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1、关于生物氧化(9)第1页，讲稿共95张，创作于星期二生物氧化:有机分子在细胞内彻底氧化成CO2和H2O，并释放能量的过程（体内氧化）。又称细胞呼吸、组织呼吸。生物氧化释放的能量：主要（40以上）用于ADP的磷酸化生成ATP，供生命活动之需;其余以热能形式散发用于维持体温。第2页，讲稿共95张，创作于星期二生物氧化内容1）生物体内代谢物的氧化作用、代谢物脱下的氢与氧结合成水。2）生物体内二氧化碳的生成。3）能量的释放、储存、利用（ATP的代谢）。第3页，讲稿共95张，创作于星期二生物氧化的特点在温和条件下经一系列酶催化下完成；能量逐步释放，部分储存于ATP分子中；广泛以加水脱氢方式使物质间接获氧
2、；CO2由有机酸脱羧方式产生；脱下的氢通过递氢体传递再与氧结合生成水。第4页，讲稿共95张，创作于星期二一、氧化还原电势（复习）一、氧化还原电势（复习）二、电子传递和氧化呼吸链二、电子传递和氧化呼吸链三、氧化磷酸化作用三、氧化磷酸化作用第5页，讲稿共95张，创作于星期二一、氧化还原电势一、氧化还原电势（物质得失电子的能力）（物质得失电子的能力）第6页，讲稿共95张，创作于星期二CuCu+ZnZn+阳极阳极：Zn+/Zn（氧（氧-还对）还对）Zn Zn+e（氧化）（氧化）电池负极：氧化电池负极：氧化-还原电势低还原电势低eeeeeee电流方向电流方向(规定从正极流向负极）规定从正极流向负极）阴极
3、：阴极：Cu+/Cu（氧（氧-还对）还对）Cu+e Cu（还原）（还原）电池正极：氧化电池正极：氧化-还原电势高还原电势高+-原电池原电池物质氧化物质氧化/还原还原态组成电极；态组成电极；两个电极组成两个电极组成回路回路原电原电池。池。第7页，讲稿共95张，创作于星期二氧化氧化-还原反应还原反应:电子从一种物质传递到另一种物电子从一种物质传递到另一种物质的化学反应质的化学反应.还原剂还原剂:电子供体电子供体;物质失电子即变为氧化型物质失电子即变为氧化型.(还原剂自身被氧化)氧化剂氧化剂:电子受体电子受体;物质得电子即变为还原型物质得电子即变为还原型.(氧化剂自身被还原)1.1 氧化-还原反应的
4、基本概念第8页，讲稿共95张，创作于星期二氧化氧化-还原对还原对:氧化剂与相应的还原剂偶联氧化剂与相应的还原剂偶联.氧化氧化-还原电势还原电势:还原剂失掉电子还原剂失掉电子/氧化剂得到电子的氧化剂得到电子的倾向倾向.电池正极、负极电池正极、负极：电极电势高电极电势高正极正极，易得电子，易得电子 电极电势低电极电势低负极负极，易失电子，易失电子A+e A-,A/A-即构成氧即构成氧-还对（电极）还对（电极）电子从负极流向正极，而电流则相反。电子从负极流向正极，而电流则相反。第9页，讲稿共95张，创作于星期二Nernst equation:E E为电极势，为电极势，E E0 0为标准电极势，为标准
5、电极势，R R为气体常数，为气体常数，T T为绝对温度（为绝对温度（K)K)，n n为电极价数变化，为电极价数变化，F F为法拉第常数。为法拉第常数。标准状态：标准状态：1 1 大气压，大气压，2525，各物质活度为，各物质活度为1 1标准氢电极：标准氢电极：P P=1,T=298K=1,T=298K，HH+=1=1（规定：（规定：E E0 H0 H+/H/H2 2 =0)=0)E=E0+RT/nF F ln还原态还原态电子受体电子受体a/氧化态氧化态电子供体电子供体b1.2 氧化-还原反应的电极电动势第10页，讲稿共95张，创作于星期二标准氧化还原电势参加氧化还原反应的每种物质都有氧化型和还
6、原型两种形式：AH2+B A+BH2A/AH2或B/BH2构成各自的氧-还对,其供出电子趋势的大小，用标准氧化还原电势E0(电极与标准氢电极构成原电池的电池电动势)来表示E0越小，氧还对越倾向失去电子；E0越大，氧还对越倾向得到电子。p117电子流动方向总是由电负性较强电子流动方向总是由电负性较强(低）的氧还对流低）的氧还对流向具有更强电正性（高）的氧还向具有更强电正性（高）的氧还对对。第11页，讲稿共95张，创作于星期二生物体中某些氧还对的标准氧化还原电势(表24-1)电电子子流流动动方方向向第12页，讲稿共95张，创作于星期二分子之间的电子传递的四种形式 电子直接转移（金属离子）H原子（一
7、个电子加一个质子）氢负离子（两个电子）与氧共价结合(碳氢化合物)第13页，讲稿共95张，创作于星期二1.3 电势与自由能及Keq的关系-Wmax =G0=-nFE0=-2.303RT lgKeq细胞内离子梯度细胞内离子梯度电势差电势差反应推动力反应推动力E0=2.303RT/nF lgKeq第14页，讲稿共95张，创作于星期二二、电子传递和氧化呼吸链二、电子传递和氧化呼吸链2.1 呼吸链的组成呼吸链的组成2.2 呼吸链的类型呼吸链的类型2.3 各种组分的排列各种组分的排列2.4 呼吸链各个成员呼吸链各个成员第15页，讲稿共95张，创作于星期二线粒体线粒体细胞的动力站细胞的动力站真核细胞生物氧化
