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1、6 生物氧化生物氧化(Biologicaloxidation)6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.2 电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链)6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化6.4 其它末端氧化系统其它末端氧化系统第1页本章重点及难点本章重点及难点重点重点：掌握生物氧化，高能磷酸化合物概念及掌握生物氧化，高能磷酸化合物概念及ATP作用；掌握呼吸链电子传递体组成及排列方式，以作用；掌握呼吸链电子传递体组成及排列方式，以及受抑制部位；掌握氧化磷酸化部位，氧化磷酸化及受抑制部位；掌握氧化磷酸化部位，氧化磷酸化作用机理作用机理 ，了解其它末端氧化酶系统。，了解其它末端氧化酶系统。难点难点：与能量代谢相关一些概
2、念；呼吸链组成成份、与能量代谢相关一些概念；呼吸链组成成份、排列次序；氧化磷酸化机理排列次序；氧化磷酸化机理 。第2页生物氧化生物氧化生物氧化生物氧化(biological oxidationbiological oxidation)是生物细胞将糖是生物细胞将糖是生物细胞将糖是生物细胞将糖,脂脂脂脂,蛋蛋蛋蛋白质等有机物进行氧化分解，最终生成白质等有机物进行氧化分解，最终生成白质等有机物进行氧化分解，最终生成白质等有机物进行氧化分解，最终生成COCO2和和和和H H2 2OO并并并并释放能量过程，也称细胞呼吸释放能量过程，也称细胞呼吸释放能量过程，也称细胞呼吸释放能量过程，也称细胞呼吸(cel
3、lular respirationcellular respiration)。6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.1.1 生物氧化概念生物氧化概念6.1.1.1 生物氧化主要内容生物氧化主要内容糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ATPADP+Pi热能热能第3页糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TCA TCA 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 生物氧化普通过程生物氧化普通过程(3个阶段个阶段)第4页代谢物在体内氧化能够分为：代谢物在体内氧化能
4、够分为：糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中中 乙酰基。乙酰基。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使并使NAD 和和FAD还原成还原成NADH、FADH2。NADH和和FADH2中氢经呼吸链将电子传递给氧生成水中氢经呼吸链将电子传递给氧生成水,氧化过程中释放能量用于氧化过程中释放能量用于ATP合成。合成。(狭义生物氧化狭义生物氧化)第5页w是是在在细细胞胞内内温温和和有有水水环环境境中中（体体温温，pH靠靠近近中中性性），经经一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步迟迟缓缓进进行行，能能量量逐逐步步释释放放，以
5、以ATP形形式式储储存存和和转转运运，有有利利于于机机体体捕捕捉捉能能量量，提提升升ATP生成效率。生成效率。w物物质质氧氧化化方方式式是是脱脱氢氢反反应应，脱脱下下氢氢在在酶酶、辅辅酶酶和和电电子子传传递递系系统统参参加加下下经经一一系系列列传传递递与与水水结结合合生生成成H2O；二二氧氧化化碳碳（CO2）是是因因为为糖糖、脂脂类类和和蛋蛋白白质质转转变变成成含含羧羧基基化化合合物物（有有机机酸酸）直直接接脱脱羧羧或或氧氧化化脱脱羧产生。羧产生。生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w在在高高温温、高高压压以以及及干干燥燥条条件件下下进进行行，是是猛猛烈烈自自由由基基反反应应，能能量量是是突突发发
