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1、1第1页/共89页2第2页/共89页3 激素在医学上的应用 胰岛素Insulin 生长激素GH 生长激素抑制激素Somatostatin 生长激素释放肽GHRP-6 (His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2)Met-脑啡肽和Leu-脑啡肽 降钙素CT 降钙素基因相关肽 CGRP 褪黑色素激素melatonin 前列腺素prostaglandin,PG引产或人工流 产 第3页/共89页4 自学内容：植物激素植物激素(对植物生长、发育有控制作用的有机物)。昆虫激素昆虫激素(内激素；外激素)第4页/共89页5 动态生物化学动态生物化学 CHAPTER 8 ENERGY MET
2、ABOLISM NAD BIOLOGICAL OXIDATION第5页/共89页6 维持生命活动的能量来源主要有维持生命活动的能量来源主要有2个：个：Solar Energy 光能,太阳能：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。Chemical Energy化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的化学能的相当一部分转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。其余能量主要以热的形式释放，维持体温。第6页/共89页7 一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 1 1、概念概念 生物氧化生物氧化(
3、Biological oxidation)，组织或细胞呼吸，组织或细胞呼吸(Cellular resparation)，呼吸作用呼吸作用。有机物质（有机物质（Sugar,Lipid and Protein）在生物细胞内进行氧）在生物细胞内进行氧化分解而生成化分解而生成CO2+H2O+Energy的过程称为的过程称为生物氧化生物氧化。生物。生物氧化通常需要消耗氧。氧化通常需要消耗氧。2 2、生物氧化主要包括三方面的内容生物氧化主要包括三方面的内容生物氧化主要包括三方面的内容生物氧化主要包括三方面的内容 （1 1）细胞如何在）细胞如何在Enzyme的催化下将有机化合物中的的催化下将有机化合物中的C
4、变成变成CO2 CO2如何形成？如何形成？Decarboxylation脱脱羧反应羧反应第7页/共89页8 （2）在酶的作用下细胞怎样利用在酶的作用下细胞怎样利用分子氧分子氧将有机化合物中的将有机化合物中的H氧化成氧化成H2O H2O如何形成？如何形成？Electron transport chain(ETS)电子传递链电子传递链 （3）当有机物被氧化成）当有机物被氧化成CO2和和H2O时，释放的能量怎样转化时，释放的能量怎样转化成成ATP能量如何产生？能量如何产生？Substrate-level phospharylation底物水平磷酸底物水平磷酸化化 Oxydative phosphar
5、ylation氧化磷酸化氧化磷酸化第8页/共89页9二、生物氧化的方式和特二、生物氧化的方式和特点点 有机物的有机物的生物氧化生物氧化和在和在体外氧化（燃烧）体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和和H2O，所释放的能量，所释放的能量也相同。也相同。二者的本质相同，但进行的方式和历程却不同：二者的本质相同，但进行的方式和历程却不同：进行的方式和历程 Biooxidation（Combustion in vivo）Combustion in vitro1.细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件2.一系列
6、酶促反应 无催化剂3.逐步氧化放能，能量爆发释放 能量利用率高4.释放的能量转化 转换为光和热，散失 成ATP被利用第9页/共89页10 CO2生成的方式（CO2如何形成？）如何形成？）直接脱羧特异Decarboxylase(脱羧酶脱羧酶)作用，直接从底物脱去羧基。e.g.丙酮酸 乙醛 CO2 氧化（脱氢）脱羧 Pyruvate+CoASH+NAD+CH3COsCoA +CO2+NADH+H+丙酮酸乙酰CoA第10页/共89页11 三三、参加、参加呼吸的酶类呼吸的酶类 脱氢酶、氧化酶、传递体等。脱氢酶、氧化酶、传递体等。部位：部位：线粒体（主要），能线粒体（主要），能量量储存并利用储存并利用
