量代谢能量代谢角度阐释生命现象，相关关键问角度阐释生命现象，相关关键问题：题： 能量的主要来源？能量的主要来源？ 能量如何生成？能量如何生成？ 能量如何存在？能量如何存在？ 能量如何转运、利用？能量如何转运、利用？目目 录录第一节第一节 概概 述述Introduction目目 录录物物质质在在生生物物体体内内进进行行的的氧氧化化称称为为生生物物氧氧化化，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质三三大大营营养养素素在在生生物物体体内内氧氧化化分
2、分解解并并逐逐步释放能量，最终生成步释放能量，最终生成COCO2 2 和和H H2 2O O的过程。的过程。亦称亦称“组织呼吸组织呼吸”或或“细胞呼吸细胞呼吸”。糖糖 脂肪脂肪 蛋白蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能能一、一、生物氧化的概念生物氧化的概念 目目 录录* * 生物氧化生物氧化与与体外氧化之相同点体外氧化之相同点w生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。w物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物（物（COCO2 2，H
3、 H2 2O O）和释放能量均相同。和释放能量均相同。二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点目目 录录w是是在在细胞胞内内温温和和的的有有水水环境境中中（体体温温，pH接接近近中中性性），经一一系系列列酶促促反反应逐逐步步缓慢慢进行行，能能量量逐逐步步释放放，以以ATP形形式式储存存和和转运运，有有利利于于机机体体捕捕获能能量量，提高提高ATP生成生成的效率。的效率。w物物质的的氧氧化化方方式式是是脱脱氢氢反反应应，脱脱下下的的氢在在酶、辅酶和和电子子传递系系统参参与与下下经一一系系列列传递与与水水结合合生生成成H2O；二二氧氧化化碳碳（CO2 ）是是由由于于糖糖、脂脂类和和蛋蛋白白质转变成成含
4、含羧基基的的化化合合物物（有有机机酸酸）直直接接脱羧或氧化脱羧脱羧或氧化脱羧产生生。* * 生物氧化生物氧化与与体外氧化之不同点体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w在在高高温温、高高压、干干燥燥条条件件下下进行行，是是剧剧烈烈的的自自由由基基反反应，能能量量突突发式式释放放。产生生的的能能量量以以光光与与热热的的形形式式散散发在在环境境中。中。w产生生的的CO2、H2O由由物物质中中的的碳和氢直接与氧结合碳和氢直接与氧结合生成。生成。场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。目目 录录第二节第二节 生物氧化的方式生物氧化的方
5、式目目 录录1 1、-单纯脱羧单纯脱羧 2 2 2 2、-氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧一、生物氧化中二氧化碳的生成方式一、生物氧化中二氧化碳的生成方式目目 录录4 4 4 4、-氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧 3 3 3 3、-单纯脱羧单纯脱羧单纯脱羧单纯脱羧目目 录录二、生物氧化中物质的氧化方式二、生物氧化中物质的氧化方式遵循普通化学中的氧化还原规律。遵循普通化学中的氧化还原规律。方式方式加氧加氧 脱氢脱氢/加水脱氢加水脱氢 失电子失电子氧化还原系统氧化还原系统失去电子或氢原子的物质失去电子或氢原子的物质 称为称为供电子体或供氢体供电子体或供氢体；接；接 受电子或氢原子的物质称为受电子
6、或氢原子的物质称为 受电子体或受氢体受电子体或受氢体。 目目 录录糖原糖原 三三酯酰甘油甘油 蛋白蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙乙酰CoA TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 * * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程目目 录录第三节第三节 线粒体氧化体系线粒体氧化体系目目 录录定定义在在生生物物氧氧化化过程程中中，从从代代谢物物脱脱下下的的成成对氢原原子子(2H)通通过多多种种酶和和辅酶所所催催化化的的连锁反反应逐逐步步传递，最最终与与氧氧结合合生生成成水水，这一一系系列列酶和和辅酶组成成的的连锁
7、传递体体系系称称为呼呼吸吸链(respiratory chain)又称又称电子子传递链(electron transfer chain)。组成：成：递氢体和体和电子子传递体体(2H = 2H+ + 2e), 存存 在于在于线粒体内膜上粒体内膜上 一、呼吸链的定义一、呼吸链的定义目目 录录线粒体的结构线粒体的结构嵴嵴目目 录录二、二、呼吸链的成分和作用呼吸链的成分和作用呼吸呼吸链共包括共包括四种四种具有具有传递电子功能的子功能的酶复合体（由相复合体（由相应酶和和传递体共同体共同组成成) 和和两种两种单独成分。独成分。*Q(Q(泛泛醌) )和和细胞色素胞色素C(C(Cytc)未包含在上述四种复合体