6、式式释释放放。产产生生能能量量以以光与热形式散发在环境中。光与热形式散发在环境中。w产产生生CO2、H2O是是由由物物质质中中碳碳和氢直接与氧结合生成。和氢直接与氧结合生成。真核细胞在线粒体内膜真核细胞在线粒体内膜,6.1.1.2 生物氧化特点生物氧化特点原核细胞在质膜上进行。原核细胞在质膜上进行。场所场所:第6页在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自由能。由能。由能。由能。自自自自由由由由能能能能(free(free energy)ener
7、gy)：在在在在恒恒恒恒温温温温、恒恒恒恒压压压压下下下下一一一一个个个个体体体体系系系系可可可可用用用用于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称GibbsGibbs自由能，以自由能，以自由能，以自由能，以GG表示。表示。表示。表示。6.1.2 生物氧化自由能改变生物氧化自由能改变6.1.2.1 自由能概念自由能概念 G H T S G 0 反应不能自发进行反应不能自发进行 G=0 反应处于平衡状态反应处于平衡状态G仅与反应物基态和终态相关仅与反应物基态和终态相关,与反应路径与反应路径,机制无关。机制无关。第7页 GG =-RTlnK=-2.303RTl
8、ogK=-RTlnK=-2.303RTlogK 6.1.2.2 反应标准自由能改变与其平衡常数关系反应标准自由能改变与其平衡常数关系序列反应自由能总改变等于每一步反应自由能改变总和。序列反应自由能总改变等于每一步反应自由能改变总和。6.1.2.3 氧化还原电位氧化还原电位在氧化在氧化-还原反应中，电子从还原剂传递到氧化剂。还原反应中，电子从还原剂传递到氧化剂。标准情况下氧化还原电位改变：标准情况下氧化还原电位改变：E=标准氧化电极电位标准氧化电极电位 标准还原电极电位标准还原电极电位 E E 越大，得到电子倾向越大，氧化能力越强。越大，得到电子倾向越大，氧化能力越强。越大，得到电子倾向越大，氧
9、化能力越强。越大，得到电子倾向越大，氧化能力越强。E E 越小，失去电子倾向越大，还原能力越强。越小，失去电子倾向越大，还原能力越强。越小，失去电子倾向越大，还原能力越强。越小，失去电子倾向越大，还原能力越强。6.1.2.4 氧化还原电位与自由能关系氧化还原电位与自由能关系 G=-n F Eo(n为转移电子数为转移电子数)第8页生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中，机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中，机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中，机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中，机体 用于做功能量来自高能化合物水解反应。用于做功能量来自高能化合物水解反应。用于做功能量
10、来自高能化合物水解反应。用于做功能量来自高能化合物水解反应。6.1.3 高能磷酸化合物高能磷酸化合物(21KJmol-1)高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键,是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。ATP是最主要高能化合物。是最主要高能化合物。并非含磷酸基团化合物均是高能化合物并非含磷酸基团化合物均是高能化合物并非含磷酸基团化合
11、物均是高能化合物并非含磷酸基团化合物均是高能化合物,G-6-P,F-6-PG-6-P,F-6-P,水解只释放水解只释放水解只释放水解只释放4.212.6kJmol4.212.6kJmol-1-1能量能量能量能量,是低能化合物。是低能化合物。是低能化合物。是低能化合物。6.1.3.1 生物体高能化合物生物体高能化合物第9页SAMPEPATP乙酰-CoACP第10页糖糖糖糖,脂肪脂肪脂肪脂肪,蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式 散失，其余经过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失，其余经过底物