7、微体等细胞器（次要），能量不能利用。微体等细胞器（次要），能量不能利用。（一）脱氢酶（一）脱氢酶（Dehydrogenase）作用：使代谢物的作用：使代谢物的H活化、脱落并传递给其它活化、脱落并传递给其它受氢体受氢体或中或中间间传递体传递体。第11页/共89页12 1 1、FAD or FMNFAD or FMN为辅酶或辅基的脱氢酶类为辅酶或辅基的脱氢酶类为辅酶或辅基的脱氢酶类为辅酶或辅基的脱氢酶类 （黄素酶）（黄素酶）（黄素酶）（黄素酶）受氢体的不同而分为2类 需氧黄（素）酶（需氧黄（素）酶（Aerobic flavoenzyme）氧为直接直接受氢体，2HO2 H2O2 S-2H FMN o
8、r FAD H2O2 S FMNH2 or FADH2 O2 （已氧化代谢物）e.g.Amino acid oxidase or Amino acid DHase-2H 2H-需氧黄酶第12页/共89页13 不需氧黄酶（不需氧黄酶（Anaerobic flavoenzyme）不是氧为直接受氢体，催化底物脱下的氢先传给中间传不是氧为直接受氢体，催化底物脱下的氢先传给中间传递体，再传给分子氧而生成水。递体，再传给分子氧而生成水。S-2H FMN or FAD 传递体传递体-2H O2 S FMNH2 传递体传递体 H2O or FADH2 e.g.Succinate DHase琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱
9、氢酶（FAD）Acyl CoA DHase脂肪酰脂肪酰CoA脱氢酶脱氢酶（FAD)2H-2H-2H-不需氧黄酶第13页/共89页14 2 2、NAD or NADPNAD or NADP为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶 （不需氧脱氢酶）（不需氧脱氢酶）（不需氧脱氢酶）（不需氧脱氢酶）S-2H NAD+or NADP+传递体传递体-2H O2 S NADH+H+or 传递体传递体 H2O NADPH+H+2H-2H-2H-不不需氧脱氢酶 第14页/共89页15 （二）氧化酶类（二）氧化酶类（Oxidases）以氧为直接受氢体的氧化还原酶类。S-2H 2Cu2+or 2Fe
10、3+O2-H2O(或者传递体2H)S 2Cu+or 2Fe2+O2 已氧化底物 (或者已氧化传递体)e.g.Cyt oxidase、Vc oxidase etc(含铜或铁的结合蛋白).（细胞色素氧化酶）（维生素C氧化酶）等 2e-2e-2H+第15页/共89页16 （三）加氧酶（三）加氧酶（Oxygenase，催化加氧反应）催化加氧反应）加单氧酶一个氧原子加到底物上加单氧酶一个氧原子加到底物上 双加氧酶两个氧原子分别加到底物双键的两个碳原子双加氧酶两个氧原子分别加到底物双键的两个碳原子上上 （四）传递体（四）传递体（Carrier）B.O过程中只起着中间传递氢或电子作用的物质。过程中只起着中间
11、传递氢或电子作用的物质。递氢体递氢体 递电子体递电子体第16页/共89页17 四四、线粒体氧化体系线粒体氧化体系 氧化体系：氧化体系：线粒体氧化体系线粒体氧化体系、微粒体氧化体系、过氧化、微粒体氧化体系、过氧化物体氧化体系、微生物和植物细胞中的多酚氧化酶体系、物体氧化体系、微生物和植物细胞中的多酚氧化酶体系、Vc氧化氧化酶体系等。酶体系等。线粒体内的细胞色素氧化酶体系（线粒体内的细胞色素氧化酶体系（线粒体氧化体系线粒体氧化体系）最重要最重要，是是生物氧化的主要场所。生物氧化的主要场所。第17页/共89页18 氧化呼吸链氧化呼吸链（Oxidative Respiratory Chain）或电子传
12、递链或电子传递链（Electron Transfer Chain）代谢物脱下的代谢物脱下的H是经由一系列是经由一系列H和电子传递体系和电子传递体系传传递给递给O2而生成而生成H2O，这一系列这一系列H和和e-传递体系称为传递体系称为.。它们都在线粒体内膜上。它们都在线粒体内膜上（Mitochondrion Membrane）。）。第18页/共89页19 1.1.呼吸链的组成成分呼吸链的组成成分 20多种，分为多种，分为5类：类：NAD or NADP为辅酶的不需氧脱氢酶为辅酶的不需氧脱氢酶 黄素酶（黄素酶（FMN or FAD）为辅酶的不需氧脱氢酶）为辅酶的不需氧脱氢酶 铁硫蛋白（铁硫中心）铁
13、硫蛋白（铁硫中心）传递电子传递电子 CoQ 递氢体递氢体 Cytochrome（细胞色素）（细胞色素）传递电子传递电子 含辅基铁卟啉的衍生物，在线粒体主要是含辅基铁卟啉的衍生物，在线粒体主要是Cyt a、b、c和和c1等几种，称为细胞色素体系。等几种，称为细胞色素体系。Cyt a3不是传递体，是氧化酶不是传递体，是氧化酶，叫细胞色素氧化酶，叫细胞色素氧化酶 (末端氧化酶末端氧化酶)以上是哺乳动物呼吸链，典型,其它呼吸链或成员不同或缺少某一部分，大同小异，顺序是一样的。其中，从FMN起始的又较多第19页/共89页20烟酰胺脱氢酶类 特特点点：以以NAD+或或NADP+为为辅辅酶酶，存存在在于于线