8、中。未包含在上述四种复合体中。线粒体呼吸链酶复合体线粒体呼吸链酶复合体复合体复合体酶名称名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-脱脱氢酶琥珀酸琥珀酸-细胞色素胞色素C细胞色素胞色素c氧化氧化酶辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，啉，Fe-S 铁卟啉，啉，Cu 多多肽链数数394 1013 复合体复合体酶名称名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH琥珀酸琥珀酸 脱脱氢酶QH2QH2-细胞色素胞色素C细胞色素胞色素c氧化氧化酶辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，啉，Fe-S 铁卟啉，啉，Cu 多多肽链数数394 1013 目目
9、录录呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置目目 录录烟酰胺核苷酸类烟酰胺核苷酸类NADNAD+ +/NADP/NADP+ +：主要作为一类主要作为一类不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶的的辅酶。有的的辅酶。有NADNAD+ +和和NADPNADP+ +，大多脱氢酶以大多脱氢酶以NADNAD+ +为辅酶。为辅酶。 电子和氢离子一起被接受，还原型电子和氢离子一起被接受，还原型CoCo将氢移将氢移到到NADHNADH（黄素）脱氢酶上。黄素）脱氢酶上。呼吸链中包括呼吸链中包括呼吸链中包括呼吸链中包括5 5类电子载体：类电子载体：类电子载体：类电子载体：目目 录录NAD+和和NADP
10、+的结构的结构R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ 目目 录录NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变相互转变目目 录录黄素蛋白黄素蛋白 含含FMN或或FAD的蛋白质，每个的蛋白质，每个FMN或或FAD可可接受接受2个电子个电子2个质子。呼吸链上具有个质子。呼吸链上具有FMN为辅基为辅基的的NADH脱氢酶，以脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。 目目 录录FMN结构构中中含含核核黄黄素素，发挥功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪环，氧氧化化还原原反反应时不不稳定定中中间产物物是是FMN 。目目 录录FADFAD的结构的结构 目目 录录铁硫蛋
11、白铁硫蛋白 在其分子结构中每个铁原子和在其分子结构中每个铁原子和4个硫原个硫原子结合，通过子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传互变进行电子传递并转给辅酶递并转给辅酶Q ，有，有2Fe-4S和和4Fe-4S两种类两种类型型。目目 录录目目 录录辅酶辅酶Q Q 又称泛又称泛醌醌（ubiquinoneubiquinone，CoQCoQ) )，可接受多种脱可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为二氢泛醌氢酶脱下的氢和电子转变为二氢泛醌（CoQHCoQH2 2），），处在呼吸链的中心地位。处在呼吸链的中心地位。CoQHCoQH2 2接受黄素蛋白与铁硫蛋白传递来的接受黄素蛋白与铁硫蛋白传递来的2H,2
12、H,将其中将其中的电子传递给后续细胞色素的电子传递给后续细胞色素bcbc1 1复合体，复合体，H H+ +释出。释出。目目 录录细胞色素（细胞色素（cytochromes) )分子中含有血红素铁，以共价形式与分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电形式变化传递电子，呼吸链中有子，呼吸链中有5类，即：细胞色素类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1。根据它根据它们吸收光吸收光谱不同而分不同而分类。目目 录录目目 录录目目 录录作用靠铁的变价传递电子由作用靠铁的变价传递电子由CoQCoQ传到氧。传到氧。 a a、cytcyt bc bc1 1复合体：含