8、过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着真核细胞生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着许多的酶和电子传递体，构成两种类型的呼吸链。内膜上结合的颗许多的酶和电子传递体，构成两种类型的呼吸链。内膜上结合的颗粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有粒（内膜粒子，或称基粒、三分体等）具有ATPATP合酶的活性，称合酶的活性，称F Fo oF F1 1ATPaseATPase。原核细胞则在质膜上。原核细胞则在质膜上。第16页，讲稿共95张，创作于星期二呼吸链（呼吸链（respiratory chain）：）：代谢物脱下的氢原子由高能递氢体携带，通过多种酶代谢物脱下的氢原子由高能递氢体携带，通
9、过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水并伴随大量成水并伴随大量ATPATP产生。这一电子产生。这一电子/质子传递链及过质子传递链及过程称为程称为呼吸链,又叫又叫电子传递链。伴随着电子伴随着电子/质子传递的氧化还原反应过程而发生的质子传递的氧化还原反应过程而发生的ATPATP产生产生,称为称为氧化磷酸化作用。呼吸链呼吸链由按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢体和递由按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢体和递电子体组成。电子体组成。特征：由头至尾电极电势特征：由头至尾电极电势 低低 高依次排列高依次排列第17页，讲稿共95张，创作于星期
10、二复合体复合体：NADH-Q还原酶还原酶复合体复合体：琥珀酸：琥珀酸-Q还原酶还原酶复合体复合体：细胞色素还原酶：细胞色素还原酶复合体复合体：细胞色素氧化酶：细胞色素氧化酶复合体复合体V：ATP合酶（氧合酶（氧-磷）磷）辅酶辅酶Q（泛醌，（泛醌，CoQ）细胞色素细胞色素c（cyt c）2.1 2.1 呼吸链的酶复合体与小分子成分组成呼吸链的酶复合体与小分子成分组成低低高高E0P 120 表表 24-2,在线粒体内膜上交错排列在线粒体内膜上交错排列辅因子辅因子黄素类黄素类铁硫簇铁硫簇卟啉类卟啉类铜离子铜离子名称名称 酶功能酶功能大大型型蛋蛋白白复复合合体体亚基亚基43 411X213 8第18页
11、，讲稿共95张，创作于星期二2.2 2.2 呼吸链的排列与种类呼吸链的排列与种类线粒体膜间隙线粒体膜间隙(P)线粒体基质线粒体基质琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FDAH2(N)呼吸链化学变化起始物：呼吸链化学变化起始物：NADH或或FADH2；ADP；O2；Pi呼吸链化学变化终止物：呼吸链化学变化终止物：NAD，FAD；ATP；H2O第19页，讲稿共95张，创作于星期二2.2.1 NADH氧化呼吸链：NADH+H+O2 NAD+H2O （反应经呼吸链而完成反应经呼吸链而完成）G0=-220.07 kJ/mol复合物复合物I I （NADH-CoQ NADH-CoQ 还原酶，含还原酶，含FMNFMN，
12、Fe-SFe-S）CoQCoQ（泛醌）（泛醌）复合物复合物IIIIII（CoQ-Q-细胞色素细胞色素c c还原酶，含还原酶，含CytbCytb562562、CytbCytb566566，Fe-SFe-S，CytcCytc1 1）细胞色素细胞色素c c复合物复合物IV IV（细胞色素细胞色素c c氧化酶，氧化酶，Cyta,aCyta,a3 3，含，含CuCuA A、CuCuB B）第20页，讲稿共95张，创作于星期二e FMN Fe-S CoQ cyt c CuA cyt a cyt a3 CuB O2 Fe-S cyt c1 cytb566cytb562 复合物I复合物III复合物IV第21页