14、线粒粒体体、基质或胞液中。基质或胞液中。传递氢机理传递氢机理:NAD(P)+2H+2e NAD(P)H+H+第20页/共89页21黄素蛋白酶类 特点特点：以以FAD或或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别：黄素脱氢酶类（如黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶）氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第21页/共89页22铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e 特特点点
15、：含含有有Fe和和对对酸酸不不稳稳定定的的S原原子子，Fe和和S常常以以等等摩摩尔尔量量存存在在（Fe2S2,Fe4S4)，构构成成FeS中中心心，Fe与与蛋蛋白白质质分分子子中中的的4个个Cys残残基基的的巯巯基基与与蛋蛋白白质质相连结。相连结。第22页/共89页23CoQ 特点：带带有有聚聚异异戊戊二二烯烯侧侧链链的的苯苯醌醌，脂脂溶溶性性，位位于于膜膜双双脂脂层层中中，能能在在膜膜脂脂中中自自由由泳泳动动。+2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2H第23页/共89页24细胞色素 传递电子机理传递电子机理：+e +e Fe3+Fe2+Cu2+Cu+e e 特特点点：以以血血红红素素（he
16、me）为为辅辅基基，血血红红素素的的主主要要成成份为铁卟啉。份为铁卟啉。类类别别:根根据据吸吸收收光光谱谱分分成成a、b、c三三类类，呼呼吸吸链链中中含含5种种（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在在呼呼吸吸链链中中的的中中为为电电子子传传递递体体，a和和a3以以复复合合物物物物存存在在，称称细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶，其其分分子子中中除除含含Fe外外还还含含有有Cu，可可将将电子传递给氧，因此亦称其为电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶末端氧化酶。第24页/共89页25CoQ的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2第25页/共89页26铁硫蛋白的结构及递电子机理
17、S Fe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e第26页/共89页27细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e第27页/共89页282、呼吸链的电子传递顺序呼吸链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有2条呼条呼吸链吸链：FMN Fe-SCytb Fe-S Cytc1Cytaa3Fe-SFADH2NADH+H+CoQCytcO2 Succinate(琥珀酸琥珀酸)ADP+P
18、iADP+PiADP+PiATPATPATPNADH(第一条)呼吸链FADH2(第二条)呼吸链第28页/共89页29NADHNADH-Q还原酶还原酶Q细胞细胞色素色素还原还原酶酶细胞细胞色素色素 C细胞细胞色素色素氧化氧化酶酶O2琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶FADH2复合体复合体复合体复合体II复合体复合体III复合体复合体IV第29页/共89页30 H2O第30页/共89页31 氧化氧化呼吸呼吸链组链组分按分按氧化氧化还原还原电位电位从从低低到到高高排列排列第31页/共89页32呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第32页/共89页33NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
19、总反应总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦千焦mol-1总反应总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE =-296.50.82-(-0.18)=-193.0千焦千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化第33页/共89页34 五五、生物化学反应中的自由能变化生物化学反应中的自由能变化 自由能自由能指能用于做功的能指能用于做功的能 一个反应物质一个反应物质 A B，其，其A转化为转化为B时的所得到的最大的可利用的能量即自由能变化时的所得到的最大的可利用的能量即自由能变化（G）,可测。可