13、复合体：含ctycty b b 、ctycty c c1 1及铁及铁- -硫蛋白。硫蛋白。b b、cytcyt氧化酶：含氧化酶：含ctycty a a和和ctycty a a3 3 。 除含铁还含铜（除含铁还含铜（ Cu Cu 2 2 + + Cu Cu + + ）c c、cytcyt c c：在在ctycty bc bc1 1复合体和复合体和ctycty氧化酶间传递电氧化酶间传递电子。子。目目 录录 传递体传递体 作用作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 递氢体递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） 递氢体递氢体 黄素蛋白（辅基
14、为黄素蛋白（辅基为 FAD和和 FMN） 递氢体递氢体 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-S） 单电子传递体单电子传递体辅酶辅酶Q 递氢体递氢体细胞色素类细胞色素类 单电子传递体单电子传递体目目 录录复合体复合体: NADH-Q（泛醌）还原酶泛醌）还原酶u 功能功能: 将将电子从子从NADH传递给泛泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 由以上五种电子传递体组成由以上五种电子传递体组成4 4个复合体和个复合体和2 2个单独成分。个单独成分。目目 录录复合体复合体的功能的功能NADH+H+ NAD
15、+ FMN FMNH2还原型原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2目目 录录复合复合体体:琥珀酸琥珀酸- -Q Q（泛醌泛醌）还原酶还原酶u 功能功能: : : :将将电子从琥珀酸子从琥珀酸传递给泛泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 目目 录录目目 录录复合体复合体: QH2（泛醌）泛醌）-细胞色素细胞色素c还原还原酶酶 u 功能：功能：将将电子从泛子从泛醌传递给细胞色素胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1目目 录录目目 录录复合体复合体: 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功
16、能：功能：将将电子从子从细胞色素胞色素c传递给氧氧 复合体复合体还原型原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将形成的活性部位将电子交子交给O2。目目 录录目目 录录三、呼吸链主要成分的排列顺序三、呼吸链主要成分的排列顺序目目 录录实验依据：实验依据：1 1）根据各种组分）根据各种组分标准氧化还原电位标准氧化还原电位确定确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。呼吸链的始
17、端。2 2）电子亲和力电子亲和力增加的顺序排列；增加的顺序排列；3 3）吸收光谱吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；变化，氧化程度逐渐增高；4 4）利用）利用电子传递抑制剂电子传递抑制剂选择性阻断；选择性阻断； 目目 录录目目 录录呼吸链（电子传递链）呼吸链（电子传递链）电子亲和力递增的顺序电子亲和力递增的顺序ATPFADH2ATPATP目目 录录1. NADH氧化呼吸氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2糖、脂、蛋白糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解等有机物在氧化分解过程中脱下的程中脱下的氢，大部，大部分分经此呼吸此呼吸链氧化氧化为水。例如丙水。例如丙酮酸、异
18、酸、异柠檬酸、乳酸、檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。2. 琥珀酸氧化呼吸琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2一般情况下琥珀酸、一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱磷酸甘油氧化脱氢生成生成FADH2作作为这条呼吸条呼吸链的最初供体。的最初供体。四、体内两条重要的四、体内两条重要的呼吸链呼吸链目目 录录NADH氧化呼吸氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸氧化呼吸链目目 录录区别区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+， 而直接传递给黄素酶而直接传递给黄素酶目目 录录目目 录录五、胞液
19、中五、胞液中NADH的氧化的氧化胞液中胞液中NADH必必须经一定一定转运机制运机制进入入线粒粒 体，再体，再经呼吸呼吸链进行氧化磷酸化。行氧化磷酸化。转运机制运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)目目 录录1. -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 目目 录录 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质S-磷酸磷酸甘油脱甘油脱氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸
20、二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 M-磷酸磷酸甘油脱甘油脱氢酶酶 目目 录录-磷酸甘油穿梭系统目目 录录说明：说明：1） S-磷酸甘油脱磷酸甘油脱氢酶酶 和和M-磷酸甘油磷酸甘油脱脱氢酶酶是同工酶，是同工酶，前者的辅酶是前者的辅酶是NAD+，后后者的辅基是者的辅基是FAD，因此一对氢经该穿梭作因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可用进入呼吸链彻底氧化可产生产生2个个ATP。 2）该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。织中。目目 录录2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制目目 录录NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸
21、谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮 戊二酸戊二酸转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 S-苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 M-苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 目目 录录苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统目目 录录说明：说明：1）S-苹果酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶和M-苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶是同工酶，是同工酶，均以均以NAD+作为辅酶作为辅酶。2）一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻）一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可底氧化可产生产生3个个ATP。3）该穿梭作
22、用存在于肝脏心肌和肾脏该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。中。 目目 录录小小 结结目目 录录1. 生物氧化生物氧化/组织呼吸组织呼吸/细胞呼吸细胞呼吸的概念的概念2. 生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化与体外氧化的不同点3. 物质氧化方式的种类物质氧化方式的种类4. 生物氧化的一般过程及其阶段划分生物氧化的一般过程及其阶段划分5. 呼吸链呼吸链/电子传递链电子传递链6. 呼吸链的组成成分呼吸链的组成成分7. 呼吸链中包括呼吸链中包括5类电子载体类电子载体8. 递氢体和电子传递体的种类递氢体和电子传递体的种类9. 什么是什么是NADH氧化呼吸链；什么是氧化呼吸链；什么是琥珀琥珀 酸氧化呼吸链或酸
23、氧化呼吸链或FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链10. 什么是什么是-磷酸甘油穿梭机制和苹果酸磷酸甘油穿梭机制和苹果酸 -天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制目目 录录 第四节第四节 生物氧化与能量代谢生物氧化与能量代谢目目 录录u 高能化合物的共同特点是含有容高能化合物的共同特点是含有容易断裂的易断裂的“活活泼键”，水解水解时释放能放能量，常用符号量，常用符号 表示表示。一、一、高能化合物高能化合物1、高能化合物的概念高能化合物的概念： 在标准条件下（在标准条件下（pH=7, 25, 1mol/L)，水解时释放的水解时释放的能量大于能量大于30KJ/mol的的含含磷酸酯磷酸酯键或硫酯键键或硫酯键的化合
24、物统称为高能化合物。的化合物统称为高能化合物。目目 录录2、高能化合物的类型：、高能化合物的类型： 高能磷酸化合物高能磷酸化合物 高能硫酯化合物高能硫酯化合物目目 录录目目 录录二、高能磷酸化合物二、高能磷酸化合物ATP的形成的形成目目 录录ATPATP的生成：的生成： 主要由：主要由：ADP+pi+ADP+pi+能量能量ATPATP 少数情况：少数情况：AMP+ AMP+ ppippi+ +能量能量ATPATP ATPATP是生命活动的直接供能物质，体内能是生命活动的直接供能物质，体内能是生命活动的直接供能物质，体内能是生命活动的直接供能物质，体内能量的生成就是量的生成就是量的生成就是量的生