12、水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失，其余经过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失，其余经过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成ATPATP，以高能磷酸键形式存在。，以高能磷酸键形式存在。，以高能磷酸键形式存在。，以高能磷酸键形式存在。6.1.3.2 ATP结构及其在能量转换中作用结构及其在能量转换中作用人人人人在在在在猛猛猛猛烈烈烈烈活活活活动动动动时时时时肌肌肌肌肉肉肉肉消消消消耗耗耗耗ATPATP达达达达6mmolL6mmolL-1-1kgkg-1-1ss-1-1，拖拖拖拖延延延延几几几几秒秒秒秒钟钟钟钟后后后后最最最最大大大大ATPATP合合合合成成成成则则则则为为为为1mmolL1mmolL-1-
13、1kgkg-1 1ss-1-1.为为为为了了了了维维维维持持持持肌肌肌肌肉肉肉肉,脑脑脑脑,神神神神经经经经等等等等易易易易兴兴兴兴奋奋奋奋快快快快速速速速反反反反应应应应和和和和ATPATP动动动动态态态态平衡平衡平衡平衡,须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。中度体力劳动者每日每中度体力劳动者每日每kg体重需供给能量体重需供给能量3440千卡。千卡。第11页ATPATP末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基,因为
14、因为因为因为 P POO键极化键极化键极化键极化,电子云偏向电子云偏向电子云偏向电子云偏向OO,使使使使P P带部分正电荷，带部分正电荷，带部分正电荷，带部分正电荷，相距很近正电荷相互排斥，使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷相互排斥，使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷相互排斥，使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷相互排斥，使磷酸酐键不稳定。生理条件下生理条件下生理条件下生理条件下,ATPATP带带带带4 4个负电荷相互排斥个负电荷相互排斥个负电荷相互排斥个负电荷相互排斥,使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键 易水解成易水解成易水解成易水解成ADPADP和和和和PiPi,可部分消除这种应力可
15、部分消除这种应力可部分消除这种应力可部分消除这种应力,且且且且ADPADP和和和和PiPi 均带负电均带负电均带负电均带负电,使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解,释放大量自由能。释放大量自由能。释放大量自由能。释放大量自由能。第12页 ATPATP合成与放能反应偶联，利用释放能量由合成与放能反应偶联，利用释放能量由合成与放能反应偶联，利用释放能量由合成与放能反应偶联，利用释放能量由 ADPADP和和和和PiPi合成合成合成合成ATPATP;需能时需能时需能时需能时ATPATP水解成水解成水解成水解成ADPADP和和和和PiPi,将贮藏能量释放，以推
16、进各种耗能生命活动。将贮藏能量释放，以推进各种耗能生命活动。将贮藏能量释放，以推进各种耗能生命活动。将贮藏能量释放，以推进各种耗能生命活动。ATP-ADP循环是生物系统能量交换中枢。循环是生物系统能量交换中枢。ATPATP水解时标准自由能改变位于各种物质水解时标准水解时标准自由能改变位于各种物质水解时标准水解时标准自由能改变位于各种物质水解时标准水解时标准自由能改变位于各种物质水解时标准 自由能改变中间，它能从含有更高能量化合物自由能改变中间，它能从含有更高能量化合物自由能改变中间，它能从含有更高能量化合物自由能改变中间，它能从含有更高能量化合物 接收高能磷酸键接收高能磷酸键接收高能磷酸键接收