13、，讲稿共95张，创作于星期二2.2.2 FADH2氧化呼吸链：FDAH2+O2=FAD+H2O G0=-181.58 kJ/mol复合物复合物IIII（琥珀酸（琥珀酸-Q-Q 还原酶，含还原酶，含FADFAD、Fe-SFe-S，Cytb560Cytb560）CoQCoQ复合物复合物IIIIII（同（同 NADH NADH 呼吸链）呼吸链）CytcCytc复合物复合物IVIV（同（同 NADH NADH 呼吸链）呼吸链）第22页，讲稿共95张，创作于星期二2.3 呼吸链成分的排列顺序与电极电势1.根据各组分的E0从低到高排列 电位越低越容易失去电子（图24-3、表24-1）。2.在体外将呼吸链拆
14、开重组3.利用呼吸链特异抑制剂阻断电子传递阻断部位之前组分处于还原状态，后面的组分处氧化状态，根据吸收光谱的改变可检测。4.以离体线粒体的还原态（无氧）对照 缓慢给氧，通过光谱观察各组分的氧化顺序。第23页，讲稿共95张，创作于星期二红色标示红色标示为两种呼为两种呼吸链起始吸链起始物质。物质。蓝色标蓝色标示为呼示为呼吸链最吸链最终产物终产物黄橙色标黄橙色标示为中间示为中间代谢产物代谢产物第24页，讲稿共95张，创作于星期二NADH 携带的电子通过复合体I,进入氧化呼吸链,递出电子和质子,经过泛醌,依次传递到复合体III 细胞色素bc1,最后传给复合体IV，交给分子氧生成水；泵出H+,经复合体V
15、回流，推动ATP产生。呼吸链各组分按电极电势由低到高排列呼吸链各组分按电极电势由低到高排列第25页，讲稿共95张，创作于星期二2.4 电子传递链的各个组分及其工作机制高能的电子与质子，时分时合，同向相伴传递。一些复合体不高能的电子与质子，时分时合，同向相伴传递。一些复合体不仅传递电子而且是质子泵。仅传递电子而且是质子泵。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 H+H+H+P 胞液侧胞液侧 N 基质侧基质侧+-FADFADH H2 2FADFADCoQ/CoQCoQ/CoQH H2 2cytccytco
16、o/cytc/cytcrr第26页，讲稿共95张，创作于星期二 氧还对NAD/NADH的E0=-0.315 V 氧还对CoQ/CoQ2的E0=+0.045 V复合体I：将电子从NADH传给CoQ铁硫蛋白，Fe-S为辅基。复合体I中含有43 亚基黄素蛋白，FMN为辅基；电池电动势：电池电动势：0.36 V （见（见P121)反应：NADH+H+CoQ NAD+CoQH2 底物酶I酶I第27页，讲稿共95张，创作于星期二复习：复习：CoI 与与CoII注意：在其它代谢途径中脱氢产生的NADH+H+或FADH2，是氧化呼吸链代谢途径中的起始反应物质。第28页，讲稿共95张，创作于星期二复习：复习：黄
17、素腺嘌呤单核苷酸黄素腺嘌呤单核苷酸第29页，讲稿共95张，创作于星期二铁硫蛋白与铁硫中心（Fe-S）铁硫蛋白是含硫的非血红素铁蛋白，也称铁硫中心或铁硫聚簇，这类蛋白质借助Fe化学价的变化（Fe+/Fe+）传递电子。Fe-S含有不等量的铁原子和硫原子；通过铁原子与铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的硫相连；其铁原子可进行氧化还原反应传递电子。特征：第30页，讲稿共95张，创作于星期二常见的几种铁硫蛋白Fe单质单质S氨基酸氨基酸S第31页，讲稿共95张，创作于星期二NADH-QNADH-Q还原酶还原酶促使NADH的高能电子/质子转移到辅酶FMN上然后发生电子与质子的分离，e传递给系列Fe-S聚簇，而H+被泵
18、出线粒体内膜外。NADH +H+FMN FMNH2+NAD+NADH-QNADH-Q还原酶还原酶是电子传递链的第一个质子泵。整体构型为L-型，部分游离于线粒体基质，部分嵌入线粒体内膜。Fe-S聚簇蛋白（至少6个）从FMNH2接受电子继续将其传递给CoQ，接受电子的CoQ-再从基质（N面）接受H+成为还原型CoQH2。复合体复合体I I 中发生的反应中发生的反应 Fe-S（酶内部）eH+线粒体膜间隙CoQ第32页，讲稿共95张，创作于星期二NADH+5H+N+CoQ NAD+CoQH2+4H+PN面P面 G0=-69.5 kJ/mol第33页，讲稿共95张，创作于星期二FADHFADH2 2FA
19、DFAD琥珀酸脱氢酶复合体II：将电子从FADH2传给CoQ氧还对FAD/FADH2的E0=-0.18 V氧还对CoQ/CoQH2的E0=+0.045 VFAD辅基共价连接铁硫簇（Fe-S）辅基 琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶 其它来源其它来源中中介介 G0=-36.7 kJ/mol第34页，讲稿共95张，创作于星期二琥珀酸脱氢酶：复习三羧酸循化琥珀酸脱氢酶：复习三羧酸循化Fe-S 聚簇：聚簇：2Fe-2S，3Fe-3S，4Fe-4S琥珀酸脱氢酶为四亚基酶，辅酶中的FAD将底物中的H脱离，传递给Fe-S聚簇，然后再传递给CoQ。此复合物没有质子泵作用此复合物没有质子泵作用。其他代谢途径中脱氢酶中