20、测。G=H TS G 0（负值负值，GB 0（正值正值，GB GA），反应过程吸能，不可能自发进行，只有输入所需的能量，），反应过程吸能，不可能自发进行，只有输入所需的能量，才能进行。其逆反应自发。才能进行。其逆反应自发。第34页/共89页35 以上两条，解决了化学反应能否按一定方向进行的问题以上两条，解决了化学反应能否按一定方向进行的问题 G 0（GB GA），），反应体系没有自由能变化，处于平衡状态，正逆反应均不可反应体系没有自由能变化，处于平衡状态，正逆反应均不可能进行。能进行。在细胞中的反应大多在pH=7左右，所以标准自由能变化G常因pH值的差异加以校正。因此，在pH7的条件下所测得的
21、自由能变化用Go表示。如果反应中既没有形成也没有消耗氢离子的话，则Go与pH无关，此时GoGo第35页/共89页36 例如：例如：磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶 G1P G6P 25oC pH=7.0 起始起始G-1-P=0.02mol/L，平衡时，平衡时G-1-P=0.001mol/L，求，求Go值？值？解：解：Go-RTln -1.364 lg Go-1.364 lg G-6-PBBAAG-1-P 0.0200.001 Go -1.364 lg =-7.32kj/mol 0.001第36页/共89页37 考虑到细胞内能量生成和能量利用系统时，考虑到细胞内能量生成和能量利用系统时，整个反应
22、途径中各个酶促反应的自由能变化具整个反应途径中各个酶促反应的自由能变化具有有加和性加和性，即在途径，即在途径ABCD中，总的自中，总的自由能变化：由能变化：Go Go+Go+Go 上述反应序列中某一酶促反应的自由能变化上述反应序列中某一酶促反应的自由能变化可能是正值，但只要自由能变化的可能是正值，但只要自由能变化的总和总和为为负值负值，则途径就能自发进行。则途径就能自发进行。A-DA-BB-CC-D第37页/共89页38 一系列反应的总和一系列反应的总和G0各个步骤各个步骤G0的总和。的总和。A B+C G0=+20.93 kJ/mol 不能自发进行不能自发进行 B D G0=33.49 kJ
23、/mol 热力学上可逆的热力学上可逆的 A C+D G0=12.56 kJ/mol 自发进行自发进行 可见，一个热力学上不利反应可为热力学上有利反应可见，一个热力学上不利反应可为热力学上有利反应所推动，上述反应通过共同中间产物所推动，上述反应通过共同中间产物B偶联起来。偶联起来。第38页/共89页39 能量学在生物化学应用中的一些规定：能量学在生物化学应用中的一些规定：在任何情况下，在一个稀的水溶液系统中，当有水作为底物或产物时，水的活度（近似浓度）规定为1 G 值是假设每个反应物和产物都能够解离。G 是以pH=7.0为基础 通常把标准状态的pH值规定为7.0 生化系统的标准自由能在过去用卡或
24、千卡表示。生化国际委员会建议今后用J 或 kJmol-1。1卡4.184 J,1千卡=4.184 kJ第39页/共89页40 氧化还原电位与自由能变化 G0-nFE0 当某一反应G0 0 或 E0 0 该反应能自发进行 G0负值越大，E0正值越大 该自发进行的倾向也越大第40页/共89页41 高能键的含义高能键的含义：含有化学键的高能化合物经：含有化学键的高能化合物经水解或基团转移反应可放出的大量自由能水解或基团转移反应可放出的大量自由能（G为为负值负值）。）。高能化合物高能化合物生物化学反应中能放出大量自生物化学反应中能放出大量自由能的化合物。所释放的能量由能的化合物。所释放的能量ATP水解
25、成水解成ADP所释放的能量所释放的能量（20.9Kj/mol)。高能磷酸化合物高能磷酸化合物多为多为酸酐酸酐 低能磷酸化合物低能磷酸化合物多为多为磷酸酯磷酸酯 六、高能磷酸键的生成机理六、高能磷酸键的生成机理第41页/共89页42 能量的来源能量的来源：氧化磷酸化，物质氧化过程中释放的化氧化磷酸化，物质氧化过程中释放的化学能，是生物共有的学能，是生物共有的ATP生成途径。生成途径。光合磷酸化，光合植物和某些自养生物光合磷酸化，光合植物和某些自养生物所特有的所特有的ATP生成途径，是利用太阳光将生成途径，是利用太阳光将ADPATP。第42页/共89页43 氧化磷酸化氧化磷酸化（呼吸链磷酸化呼吸链