17、高能磷酸键;ATPATP也能将也能将也能将也能将PiPi转移给水解时标准转移给水解时标准转移给水解时标准转移给水解时标准 自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。ATP是生命活动利用能量主要直接供给形式。是生命活动利用能量主要直接供给形式。ATP还可作为磷酸基团转移反应中间载体。还可作为磷酸基团转移反应中间载体。第13页第14页线粒体具两层膜，外膜平滑，仅有少许酶结合。内膜线粒体具两层膜，外膜平滑，仅有少许酶结合。内膜线粒体具两层膜，外膜平滑，仅有少许酶结合。内膜线粒体具两层膜，外膜平滑，仅有少许酶结合。内膜向内褶叠形成嵴，是能量转换主要部位。向
18、内褶叠形成嵴，是能量转换主要部位。向内褶叠形成嵴，是能量转换主要部位。向内褶叠形成嵴，是能量转换主要部位。线粒体内腔充满半流动基质线粒体内腔充满半流动基质线粒体内腔充满半流动基质线粒体内腔充满半流动基质(衬质衬质衬质衬质),),结合结合结合结合TCA酶类、酶类、酶类、酶类、脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 -氧化酶类、氧化酶类、氧化酶类、氧化酶类、AA分解代谢酶类。分解代谢酶类。分解代谢酶类。分解代谢酶类。6.2 呼吸链呼吸链(电子传递链电子传递链,ETC)6.2.1 线粒体线粒体第15页线粒体线粒体线粒体线粒体DNADNA(mtDNAmtDNA)为环状编码细胞色素氧化酶、为环状编码细胞色素氧化酶、为
19、环状编码细胞色素氧化酶、为环状编码细胞色素氧化酶、cyt.bcyt.b和和和和F FO疏水亚基等疏水亚基等疏水亚基等疏水亚基等1010各种蛋白质，其余蛋白质各种蛋白质，其余蛋白质各种蛋白质，其余蛋白质各种蛋白质，其余蛋白质 均由核基因编码均由核基因编码均由核基因编码均由核基因编码,在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。球形颗粒球形颗粒球形颗粒球形颗粒ATPATP合酶合酶合酶合酶(偶联因子偶联因子偶联因子偶联因子F F1-F-FO),),经过一个细柄经过一个细柄经过一个细柄经过一个细柄 规则排列于线粒体内膜内表面。规则排列
20、于线粒体内膜内表面。规则排列于线粒体内膜内表面。规则排列于线粒体内膜内表面。第16页电子传递链电子传递链电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链 respiratory chainrespiratory chain)一系列一系列一系列一系列e e载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列e e传递系统传递系统传递系统传递系统,将将将将 代谢物脱下代谢物脱下代谢物脱下代谢物脱下H H和和和和e e传递给传递给传递给传递给OO2生成生成生成生成H H2OO,同时有同时有同时有同时有ATPATP生成。生成。生成。生成。6.2.2电子
21、传递链电子传递链(electron transfer chain,ETC)6.2.2.1 电子传递链电子传递链(ETC)组成组成 递递递递H H体和递体和递体和递体和递e e体是传递体是传递体是传递体是传递H H或或或或e e载体载体载体载体,因为因为因为因为 H H=H H+e e,所以所以所以所以 递递递递H H体也是递体也是递体也是递体也是递e e体体体体,本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。NAD、FAD、FMN、Fe-S、cyt.、UQ都是疏水性分子。都是疏水性分子。除除UQ外都是蛋白外都是蛋白,经过其辅基可逆氧化还原传递经过其辅基
22、可逆氧化还原传递e。ETCETC组分嵌合于线粒体内膜，分段组成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜，分段组成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜，分段组成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜，分段组成份离复合物。第17页烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD，辅酶辅酶辅酶辅酶,Co Co)脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶,是连接作用物与是连接作用物与是连接作用物与是连接作用物与ETCETC主要步骤。主要步骤。主要步骤。主要步骤。NADNAD接收代谢物上脱下接收代谢物上脱下接收代谢物上脱下接收代谢物上脱下2H2H(2H2H+2e+2e),传给