20、的FAD将底物中的H脱离，通过其他氧化还原酶途径将H传递给CoQ。第35页，讲稿共95张，创作于星期二线粒体内膜线粒体内膜线粒体基质线粒体基质琥珀酸脱氢酶有4个亚基（各色所示），多个铁硫中心琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸FADH2CoQCoQH2第36页，讲稿共95张，创作于星期二一种脂溶性醌类化合物，可以在生物膜内移动含有一个较长的侧链（R），疏水性强（人的CoQ由10个异戊二烯单位组成，故称为CoQ10）可以接受或脱去电子和质子参加氧化还原反应;将电子从复合体将电子从复合体I I或或IIII转移到复合体转移到复合体IIIIII。辅酶辅酶Q Q（CoQ,UQ,CoQ,UQ,泛醌）泛醌）第37页
21、，讲稿共95张，创作于星期二CoQ:呼吸链递氢递呼吸链递氢递电子体。需要两个电子体。需要两个电子和两个质子，电子和两个质子，通过两步反应才能通过两步反应才能彻底还原。处于电彻底还原。处于电子传递链的中心地子传递链的中心地位。位。电子来自复合体电子来自复合体I或或的的Fe-S中心，而中心，而（一般理解为）质子（一般理解为）质子来自线粒体基质。来自线粒体基质。氧化型CoQ半醌型CoQ还原型CoQ辅酶辅酶Q的氧化的氧化-还原还原第38页，讲稿共95张，创作于星期二复合体复合体 III:III:将电子从将电子从 CoQHCoQH2 2 传给细胞色素传给细胞色素c c 细胞色素细胞色素 c 还原酶还原酶
22、Cyt b（bL,bH）；Cyt c1 Fe-S聚簇（有聚簇（有2Fe-S中心）中心）L：low affinity；H：high affinity 复合物复合物III：为同二聚体，各亚单位含：为同二聚体，各亚单位含11亚基。其电亚基。其电子传递的核心亚基为：子传递的核心亚基为：Cytb（bL=b566,bH=b562）、）、外围铁硫聚簇外围铁硫聚簇和和Cyt c1 三个亚基。两步反应递氢、递电三个亚基。两步反应递氢、递电子。此步反应，电子、质子分离，质子被泵出膜外。子。此步反应，电子、质子分离，质子被泵出膜外。是呼吸链第二个质子泵是呼吸链第二个质子泵。Cyt：细胞色素：细胞色素第39页，讲稿共
23、95张，创作于星期二复合物复合物III 巨型同二聚体，各亚单位含巨型同二聚体，各亚单位含11亚基亚基 第40页，讲稿共95张，创作于星期二 复合物复合物III中有中有两个不同的两个不同的Q结结合部位，合部位，QN N（靠（靠近近bH H）和）和 QP P（靠近（靠近bL L 并接近并接近Fe-S中心中心)，分别，分别为抗霉素为抗霉素A 和粘和粘噻唑菌醇所阻断。噻唑菌醇所阻断。前者阻断电子从前者阻断电子从bH H到到QN N；后者阻；后者阻断电子从断电子从QH2 2到到Fe-S中心。中心。膜间隙（P面）基质（N面）抗霉素抗霉素A粘噻唑菌醇粘噻唑菌醇CoQH2CoQHCoQCoQH2Fe-SCyt
24、 c1Cyt cCyt bLCyt bHCoQ第41页，讲稿共95张，创作于星期二CoQH2 释出质子，电子传递分为两路：1）经Fe-S中心传递电子给Cyt c1，再传递给Cyt c；2）传递电子至Cyt b，再传递给氧化型CoQ，接受线粒体基质中质子，还原成CoQH2.与此同时，质子被泵出到线粒体膜间隙。Q循环从物质结算上解决了电子和质子从复合体I/II 通过CoQ传递经过复合体III，传递给细胞色素c，并伴随质子泵出到线粒体膜间隙的过程。参见教材参见教材P125-126Q 循环：循环：第42页，讲稿共95张，创作于星期二Q 循环简示：循环简示：2分子QH2传递2 个e至 Cyt c，净泵出
25、4H+；再捕获基质中2H 生成1 Q 和 1 QH。http:/ 循环的化学结算：循环的化学结算：G0=-41.87 kJ/mol第44页，讲稿共95张，创作于星期二细胞色素细胞色素 c c与复合体与复合体IIIIII、IVIV交互作用，接受复合体交互作用，接受复合体IIIIII的电子，的电子，传递给复合体传递给复合体IVIV。第45页，讲稿共95张，创作于星期二细胞色素（细胞色素（Cytochrome,Cyt Cytochrome,Cyt）细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，FeFe原子借助原子借助化学价的变化（化学价的变化（FeFe+/Fe/Fe+）