26、磷酸化）代谢物氧化）代谢物氧化（脱氢）时释放出来的化学能供给（脱氢）时释放出来的化学能供给ADP和和Pi反反应而生成应而生成ATP的过程。的过程。呼吸链磷酸化呼吸链磷酸化（需要分子氧参加）（需要分子氧参加）氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化（不直接需要分子氧（不直接需要分子氧参加）参加）（一）（一）Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用第43页/共89页44 氢从底物上脱下，并进入呼吸链。生成的高能氢从底物上脱下，并进入呼吸链。生成的高能键最键最多，是有机体生理活动的能量主要来源。多，是有机体生理活动的能量主要来源。离体实验：代谢物每脱
27、下离体实验：代谢物每脱下2个氢，经呼吸链传递个氢，经呼吸链传递给给氧生成水，要消耗氧生成水，要消耗3/2.5分子分子Pi，生成，生成3/2.5分子分子ATP。P/O值值3/2.5（测定线粒体（测定线粒体ATP的生成的生成量）量）P/O比值比值指应用某一物质作为呼吸底物，消耗指应用某一物质作为呼吸底物，消耗1摩摩尔氧时，有多少摩尔无机磷转化为有机磷，可反映尔氧时，有多少摩尔无机磷转化为有机磷，可反映氧氧化磷酸化的效率。化磷酸化的效率。呼吸链中初步确定有呼吸链中初步确定有3个部位可生成个部位可生成ATP。1、呼吸链磷酸化（最重要）呼吸链磷酸化（最重要）第44页/共89页45 如果代谢物脱下的氢不是
28、经过整个呼吸链，如果代谢物脱下的氢不是经过整个呼吸链，而是从中间插入，则不能生成而是从中间插入，则不能生成3/2.5个个ATP。例如：例如：琥珀酸脱氢经过呼吸链时从琥珀酸脱氢经过呼吸链时从CoQ处插入，只处插入，只能生成能生成2/1.5个个ATP（P/O=2/1.5）。）。能使能使Cyt C还原的还原剂（如还原的还原剂（如Vc的氧化），的氧化），P/O=1（1个个ATP）。）。第45页/共89页46磷氧比（P/O）呼呼吸吸过过程程中中无无机机磷磷酸酸（P Pi i）消消耗耗量量和和分分子子氧氧（O O2 2）消消耗耗量量的的比比值值称称为为磷磷氧氧比比。由由于于在在氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程
29、中中，每每传传递递一一对对电电子子消消耗耗一一个个氧氧原原子子，而而每每生生成成一一分分子子ATPATP消消耗耗一一分分子子P Pi i ，因因此此P/O的的数数值值相相当当于于一一对对电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递至分子氧所产生的至分子氧所产生的ATPATP分子数。分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例例 实测得实测得NADH呼吸链呼吸链：P/O 3/2.5ADP+Pi ATP实测得实测得FADH2呼吸链呼吸链：P/O 2/1.5O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP第46页/共89页47FMN Fe-SCytb Fe
30、-S Cytc1Cytaa3Fe-SFADH2NADH+H+CoQCytcO2Succinate(琥珀酸琥珀酸)ADP+PiADP+PiADP+PiATPATPATP第47页/共89页48四个线粒体内膜电子传递的酶复合体：第48页/共89页49 2、Substrate level phosphorylation底物磷酸化（底物水平的磷酸化）底物磷酸化（底物水平的磷酸化）高能磷酸键没有氧参加，只是底物脱氢（氧化）及其分子内部所含能量重新分布，即可生成高能磷酸键。第49页/共89页50（二）（二）Non-oxidative phosphorylation 非氧化磷酸化非氧化磷酸化 （既没有脱氢，也
31、没有氧参加）（既没有脱氢，也没有氧参加）高能磷酸键第50页/共89页51氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理呼吸链中的电子传递是如何推动呼吸链中的电子传递是如何推动ADP磷酸化形磷酸化形成成ATP的的比较著名的假说有比较著名的假说有3个：个：化学偶联假说化学偶联假说 构象偶联假说构象偶联假说 化学渗透学说化学渗透学说目前得到公认的是目前得到公认的是“化学渗透学说化学渗透学说”。？第51页/共89页52 氧化磷酸化机理氧化磷酸化机理 化 学 渗 透 学 说 P.Mitchell,1961年，该年，该学说认为：在电子传递过学说认为：在电子传递过程中，氧化所释放的能量程中，氧化所释放的能量用于驱动用于驱