25、成就是ADPADP经磷酸化生成经磷酸化生成经磷酸化生成经磷酸化生成ATPATP的过程。的过程。的过程。的过程。 体内磷酸化主要有两种方式：体内磷酸化主要有两种方式：体内磷酸化主要有两种方式：体内磷酸化主要有两种方式： 底物磷酸化和氧化磷酸化底物磷酸化和氧化磷酸化底物磷酸化和氧化磷酸化底物磷酸化和氧化磷酸化能量贮存在能量贮存在能量贮存在能量贮存在ATPATP的高能磷酸键中的高能磷酸键中的高能磷酸键中的高能磷酸键中。目目 录录1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化定义：定义：底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是指代是指代谢物在氧化分解
26、物在氧化分解过程中通程中通过脱脱氢、脱水等作用使分子内部能、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中量重新分配，能量集中产生高能生高能键，然后，然后使使ADP磷酸化生磷酸化生成成ATP的的过程。程。目目 录录 底物被氧化时形成高能磷酸化合底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用物的中间物，通过酶的作用使使ADPADP生成生成ATPATP。ADP ATP 磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶激酶 1,3-二磷酸二磷酸 甘油酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 目目 录录ADP ATP K+ Mg2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 目目 录录O=CSCoA COO
27、- CH2 CH2 CH2 CH2 COO- COO-琥珀酰琥珀酰-CoA 琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰-CoA合成酶合成酶GDP+PiGTP+CoA目目 录录2 2、氧化磷酸化氧化磷酸化：1 1）定义）定义 在生物氧化过程中，底物脱氢产生在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADHNADH和和FADHFADH2 2经经呼吸链传递给氧生成水的同时，所释放呼吸链传递给氧生成水的同时，所释放的自由能用于偶联的自由能用于偶联ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP，这种氧这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative (oxidative phospho
28、rylationphosphorylation) )，又称为又称为偶联偶联磷酸化。磷酸化。 目目 录录w氧化氧化和和磷酸化磷酸化是两个不同的概念。是两个不同的概念。氧化是底氧化是底物脱氢或失电子的过程物脱氢或失电子的过程，而，而磷酸化是指磷酸化是指ADP与与Pi合成合成ATP的过程的过程。在结构完整的线粒体。在结构完整的线粒体中两个过程紧密中两个过程紧密偶联偶联在一起，即氧化释放的在一起，即氧化释放的能量用于能量用于ATP合成，合成，氧化是磷酸化的基础，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果而磷酸化是氧化的结果。w氧化磷酸化产生人体氧化磷酸化产生人体80%的的ATP。目目 录录w定义定义 是
29、指每消耗是指每消耗1mol1mol氧原子时有多少摩尔氧原子时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的少摩尔的ATPATP。 代谢物脱氢以代谢物脱氢以NAD+NAD+作为受氢体时，作为受氢体时，P/OP/O比值为比值为3 3，即生成，即生成3 3个个ATPATP； 而代谢物以而代谢物以FADFAD作为受氢体时，作为受氢体时， P/OP/O比比值为值为2 2，即生成，即生成2 2个个ATPATP。 2) 磷氧比（磷氧比（P/O）目目 录录w 呼吸链上氧化磷酸化偶联部位或位点：呼吸链上氧化磷酸化偶联部位或位点： 复合体复合体、复合体、复合体、复合体、
30、复合体 NADHNADHCoQCoQ；CoQCytCyt c c； Cyt cO O2 2目目 录录目目 录录3 3）电子子传递链的的自由能自由能变化化 自由能：是指在热力学过程中，系统减少的自由能：是指在热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外做功的内能中可以转化为对外做功的 “有用能量有用能量”。化学反应中自由能的变化决定了反应是释能化学反应中自由能的变化决定了反应是释能还是吸能。还是吸能。 G0时，反应不能自发进行，须吸能进行。时，反应不能自发进行，须吸能进行。目目 录录目目 录录ATPATP ATP 氧化磷酸化偶氧化磷酸化偶联部位部位NADHCoQ；Cyt bCyt c；Cyt a