26、传递电子。自然存在的氧）传递电子。自然存在的氧化呼吸链中有十几种细胞色素，不同的细胞色素对化呼吸链中有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有不同的吸收。特定波长的可见光有不同的吸收。Cyt a、b、c 分类不同，主要由于其中卟啉侧链不同所致。Cyt aa3又称细胞色素c氧化酶,处于呼吸链的末端,既含Fe离子，又有Cu离子，通过铁、铜离子的化合价变化最终将电子传递给氧（还原态时对O2的亲和力高）。Cyt aa3可以被CN-、N3-和CO抑制。第46页，讲稿共95张，创作于星期二Cyt b细胞色素细胞色素a、b和和c 中卟啉的化学结构中卟啉的化学结构 Cyt a Cyt c和和c1的血
27、红素与蛋的血红素与蛋白部分共价结合。白部分共价结合。Cyt c 第47页，讲稿共95张，创作于星期二 Adapted from A.Tzagoloff,Mitochondria(New York:Plenum,1982).不同细胞色素的光谱吸收特征峰不同细胞色素的光谱吸收特征峰Cyt bCyt cCyt a a3因侧链结构不同不同细胞色素的特征吸收不一样。第48页，讲稿共95张，创作于星期二第49页，讲稿共95张，创作于星期二细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶复合体复合体 IV:传递电子使传递电子使O2还原形成活性还原形成活性O-含有含有10 10 个亚基个亚基1,2,31,2,3三个亚基由线粒体三
28、个亚基由线粒体DNADNA编码，编码，具有具有4 4个氧化还原活性中心。个氧化还原活性中心。细胞色素a 和a3,处于不同部位CuA，势能较低，与Cyt a邻近CuB，势能较高，与Cyta3相邻Cytc e CuA聚簇聚簇 Cyta Cyta3-CuB聚簇聚簇 O2 除催化生成H2O外，还泵出H+。是呼吸链第三个质子泵。第50页，讲稿共95张，创作于星期二一些学者提出，复合物IV 中的一些氨基酸残基可能充当传递质子的作用：Lys354Glu278Asp124复合物复合物IVIV中电子质子中电子质子传递概况传递概况第51页，讲稿共95张，创作于星期二复合物复合物IVIV中电子质子传递和水生成机制中
29、电子质子传递和水生成机制Fe2+对O2亲和力高第52页，讲稿共95张，创作于星期二4 Cyt c（还）（还）+8H+（N)+O2 4 Cyt c(氧氧)+4H+(P)+2H2O 第53页，讲稿共95张，创作于星期二电子在呼吸链中的传递方式简述(I)(II)(III)(IV)NADH+11H+N+1/2O2 NAD+10 H+P+H2O总反应：总反应：http:/ CCyt C OO2 2 H H2 20 0 呼吸链传递电子与质子泵出示意442第55页，讲稿共95张，创作于星期二三三 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 3.1 氧化磷酸化作用机制氧化磷酸化作用机制3.2 ATP合成机制合成机制3.3
30、氧化磷酸化解偶联和呼吸链抑制氧化磷酸化解偶联和呼吸链抑制3.4 细胞溶胶内细胞溶胶内NADH的再氧化的再氧化第56页，讲稿共95张，创作于星期二氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用：伴随着生物氧化作用而进行的磷酸化，是将反应过程释放的自由能转化生成高能ATP的过程。电子从一个底物传递给分子氧的氧化与酶催化的由ADP和Pi生成ATP的磷酸化相偶联的过程（氧化与磷酸化偶联）。底物水平磷酸化：伴随底物氧化还原反应，在被氧化的底物上发生磷酸化作用，形成高能磷酸化合物。是直接将代谢物分子中的能量转移到ADP生成ATP的过程。X +ADP ATP+XP第57页，讲稿共95张，创作于星期二3.1 氧化磷酸化作用机制
31、氧化磷酸化作用机制3.1.1 氧化磷酸化偶联的实验验证磷氧比（磷氧比（P/O)P/O)：当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（Pi）的消耗。物质氧化过程中每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷或ADP的摩尔数即称为P/OP/O比比。它反映了O2的消耗与ATP生成的定量关系。将底物、ADP、H3PO4、Mg2和分离较为完整的线粒体在模拟细胞内液环境中相互作用;测定O2和H3PO4（或ADP）的消耗量有定量关联，即可以计算出确定的P/O。第58页，讲稿共95张，创作于星期二电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，每一步反应都同时伴有自由能释放，早期研究推测较大的自由能改变是推动AT