23、黄素蛋白。传给黄素蛋白。传给黄素蛋白。传给黄素蛋白。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(NADP，辅酶辅酶辅酶辅酶，CoCo)脱氢酶辅酶，脱氢酶辅酶，脱氢酶辅酶，脱氢酶辅酶，NADNAD核糖核糖核糖核糖2 2-OHOHH H被被被被 P P取代而成。取代而成。取代而成。取代而成。NADPH普通为合成代谢或羟化反应提供普通为合成代谢或羟化反应提供H。第18页NADH+H+FMN =NAD+FMNH2琥珀酸琥珀酸+FAD =延胡索酸延胡索酸 +FADH2 FMN:NADH脱氢酶脱氢酶 FAD:琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶,甘油磷酸
24、脱氢酶甘油磷酸脱氢酶,脂肪酰脂肪酰CoA脱氢酶脱氢酶 FMN:黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins)黄素蛋白有两种，分别以黄素蛋白有两种，分别以FMN和和FAD为辅基。为辅基。第19页含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白,又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白(或铁硫中心或铁硫中心或铁硫中心或铁硫中心),铁与无机铁与无机铁与无机铁与无机S S原子或与肽链上原子或与肽链上原子或与肽链上原子或与肽链上Cys-SHCys-SH残基硫结合。残基硫结合。残基硫结合
25、。残基硫结合。铁硫蛋白铁硫蛋白(iron sulfur proteins,Fe-S)三种方式三种方式a、1Fe:4Cys-SHb、2S :2Fe:4Cys-SHc、4S:4Fe:4Cys-SH第20页UQUQ功效基团是苯醌功效基团是苯醌功效基团是苯醌功效基团是苯醌,UQ,UQ接收接收接收接收一个一个一个一个e e和一个和一个和一个和一个H H+还原成半醌还原成半醌还原成半醌还原成半醌,再接收一个再接收一个再接收一个再接收一个e e和和和和H H+则还原成则还原成则还原成则还原成二氢泛醌二氢泛醌二氢泛醌二氢泛醌,后者又可脱去后者又可脱去后者又可脱去后者又可脱去e e和和和和H H+而被氧化为而被
26、氧化为而被氧化为而被氧化为UQUQ。泛醌泛醌(ubiquinone,UQ或或Q)泛醌即泛醌即辅酶辅酶Q,是脂溶性苯醌，是脂溶性苯醌，由多个异戊二烯单位组成，由多个异戊二烯单位组成，带有一很长脂肪族侧链，带有一很长脂肪族侧链，易结合到膜上或与膜脂混溶。易结合到膜上或与膜脂混溶。第21页细胞色素体系细胞色素体系细胞色素是一类含铁卟啉细胞色素是一类含铁卟啉细胞色素是一类含铁卟啉细胞色素是一类含铁卟啉 色蛋白色蛋白色蛋白色蛋白,属于递电子体。属于递电子体。属于递电子体。属于递电子体。红色细胞素：红色细胞素：红色细胞素：红色细胞素：cyt.b,ccyt.b,c1 1,c,c绿色细胞素：绿色细胞素：绿色细
27、胞素：绿色细胞素：cyt.aacyt.aa3 3不一样细胞色素具不一样吸收不一样细胞色素具不一样吸收不一样细胞色素具不一样吸收不一样细胞色素具不一样吸收 光谱光谱光谱光谱,酶蛋白结构不一样酶蛋白结构不一样酶蛋白结构不一样酶蛋白结构不一样,辅基结构也有差异。辅基结构也有差异。辅基结构也有差异。辅基结构也有差异。第22页 cyt.ccyt.c为外周蛋白为外周蛋白为外周蛋白为外周蛋白,位于内膜外侧位于内膜外侧位于内膜外侧位于内膜外侧,辅基血红素经过辅基血红素经过辅基血红素经过辅基血红素经过 共价键共价键共价键共价键(硫醚键硫醚键硫醚键硫醚键)与酶蛋白相连，其余各种与酶蛋白相连，其余各种与酶蛋白相连，
28、其余各种与酶蛋白相连，其余各种cyt.cyt.中中中中 辅基与酶蛋白均经过辅基与酶蛋白均经过辅基与酶蛋白均经过辅基与酶蛋白均经过非共价键非共价键非共价键非共价键结合。结合。结合。结合。cyt.acyt.a和和和和a a3 3不易分开不易分开不易分开不易分开,统称为统称为统称为统称为cyt.aacyt.aa3 3,辅基是辅基是辅基是辅基是血红素血红素血红素血红素A A。cyt.aacyt.aa3 3将将将将e e直接直接直接直接传递给传递给传递给传递给OO2,所以又称为所以又称为所以又称为所以又称为细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶。cyt.P450、b、c1、c辅基是辅基