31、a3O2。目目 录录三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理化学偶化学偶联假假说 1953年年E.C.Slater提出提出构象偶构象偶联假假说 1964年年P.D.Boyer提出提出化学渗透假化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis), 19611961年由年由P.Mitchell P.Mitchell 提出提出目目 录录w化学渗透假化学渗透假说： 电子传递链像一个质子泵，电子传递过程中所电子传递链像一个质子泵，电子传递过程中所释放的能量，可促使质子由线粒体基质移位到线粒体释放的能量，可促使质子由线粒体基质移位到线粒体内膜外膜间空间形成质子电化学梯度，即线粒体外侧内
32、膜外膜间空间形成质子电化学梯度，即线粒体外侧的的H 浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子传递被泵出浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子传递被泵出的质子，在的质子，在H 浓度梯度的驱动下，通过浓度梯度的驱动下，通过F0F1ATP酶中酶中的特异的的特异的H 通道或通道或“孔道孔道”流动返回线粒体基质时，流动返回线粒体基质时，则由于则由于H 流动返回所释放的自由能提供给流动返回所释放的自由能提供给F0F1ATP酶酶催化催化ADP与与Pi偶联生成偶联生成ATP。 目目 录录目目 录录目目 录录证据证据: :1 1）线粒体膜上的线粒体膜上的ATPATP合酶（合酶（ATP ATP synthasesynthase
33、):): “生物体内最酷机器排行榜生物体内最酷机器排行榜”亚军亚军 1960年美国科学家年美国科学家Efraim Racker从线从线粒体中提取出了粒体中提取出了”F0-F1ATPase” 即即ATP synthase。 ATPATP合酶是受质子动力推动的酶。合酶是受质子动力推动的酶。可催化可催化ATPATP水解放能；又可从质子动水解放能；又可从质子动力势获能，合成力势获能，合成ATPATP。目目 录录F1由由33构构成成，(亚亚基基有有催催化化位位点点)。和和交交替替排排列列。贯贯穿穿复复合合体体(相相当当于于发发电电机机的的转转子子)，并并与与F0接接触触，帮帮助助与与F0结结合合。与与F
34、0的的两两个个b亚亚基基形形成成固固定定复复合合体体的的结结构构(相相当当于于发发电电机的定子机的定子)。F0由由 ab2c12构构 成成 ，嵌嵌入入内内膜膜，12个个c亚亚基基形形成成环环形形结结构构，具具有有质质子子通通道道，可可使使质质子子由由膜膜间间隙隙流流回基质。回基质。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图目目 录录目目 录录AATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化底物的亲和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。BF1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而
35、与核苷酸的亲和力不同。在位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象构象（loose），），ADP、 Pi与酶疏松结合在一起；在与酶疏松结合在一起；在T构象构象（tight）底物（）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。与酶的亲和力很低，被释放出去。C质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，从而带亚基构成的环旋转，从而带动动亚基旋转，由于亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起的旋转
36、引起亚基亚基3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将），不断将ADP和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP。目目 录录ATP合成酶的工作机制合成酶的工作机制目目 录录2 2）H H + +泵分布在膜上：泵分布在膜上： NADHNADH脱氢酶脱氢酶 细胞色素细胞色素bc1bc1复合体复合体 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 与这三个复合体有与这三个复合体有关的自由能变化足以将关的自由能变化足以将H H + +泵出泵出, ,从而形成膜基从而形成膜基质与膜间隙的质与膜间隙的H H+ +梯度梯度。目目 录录四、影响氧化磷酸化的因素四、影响氧化磷酸化的因素1.