32、P产生的主要动力。研究组织呼吸的实验显示:NADH 呼吸链的P/O为2.5，而FADH呼吸链的P/O为1.5。即，在NADH呼吸链中，将一对电子传递给O，实现了2.5次的磷酸化反应（ADP+Pi ATP），而在FADH呼吸链只有1.5次.第59页，讲稿共95张，创作于星期二标准状态下，推动ADP磷酸化形成ATP所需的标准自由能大约在-30.56kJ/moL。因此，对应于NADH 呼吸链上，在NADHCoQ，Cytbc1 和 Cytaa3O2 之间释放的能量足以实现磷酸化。在FADH呼吸链，则在Cytbc1 和 Cytaa3O2 之间。实验证实，30.5kJ是标准状态下合成1molATP所需的能
33、量.在体内条件下需要 G-51.6kJ/mol 才能合成1mol ATP。第60页，讲稿共95张，创作于星期二 电子的传递方向和释放能量可能推动形成ATP的部位化学渗透学说则认为：化学反应释放的自由能成为推动H+逆浓差转移的动力，由线粒体基质侧泵出到膜间隙，形成膜内外的H+浓差。-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL第61页，讲稿共95张，创作于星期二底物呼吸链组成P/O比值ATP生成数羟丁酸NADFMNCoQCytc Cytaa3 O22.4-2.82.5-3琥珀酸 FAD CoQ Cytc Cytaa3 O21.71.5-2Cyt c Cytaa3 O2
34、0.61-0.681偶联部位分别在：NADFMNCoQCytcCytaa3O2实验验证：实验验证：NADH的的P/O=2.5FADH2的的P/O=1.5第62页，讲稿共95张，创作于星期二3.1.2 3.1.2 氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说要点：化学渗透假说要点：线粒体内膜必须保持完整和封闭，离子转运具有选择性线粒体内膜必须保持完整和封闭，离子转运具有选择性 呼吸链递氢体与递电子体交替排列，并在膜中有固定位置，催呼吸链递氢体与递电子体交替排列，并在膜中有固定位置，催化反应是定向的，与电子走向相同；化反应是定向的，与电子走向相同；呼吸链在线粒体内膜中共构成呼吸链在线粒体内
35、膜中共构成3个质子泵回路，电子经呼吸链个质子泵回路，电子经呼吸链传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生膜内外氢传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧，产生膜内外氢离子浓度梯度，形成跨膜电位差；离子浓度梯度，形成跨膜电位差；线粒体内膜有质子回流通道，当质子顺浓度梯度回流时，驱动线粒体内膜有质子回流通道，当质子顺浓度梯度回流时，驱动ATP合酶，利用合酶，利用ADP和和Pi合成合成ATP。第63页，讲稿共95张，创作于星期二 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 H+H+H+胞液侧胞液侧
36、 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图偶联需要完整的线粒体内膜，膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯偶联需要完整的线粒体内膜，膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。度将消失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。第64页，讲稿共95张，创作于星期二 假说一：氧化-还原回路 假说二:质子泵3.1.3 3.1.3 质子梯度的形成机制质子梯度的形成机制近期研究证实，呼吸链组成成分在线粒体内膜上排列非常紧密，有学者提出形成功能结合型或电子传递复合物的两个或多个呼吸体（respirasomes)的假说。第65页，讲稿共95张，创作于星
37、期二质子梯度与能量转化NADH+11H+N+1/2O2 NAD+10 H+P+H2O对NADH电子传递总反应：氧还对：NAD+/NADH，E0=-0.32 V氧还对：O2/H2O，E0=0.816 V 总反应：E0=1.14 V G0 =-nF E0 =2（96.5kJ/VMol）*1.14V =-220 kJ/mol 参见教材P119第66页，讲稿共95张，创作于星期二在真实线粒体基质中，NADH/NAD 实际比值高于1，故实际上放出的能量更多。而从琥珀酸脱氢酶呼吸链释放的能量为-150kJ/mol，比NADH呼吸链释能少。线粒体内膜两侧的质子浓度差是电子传递过程释放能量的一种临时性贮存，它