32、动H+从基质到胞从基质到胞液中，就形成了膜外的高液中，就形成了膜外的高H+梯度和高电位梯度，梯度和高电位梯度，这种高梯度所蕴藏的能量这种高梯度所蕴藏的能量在在H+通过通过F0-F1-ATP酶复酶复合体而回到基质的过程中，合体而回到基质的过程中，用来驱动用来驱动ADP+Pi ATP，每对，每对e-可驱赶可驱赶6个个H+出出膜，每膜，每2H+入膜可产生入膜可产生1个个ATP。共。共3个个ATP。基质胞液第52页/共89页53化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+_ _ _ _ _ _ _ _
33、_ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 第53页/共89页54内内膜膜对对质质子子不不具具有有通通透透性性，这这样样在在内内膜膜两两侧侧形形成成质质子子浓浓度度梯梯度度，这这就就是是推推动动ATPATP合合成成的原动力；的原动力；第54页/共89页55 F1：球球形形头头部部，伸伸入入线线粒粒体体基基质质，由由5种种亚亚基基组组成成a3b3,是是ATP合合酶酶的的催化部分；催化部分；F0:横横贯贯线线粒粒体体内内膜膜，含含有有质质子子通通道道，由由10多多种种亚亚基基组组成成。位位于于F1与与F0之之间间的的柄柄含含有有寡寡霉霉素素敏敏感性蛋白。感性蛋白。F1-F0-AT
34、Pase复合物复合物第55页/共89页56ADP+PiADP+PiProten Proten FluxFluxHH2 2OO HH+ATP酶作用机理第56页/共89页57 生物大分子不能通过线粒体膜，在线粒体外部生物大分子不能通过线粒体膜，在线粒体外部分分氧化成小分子，再进入线粒体被彻底氧化。氧化成小分子，再进入线粒体被彻底氧化。物质在胞液中氧化时，产生的物质在胞液中氧化时，产生的NADH和和NADPH大大多用于物质的多用于物质的合成合成代谢。代谢。NAD和和NADP也可进入线粒体和呼吸链，但线也可进入线粒体和呼吸链，但线粒粒 体膜上无相应体膜上无相应NAD和和NADP载体，载体，则必须经则必
35、须经过叫过叫穿梭机制穿梭机制。线粒体外的氧化磷酸化线粒体外的氧化磷酸化 (穿梭作用实现线粒体与胞浆间的能量传递穿梭作用实现线粒体与胞浆间的能量传递)第57页/共89页58 穿梭机制穿梭机制 异柠檬酸穿梭（异柠檬酸穿梭（Isocitrate Shuttle）磷酸甘油穿梭（磷酸甘油穿梭（Phosphoglycerol Shuttle）苹果酸穿梭苹果酸穿梭（Malate Shuttle）第58页/共89页59 1.异柠檬酸穿梭（异柠檬酸穿梭（Isocitrate Shuttle）2种异柠檬酸脱氢酶：种异柠檬酸脱氢酶：Isocitrate DHase（NAD，Mit）Isocitrate DHase（
36、NADP，Cyt）第59页/共89页60三羧酸载体三羧酸载体二羧酸载体二羧酸载体胞液胞液 NADPH线粒体线粒体NADH，产生，产生3/2.5个个ATP异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸Isocitrate Shuttle第60页/共89页61 期中生化测试 测试范围：生化静态部分地点：综合楼B404时间：11月21日（星期六）9:00-11:30第61页/共89页62 -Phosphoglycerol DHase （NAD，线粒体外），线粒体外）-Phosphoglycerol DHase （FAD，线粒体内，不需氧），线粒体内，不需氧）2.磷酸甘油穿梭（磷酸甘油穿梭（Phosphoglyce
37、rol Shuttle）第62页/共89页63-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）胞液胞液 NADH线粒体线粒体FADH，产生，产生2/1.5个个ATP第63页/共89页64苹果酸脱氢酶 Malate Dehydrogenase（NAD，线粒体内外均有），线粒体内外均有）3.苹果酸穿梭苹果酸穿梭（Malate Shuttle）NADH(线粒体外线粒体外)NADH(线粒体内线粒体内
38、),产生产生3/2.5ATP 第64页/共89页65苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液细胞液线粒体内膜体线粒体内膜体Asp-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸Glu-酮戊二酸酮戊二酸Asp苹果酸苹果酸GluNADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链第65页/共89页66 异柠檬酸穿梭异柠檬酸穿梭 （NADPHNADH）3/2.5ATP磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 （NADH FADH）2/1.5ATP苹果酸穿梭苹果酸