37、呼吸呼吸链电子子传递抑制抑制剂 是能是能够专一阻断呼吸一阻断呼吸链中某些部位中某些部位电子子传递的物的物质或化学或化学药品。品。 呼吸呼吸链中断使底物的氧化作用受阻，偶中断使底物的氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法的磷酸化作用无法进行，行，ATP的生成随之的生成随之减少。减少。 这类物物质和化学和化学药品品绝大多大多对人人类或哺或哺乳乳动物乃至需氧生物具有极物乃至需氧生物具有极强的毒性。的毒性。（一）生物氧化抑制剂（一）生物氧化抑制剂目目 录录根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类：根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类：w抑制第一位点抑制第一位点: 阿米妥阿米妥(异戊巴比妥异戊巴比妥)、 鱼藤酮
38、、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A等；等；w抑制第二位点抑制第二位点: 抗霉素抗霉素A和二巯基丙醇；和二巯基丙醇；w抑制第三位点抑制第三位点: CO、H2S和和CN-、N3-。其其中中，CN-和和N3-主主要要抑抑制制氧氧化化型型Cytaa3-Fe3+，而而CO和和H2S主要抑制还原型主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。 目目 录录鱼藤藤酮杀粉蝶菌素（粉蝶菌素（粉蝶霉素粉蝶霉素A A）阿米妥（阿米妥（异戊巴比妥异戊巴比妥） 抗霉素抗霉素A A二二巯基丙醇基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸各种呼吸链抑制抑制剂的阻断位点的阻断位点目目 录录2. 解偶解偶联剂不抑制呼吸链的递氢或递电子过程
39、，而不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是抑制由是抑制由ADP+PiADP+Pi生成生成ATPATP的磷酸化作用，的磷酸化作用，使氧化产生的能量不能用于使氧化产生的能量不能用于ADPADP磷酸化。磷酸化。即即使氧化与磷酸化偶联过程脱离使氧化与磷酸化偶联过程脱离。目目 录录如：解偶如：解偶联蛋白蛋白、双香豆素、双香豆素、2,4-二硝二硝 基苯酚、基苯酚、缬氨霉素、短杆菌氨霉素、短杆菌肽等。等。 机制机制：呼吸链传递电子时泵出的：呼吸链传递电子时泵出的H H+ +不经不经ATP合酶的合酶的F0质子通道回流，而通过线质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回，破坏了跨膜粒体内膜中其他途径返回，破坏了
40、跨膜H H+ +梯度的形成。梯度的形成。目目 录录解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+ + H H+ + ADP+Pi ATP 目目 录录3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 直接干扰直接干扰ATP的形成，因偶联而抑的形成，因偶联而抑制电子传递。制电子传递。 代表是寡霉素。代表是寡霉素。 目目 录录 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止可阻止质子从子从F0质子通道回流，抑制子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模
41、式图目目 录录（二）（二）ADP、Pi与与ATP的调节作用的调节作用负负反反馈馈调调节节: 当当ATP高高时时，ADP、AMP下下降降，氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度减减慢慢，NADH堆堆积积，TCA循循环环速速度度减减慢慢，ATP合合成成降降低低；当当ATP低低时时，ADP、AMP升升高高，氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度加加快快，TCA循循环环速速度度加加快快，ATP合合成增加。成增加。 ADP/ATP是是限限制制氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度的的因因素素。通通过过ATP浓浓度度对对氧氧化化磷磷酸酸化化速速率率进进行调控的现象称为行调控的现象称为呼吸控制呼吸控制。目目 录录（三）甲状腺激素（激素的
42、调节）（三）甲状腺激素（激素的调节）激活激活Na+, K+ATP酶ADP氧化磷酸化氧化磷酸化； 诱导解偶解偶联蛋白基因表达增加蛋白基因表达增加耗氧及产热耗氧及产热 ；（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与与线粒体粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。电子传递链及氧化电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌磷酸化系统概貌H+ 跨膜跨膜质子子电化学化学梯度；梯度；H+m内膜基内膜基质侧H+；H+c 内内膜胞液膜胞液侧H+目目 录录目目 录录五、五、ATPATP的利用的利用GGTP磷酸肌酸激酶磷酸肌酸激酶目目 录录目目 录录wATPATP循环：循环： 也称细胞能量循环。指物质氧化分解时也称细胞能量循环。