29、是血红素血红素。血红素血红素 A血红素血红素第23页 ETCETC组分除组分除组分除组分除UQUQ和和和和cyt.ccyt.c外外外外,其余组分形成嵌入内膜形成其余组分形成嵌入内膜形成其余组分形成嵌入内膜形成其余组分形成嵌入内膜形成 结构化超分子复合物。用结构化超分子复合物。用结构化超分子复合物。用结构化超分子复合物。用毛地黄皂苷毛地黄皂苷毛地黄皂苷毛地黄皂苷,胆酸盐胆酸盐胆酸盐胆酸盐等等等等 去垢剂处理分离线粒体去垢剂处理分离线粒体去垢剂处理分离线粒体去垢剂处理分离线粒体,可溶解外膜可溶解外膜可溶解外膜可溶解外膜,并将内膜并将内膜并将内膜并将内膜 分裂成四种仍保留部分电子传递活性复合物。分裂
30、成四种仍保留部分电子传递活性复合物。分裂成四种仍保留部分电子传递活性复合物。分裂成四种仍保留部分电子传递活性复合物。第24页MD:70万万90万万,含有含有25种蛋白质种蛋白质,包含以包含以FMN为辅基为辅基 黄素蛋白和各种黄素蛋白和各种Fe-S,催化催化e从从NADH转移到转移到UQ。复合物复合物(NADH脱氢酶脱氢酶)复合物复合物(琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶)MDMD:1414万万万万,含有含有含有含有4 4 5 5种蛋白质种蛋白质种蛋白质种蛋白质,包含以包含以包含以包含以FADFAD为辅基黄素为辅基黄素为辅基黄素为辅基黄素 蛋白蛋白蛋白蛋白、Fe-SFe-S、cyt.bcyt.b560,催
31、化催化催化催化e e从琥珀酸传递到从琥珀酸传递到从琥珀酸传递到从琥珀酸传递到UQUQ。复合物复合物(细胞色素细胞色素b、c1复合体复合体)MDMD:2525万万万万,含有含有含有含有910910种蛋白质种蛋白质种蛋白质种蛋白质,包含包含包含包含cyt.b,cyt.ccyt.b,cyt.c1,Fe-S,Fe-S，催化催化催化催化e e从还原型从还原型从还原型从还原型UQ(UQ(UQHUQH2)转移到转移到转移到转移到cyt.ccyt.c。MD:1617MD:1617万万万万,最最最最少少少少含含含含有有有有1313种种种种蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质,包包包包含含含含细细细细cyt.aacyt.aa
32、3 3和和和和含含含含铜铜铜铜蛋白蛋白蛋白蛋白,催化催化催化催化e e从还原型从还原型从还原型从还原型cyt.ccyt.c传递给传递给传递给传递给OO2。复合物复合物(细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶)第25页依据各种组分标准氧化还原电位来确定。依据各种组分标准氧化还原电位来确定。标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越小小小小,标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越标准氧化还原电位越大大大大,6.2.2.2 呼吸链中各种传递体排列次序呼吸链中各种传递体排列次序ETC中各种组分由低电位依次向高电位排列。中各种组分由低电位依次向高电位排列。还原性越还原
33、性越还原性越还原性越强强强强,轻易轻易轻易轻易被氧化被氧化被氧化被氧化；氧化性越氧化性越氧化性越氧化性越强强强强,轻易轻易轻易轻易被还原被还原被还原被还原。第26页有氧条件下氧化反应平衡时各传递体还原程度。有氧条件下氧化反应平衡时各传递体还原程度。有氧条件下氧化反应平衡时各传递体还原程度。有氧条件下氧化反应平衡时各传递体还原程度。从底物到氧各传递体还原程度由从底物到氧各传递体还原程度由高高依次向依次向低低排列。排列。好象物理学上联通管，好象物理学上联通管，好象物理学上联通管，好象物理学上联通管，若进水量等于出水量，若进水量等于出水量，若进水量等于出水量，若进水量等于出水量，即流量到达平衡之时：