38、形成一种质子驱动势能和膜电位差(这两种性质都可以实验测定)。实验证实，在活线粒体中这种内膜两侧质子浓差的跨膜电位测定值在0.15至0.20V 之间；而线粒体基质内的pH约高于线粒体膜间隙0.75（即，pH=pHN-pHP=0.75，膜间隙H+多)。第67页，讲稿共95张，创作于星期二25，1 mol H+线粒体内膜的自由能差计算 G=RTln（H+P/H+N）+nF =2.3RT（log H+P-logH+N）+nF =2.3RT(pHN pHP)+F =5.70 kJ/mol pH+96.5 kJ/V.mol =5.7 0.75+96.5 0.2 =23.6（kJ/mol）（按0.15V计算
39、则为19）1NADH转运时，伴随10H+泵出，故产生的质子浓差自由能变化在190 236 kJ/mol 之间，与前面吻合。第68页，讲稿共95张，创作于星期二3.2 ATP3.2 ATP合成机制合成机制3.2.1 ATP合酶线粒体内膜门把型颗粒膜厚度0.5 m膜间隙（IMS）基质第69页，讲稿共95张，创作于星期二酶催化酶催化ATPATP合成实验合成实验:超声破碎线粒体内膜反转，形成亚线粒体胰酶/尿素表面蛋白颗粒脱落，e传递正常，ATP合成受阻。重组e传递正常，ATP合成恢复。ATP合酶为多亚基复合体，形成质子通道和ATP合成两个功能区域的实验证明第70页，讲稿共95张，创作于星期二 F1有有
40、5种亚基，有种亚基，有ATP合酶的活性；合酶的活性；Fo有三种亚基，镶嵌在线有三种亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子粒体的内膜上，作为质子通道。通道。F1 与与Fo之间的连接有寡之间的连接有寡霉素敏感性付与蛋白和偶霉素敏感性付与蛋白和偶合因子。合因子。F1FoATP合酶（合酶（FoF1ATPase，又称复合体，又称复合体V）NP第71页，讲稿共95张，创作于星期二F1：亲水部分，位于线粒体内膜的基质侧。含有：亲水部分，位于线粒体内膜的基质侧。含有 多种肽链、多个亚基（多种肽链、多个亚基（3 3等等）；）；功能是催化功能是催化ATP的生成；催化部位虽然在的生成；催化部位虽然在 亚基内，但亚基内
41、，但 亚基必须与亚基必须与亚基结合才有活亚基结合才有活 性。性。FO：疏水部分，镶嵌在线粒体内膜中的：疏水部分，镶嵌在线粒体内膜中的H通道。通道。当当H顺浓度梯度经顺浓度梯度经FO回流时，回流时，F1催化催化ADP 和和Pi合成并释放合成并释放ATP。最新研究证明，若无。最新研究证明，若无 质子回流，质子回流，ATP可以生成但无法释放。可以生成但无法释放。http:/vcell.ndsu.nodak.edu/animations/atpgradient/movie-flash.htm第72页，讲稿共95张，创作于星期二Nature，2004，427：407-8 http:/www.imbb.f
42、orth.gr/people/aeconomou/documents/Cross04.pdfa-亚基含有两部分H+通道。在质子穿膜时，必须移动下部通道正对锚定在-亚基上的c-亚基传递H+，a-亚基通过b2锚定在33六聚体上。因此，当Fo c-轮相对于a-亚基转动时，可以带动33六聚体向顺时针方向的转动合成释放ATP。第73页，讲稿共95张，创作于星期二3.2.23.2.2 ATPATP合酶作用机制合酶作用机制(“结合变化机制”Paul Boyer,1979)质子跨过线粒体内膜进入基质，引起3个催化部位发生构象变化。Open:一分子的ADP和Pi结合在开部位。Loose：松弛状态，合成前Tigh
43、t：在紧缩部位ADP和Pi缩合形成ATP。ATP从开部位被释放出来。http:/www.imbb.forth.gr/people/aeconomou/documents/Cross04.pdfNature，2004，427：407-8 第74页，讲稿共95张，创作于星期二c用分子生物学手段标记C亚基：荧光标记的肌动蛋白链，可以显示C亚基的顺时针方向转动http:/ c亚基电镜显微结构 第76页，讲稿共95张，创作于星期二3.3 3.3 影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素3.3.1 解偶联剂解偶联剂：使电子传递过程（即氧化还原反应）与使电子传递过程（即氧化还原反应）与磷酸化过程（磷酸化过程
44、（ATP产生）脱离的化合物。产生）脱离的化合物。特点特点:只抑制只抑制ATP产生，不抑制电子传递产生，不抑制电子传递结果结果：电子传递中释放的自由能只能转化为热能：电子传递中释放的自由能只能转化为热能 释放。释放。（1）质子载体型解偶联剂）质子载体型解偶联剂（2）褐色脂肪解偶联机制）褐色脂肪解偶联机制第77页，讲稿共95张，创作于星期二一类可携带膜间隙质子返回线粒体基质的化合物。它们一类可携带膜间隙质子返回线粒体基质的化合物。它们增加膜通增加膜通透性透性，可使呼吸链电子传递过程泵出的氢质子不经过，可使呼吸链电子传递过程泵出的氢质子不经过ATP合酶的合酶的Fo质子通道回流。因此质子通道回流。因此