43、指物质氧化分解时释放能量使释放能量使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP；而；而ATPATP水解释水解释能并放出一个磷酸基团后又变回能并放出一个磷酸基团后又变回ADPADP的不断循的不断循环反应过程。环反应过程。 ATPATP循环是生物体内能量转换的基本方式。循环是生物体内能量转换的基本方式。目目 录录第五节第五节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系目目 录录一、需氧脱氢酶和氧化酶一、需氧脱氢酶和氧化酶 目目 录录二、过氧化物酶体中的酶类二、过氧化物酶体中的酶类 （一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶(catalase)又称触又称触酶，其，其辅基含基含4 4个血个血红素素2H2O2 2H2O
44、+ O2 过氧化氧化氢酶 目目 录录O2 O2- H2O2 HO H2O+e +e +e +e+2H+ +H+ 超氧化阴离子超氧化阴离子H2O2对机体有双重作用：对机体有双重作用：参与参与 杀菌；参与生物合成；杀菌；参与生物合成； 是强氧化剂，对细胞有毒害作用是强氧化剂，对细胞有毒害作用目目 录录（二）过氧化物酶（二）过氧化物酶(perioxidase)以血以血红素素为辅基，催化基，催化H2O2直接氧化直接氧化酚酚类或胺或胺类化合物。化合物。 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物氧化物酶 过氧化物氧化物酶 目目 录录 谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶过氧
45、化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ * 此此类酶可保可保护生物膜及血生物膜及血红蛋白免遭蛋白免遭损伤 谷胱甘谷胱甘肽还原原酶 含硒的谷胱甘含硒的谷胱甘肽过氧化物氧化物酶目目 录录反反应氧族氧族超氧离子超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基自由基(OH)的的统称。称。 三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氧化氢酶SOD：超氧化物歧化超氧化物歧化酶酶 (superoxide dismutase)目目 录录四、微粒体中的酶类四、微粒体中的酶类 主要催化许多脂
46、溶性药物和毒物主要催化许多脂溶性药物和毒物的氧化，与体内正常代谢物的氧化也的氧化，与体内正常代谢物的氧化也有密切关系。有密切关系。 催化直接将氧加到底物分子上的催化直接将氧加到底物分子上的反应。反应。目目 录录（一）加单氧酶（一）加单氧酶(monoxygenase)催化在底物分子中加入催化在底物分子中加入1个氧原子，个氧原子，又称又称混合功能氧化混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或或羟化化酶(hydroxylase)。 反反应需要需要细胞色素胞色素P450 (Cyt P450)参与。参与。目目 录录* 催化的反催化的反应：RH + NADPH + H+ + O2 R
47、OH + NADP+ + H2O 目目 录录目目 录录（二）加双氧酶（二）加双氧酶 此此酶催化氧分子中的催化氧分子中的2个氧原子加到底个氧原子加到底物中物中带双双键的的2个碳原子上。个碳原子上。(O2) 色氨酸吡咯色氨酸吡咯酶反应通式：反应通式：R=R + O2 R=O + R=O目目 录录小小 结结目目 录录1.高能化合物、如何书写高能化合物、如何书写2.常见高能化合物的种类常见高能化合物的种类3.底物水平磷酸化、氧化水平磷酸化底物水平磷酸化、氧化水平磷酸化4.磷氧比（磷氧比（P/O）5.氧化磷酸化偶联部位或位点氧化磷酸化偶联部位或位点6.化学渗透假说的主要内容化学渗透假说的主要内容7.生物
48、氧化抑制剂的分类、举例生物氧化抑制剂的分类、举例8. ATP循环循环9.微粒体酶类与药物毒物代谢密切相关微粒体酶类与药物毒物代谢密切相关 目目 录录目目 录录ATP合酶结构模式图合酶结构模式图目目 录录F1由由33构构成成，(亚亚基基有有催催化化位位点点)。和和交交替替排排列列。贯贯穿穿复复合合体体(相相当当于于发发电电机机的的转转子子)，并并与与F0接接触触，帮帮助助与与F0结结合合。与与F0的的两两个个b亚亚基基形形成成固固定定复复合合体体的的结结构构(相相当当于于发发电电机的定子机的定子)。F0由由 ab2c12构构 成成 ，嵌嵌入入内内膜膜，12个个c亚亚基基形形成成环环形形结结构构，具具有有质质子子通通道道，可可使使质质子子由由膜膜间间隙隙流流回基质。回基质。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图