39、穿梭 （NADH NADH）3/2.5ATP第66页/共89页67七、高能磷酸键的储存和利用七、高能磷酸键的储存和利用 焦磷酸的酯 e.g:ATP、GTP、CTP、UTP、NDP 酰基的磷酸酯 e.g：1,3-二P甘油酸、乙酰-P、氨甲酰-P、酰基腺苷酸、氨酰腺苷酸 烯醇式的磷酸酯 e.g：磷酸烯醇式丙酮酸第67页/共89页68 硫代酯硫代酯 e.g:酰基酰基CoA 磷酸胍磷酸胍 磷酸肌酸磷酸肌酸（脊椎动物（脊椎动物肌肉组织肌肉组织）34倍倍ATP、e.g：磷酸精氨酸：磷酸精氨酸 甲硫键化合物甲硫键化合物 e.g：S腺苷腺苷Met为典型高能磷酸化合物。为典型高能磷酸化合物。体内能量载体，能量通
40、货。上转下递，但不是体内能量载体，能量通货。上转下递，但不是贮库贮库第68页/共89页69高能化合物类型第69页/共89页70ATP在能量的捕获、转移、在能量的捕获、转移、储存和利用过程中起核心作用储存和利用过程中起核心作用ATP末端磷酸键水解释放的能量处于各种磷酸化合物磷酸键水解释放能量的中间位置 在细胞中ATP和ADP的全部磷酸基团都处于解离状态而成为多电荷负离子形式，即ATP4-和ADP3-。在活细胞内，pH比标准pH高一些。在各种因素影响下，ATP水解释放的自由能可达到-52.3kJ/mol。第70页/共89页71腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+M
41、g2+ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJmol-1ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJmol-1第71页/共89页72 ATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油磷酸甘油酸磷酸酸磷酸 磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油磷酸甘油 ATP将热力学上不利的过程和有利的反应相偶联 体内许多代谢物的“活化”-吸能反应
42、大多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相偶联，使“活化”反应顺利进行。第72页/共89页73 腺苷酸激酶催化腺嘌呤核苷酸之间相互转化 ATP+AMP 2ADP 大多数细胞中核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成 ATP+UDP ADP+UTP ATP+CDP ADP+CTP ATP+GDP ADP+GTP Adenylate kinase第73页/共89页74 ATP水解释放的自由能可被机体各种生命活动利用 如大分子的合成、主动跨膜转运、肌肉收缩、细胞信号转导、产生生物电等。Oxidative PhosphorylationSubstrate level phosphorylati
43、onpATP磷酸磷酸肌酸肌酸ADP肌酸肌酸机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）渗透能（物质主动运输）渗透能（物质主动运输）化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）电能（生物电）电能（生物电）热能（维持体温）热能（维持体温）第74页/共89页75 磷酸肌酸磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式 Creatine phosphate,CP存在于骨骼肌、心肌和脑中，当ATP迅速消耗时，磷酸肌酸可将 转移给ADP生成ATP来补充ATP的不足；当ATP充足，转移末端 给肌酸，使磷酸肌酸含量增加。NH3C-N ppHC=NHCH2 COO-pADP ATP NH3C-N C=NHH2 COO-CH2 COO-
44、高能磷酸在高能磷酸在ATP和肌酸之间转移和肌酸之间转移第75页/共89页76Oxidative PhosphorylationSubstrate level phosphorylationpATPADP肌酸肌酸磷酸磷酸肌酸肌酸机械能（肌肉收缩）机械能（肌肉收缩）渗透能（物质主动运输）渗透能（物质主动运输）化学能（合成代谢）化学能（合成代谢）电能（生物电）电能（生物电）热能（维持体温）热能（维持体温）第76页/共89页77八、一些因素影响氧化磷酸化的进行八、一些因素影响氧化磷酸化的进行1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂阻断氧化呼吸链的电子传递阻断氧化呼吸链的电子传递2.解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化过