45、破坏线粒体内膜内外质子浓差破坏线粒体内膜内外质子浓差，干扰，干扰ATP合成。合成。质子载体型解偶联剂的解偶联作用表现为：不影响线粒体呼吸链对质子载体型解偶联剂的解偶联作用表现为：不影响线粒体呼吸链对O的消耗，但阻扰其对无机磷酸的消耗，但阻扰其对无机磷酸 Pi 的利用。的利用。二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP，弱酸条件下亲脂），三氟甲基苯腙羰基，弱酸条件下亲脂），三氟甲基苯腙羰基氰化物氰化物（FCCP，亲脂）等，解离，亲脂）等，解离-非解离形式携带质子。非解离形式携带质子。P138（1）质子载体型解偶联剂）质子载体型解偶联剂第78页，讲稿共95张，创作于星期二（2）褐色脂肪解偶联机制）褐色脂肪解偶
46、联机制褐色脂肪组织中，细胞线粒体内膜表面有褐色脂肪组织中，细胞线粒体内膜表面有产热素激素蛋白产热素激素蛋白二聚体，接二聚体，接受激素受激素(产热素）分子信息调控其线粒体内膜通透性，从而控制产热素）分子信息调控其线粒体内膜通透性，从而控制膜两侧的质子电化学梯度。膜两侧的质子电化学梯度。当细胞中游离脂肪酸增多时，激活产热素，使产热素激素蛋白打当细胞中游离脂肪酸增多时，激活产热素，使产热素激素蛋白打开质子通道，让质子回流进入基质，破坏膜两侧质子浓差，使氧开质子通道，让质子回流进入基质，破坏膜两侧质子浓差，使氧化磷酸化解偶联，此即褐色脂肪的非战栗性产热机制）。化磷酸化解偶联，此即褐色脂肪的非战栗性产热
47、机制）。而当细胞中嘌呤核苷酸（而当细胞中嘌呤核苷酸（ATP，ADP，GTP，GTP）浓度偏高时等）浓度偏高时等浓度高时，该蛋白通道关闭。浓度高时，该蛋白通道关闭。第79页，讲稿共95张，创作于星期二游离脂肪酸产热素ATP，ADPGTP，GDP产热素激素蛋白产热素激素蛋白 第80页，讲稿共95张，创作于星期二3.3.2 3.3.2 抑制剂抑制剂（1）呼吸链（电子传递）抑制剂）呼吸链（电子传递）抑制剂 能够阻断呼吸链中某个电子传递步骤的一类化合物，它们导致最后的ATP合成受阻。既是毒物，也是研究呼吸链及电子传递过程的有效试剂。鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抗霉素A、二羟基丙醇；氰化物、叠氮化物、一氧化
48、碳第81页，讲稿共95张，创作于星期二底物-H2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2-0.18鱼藤酮安密妥呼吸链抑制剂作用部位：呼吸链抑制剂作用部位：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物粘噻唑菌醇第82页，讲稿共95张，创作于星期二（2 2）氧化磷酸化抑制剂）氧化磷酸化抑制剂对电子传递与磷酸化均能抑制的一类化合物，但并对电子传递与磷酸化均能抑制的一类化合物，但并不直接抑制电子传递链上载体的作用。这类试剂直不直接抑制电子传递链上载体的作用。这类试剂直接干扰接干扰ATP合成，引起膜外质子堆积而导致电子传递受合
49、成，引起膜外质子堆积而导致电子传递受阻。阻。寡霉素寡霉素可与可与ATP合酶中的合酶中的Fo结合结合，使质子不能内流导致使质子不能内流导致膜两侧电化学梯度增高；膜两侧电化学梯度增高；二环己基碳二亚胺二环己基碳二亚胺（DCCD）与与Fo中偶合因子中偶合因子AA残基中的羧基结合，也抑制质子残基中的羧基结合，也抑制质子回流，起回流，起ATP合成阻断作用。合成阻断作用。寡霉素寡霉素-寡霉素敏感性付与蛋白（寡霉素敏感性付与蛋白（OSCP）DCCD-DCCD结合蛋白（结合蛋白（DCCD-BP，含酸性，含酸性AA）(偶合因子)第83页，讲稿共95张，创作于星期二寡霉素等氧化磷酸化抑制剂直接阻断质子回流，使线粒
50、体内膜两侧质子浓差过高时，便影响质子泵的功能，进而抑制电子传递，阻断线粒体对氧的利用。因此，这种对电子传导的抑制作用，可以用解偶联剂而解除。解偶联剂通过改变膜通透性而使膜间隙堆积的质子回流进入基质，使得线粒体对氧的利用重新恢复，并伴随着热能释放。实验：P138图；P18线粒体+Pi+O2 孵育体系：当加入底物后和加入 ADP后，观察到O2水平显著下降，说明，刺激了呼吸作用。第84页，讲稿共95张，创作于星期二线粒体呼吸（耗氧）实验线粒体呼吸（耗氧）实验Oxygen consumption of mitochondriaDuvezin-Caubet S et al.PNAS 2003;100:1