45、程脱离使氧化与磷酸化过程脱离 3.ATP合成酶抑制剂合成酶抑制剂对电子传递及对电子传递及ADP磷磷 酸化均有抑制作用酸化均有抑制作用第77页/共89页78 概念：概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为质称为电子传递抑制剂电子传递抑制剂。呼吸链抑制剂造成细胞不能利呼吸链抑制剂造成细胞不能利用用O2,呼吸停止呼吸停止，供能物质不能释放能量生成，供能物质不能释放能量生成ATP，造成生命活，造成生命活动停止，机体迅速死亡。动停止，机体迅速死亡。1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂阻断氧化呼吸链的电子传递阻断氧化呼吸链的电子传递第78页/共89页79（1）鱼藤酮、安密妥
46、、杀粉蝶菌素：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子在阻断电子在NADH-Q还原酶还原酶内的传递，所以阻断了电内的传递，所以阻断了电子由子由NADH向向CoQ的传递。的传递。（2）抗霉素抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递，所上的传递，所以阻断电子由以阻断电子由QH2向向cytC1的传递。的传递。（3）氰化物（氰化物（CN-）、硫化氢（）、硫化氢（H2S）、叠氮化物）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（）、一氧化碳（CO）等：）等：阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递
47、向分子氧的传递。第79页/共89页80O2NADH NADH-Q还原酶还原酶被鱼藤酮、安密妥、杀蝶素被鱼藤酮、安密妥、杀蝶素A抑制抑制CoQCytbCytc1CytcCytaa3被氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物抑制被氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物抑制被抗霉素被抗霉素A抑制抑制电子传递抑制剂及作用部位第80页/共89页812.解偶联剂使氧化与磷酸化过程脱离解偶联剂使氧化与磷酸化过程脱离 解偶联剂：解偶联剂：破破坏坏呼呼吸吸链链传传递递电电子子过过程程中中建建立立的的内内膜膜内内外外的的质质子子梯梯度度，使使质质子子电电化化学学梯梯度度储储存存的的能能量量以以热热能能形形式式释释放放，
48、使使ATP不不能能合合成成。它它们们既既不不作作用用于于电电子子传传递递体体，也也不不作作用用于于ATP合合酶酶复复合合体体，只只消消除除电电子子传传递递与与磷磷酸酸化化的的偶偶联联，所所以以称称为为解偶联剂解偶联剂。最常见的解偶联剂是最常见的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP)。第81页/共89页82解偶联剂作用机制 H膜内外电化学梯度电子传递使H跨膜转移H经ATP合酶的F0 0 单元回流ATP合成H经从其它途径回流能量以热能散失，不能合成ATP常见的解偶联剂包括：2,4二硝基苯酚，解偶联蛋白。第82页/共89页83 这这类类化化合合物物直直接接作作用用于于ATP合合酶酶复复合合
49、体体，从从而而抑抑制制ATP的合成。的合成。它它们们使使膜膜外外质质子子不不能能通通过过ATP合合酶酶复复合合体体返返回回膜膜内内，使使膜膜内内质质子子继继续续泵泵出出到到膜膜外外显显然然越越来来越越困困难难，最最后后不不得得不不停停止止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。寡寡霉霉素素属属于于此此类类抑抑制制剂剂，它它与与F0的的一一个个亚亚基基结结合合而抑制而抑制F1。3.ATP合成酶抑制剂对电子传递及合成酶抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用磷酸化均有抑制作用第83页/共89页84 F1：球球形形头头部部，伸伸入入线线粒粒
50、体体基基质质，由由五五种种亚亚基基组组成成a3b3,是是ATP合合酶的催化部分；酶的催化部分；F0:横横贯贯线线粒粒体体内内膜膜，含含有有质质子子通通道道，由由十十多多种种亚亚基基组组成成。位位于于F1与与F0之之间间的的柄柄含含有有寡寡霉霉素素敏敏感性蛋白感性蛋白。F1-F0-ATPase复合物复合物第84页/共89页85如：寡霉素与Fo单元的亚基结合阻止H+从Fo单元回流抑制ATP合成H+电化学梯度异常增高抑制磷酸化过程抑制电子传递的氧化过程第85页/共89页86第86页/共89页87学习目的：学习目的：熟悉氧化与还原反应是如何通过电子传递熟悉氧化与还原反应是如何通过电子传递链偶联的。质子