34、即流量到达平衡之时：即流量到达平衡之时：即流量到达平衡之时：距离进水口最近水管中距离进水口最近水管中距离进水口最近水管中距离进水口最近水管中 水位最高水位最高水位最高水位最高;离出水管最近离出水管最近离出水管最近离出水管最近水管中水位最低水管中水位最低水管中水位最低水管中水位最低;进水管进水管进水管进水管到出水管水位逐步减低到出水管水位逐步减低到出水管水位逐步减低到出水管水位逐步减低.若把水流视为电子流，若把水流视为电子流，若把水流视为电子流，若把水流视为电子流，ETCETC就就类似此联通管类似此联通管类似此联通管类似此联通管。第27页特异抑制剂能阻断特异抑制剂能阻断特异抑制剂能阻断特异抑制剂
35、能阻断ETCETC中特定步骤中特定步骤中特定步骤中特定步骤,阻断部阻断部阻断部阻断部位底物侧各种传递体位底物侧各种传递体位底物侧各种传递体位底物侧各种传递体为还原型为还原型为还原型为还原型,氧一侧各氧一侧各氧一侧各氧一侧各种传递体应为氧化型。种传递体应为氧化型。种传递体应为氧化型。种传递体应为氧化型。使用特异抑制剂使用特异抑制剂 使用抗霉素使用抗霉素A前后递电子体还原型百分数前后递电子体还原型百分数 在体外试验中，将线粒体分成各种复合物，检测其在体外试验中，将线粒体分成各种复合物，检测其 各自催化反应，再将其重组，检测其催化能力。各自催化反应，再将其重组，检测其催化能力。第28页底物底物底物底
36、物AHAH2 2在脱氢酶催化下脱下在脱氢酶催化下脱下在脱氢酶催化下脱下在脱氢酶催化下脱下H H交给交给交给交给NADNAD生成生成生成生成NADHNADH,NADHNADH在在在在NADHNADH脱氢酶作用脱氢酶作用脱氢酶作用脱氢酶作用下将两个下将两个下将两个下将两个H H传递给传递给传递给传递给FMNFMN生成生成生成生成FMNHFMNH2 2,再将再将再将再将H H传递传递传递传递 至至至至CoQCoQ生成生成生成生成CoQHCoQH2 2,此时此时此时此时 2 H=2H2 H=2H+2e(+2e(解离解离解离解离),2e2e经经经经cyt b,ccyt b,c1 1,c,aa,c,aa3
37、 3传递传递传递传递,将将将将2e2e传递给传递给传递给传递给1/21/2OO2 2生成生成生成生成OO2 2-，OO2 2-与游离与游离与游离与游离2H2H+结合生成结合生成结合生成结合生成水水水水.6.2.2.3 呼吸链呼吸链 琥珀酸在脱氢生成琥珀酸在脱氢生成琥珀酸在脱氢生成琥珀酸在脱氢生成FADHFADH2，将，将，将，将H H传递给传递给传递给传递给CoQCoQ，生成，生成，生成，生成 CoQHCoQH2 2，今后传递和，今后传递和，今后传递和，今后传递和NADHNADH氧化呼吸链相同。氧化呼吸链相同。氧化呼吸链相同。氧化呼吸链相同。第29页 cyt.c Q NADH+H+NAD+延胡
38、索酸延胡索酸FADH2 琥珀酸琥珀酸FAD 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-第30页 电子传递抑制剂在电子传递抑制剂在电子传递抑制剂在电子传递抑制剂在ETCETC某一特定部位阻断某一特定部位阻断某一特定部位阻断某一特定部位阻断e e传递。传递。传递。传递。6.2.3 电子传递抑制剂电子传递抑制剂第31页鱼藤酮是极毒植物毒素鱼藤酮是极毒植物毒素鱼藤酮是极毒植物毒素鱼藤酮是极毒植物毒素,用作杀虫剂用作杀虫剂用作杀虫剂用作杀虫剂,抑制复合物抑制复合物抑制复合物抑制复合物,安密妥安密妥安密妥安密妥(amytalamytal),),杀粉蝶菌
39、素杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素A A(piericidinApiericidinA)作用位点相同作用位点相同作用位点相同作用位点相同.鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)阻断阻断e由由NADHCoQ,但不影响但不影响H由由FADH2CoQ。其其其其中中中中CNCN-和和和和N N3 3-与与与与氧氧氧氧化化化化型型型型cytaacytaa3 3(FeFe3+3+)有有有有高高高高度度度度亲亲亲亲和和和和力力力力，COCO则与还原型则与还原型则与还原型则与还原型 cytaacytaa3 3(FeFe2+2+)形成复合物。形成复合物。形成复合物。形成复合物。抗霉素抗霉素A(antimycin A)抑
40、制复合物抑制复合物e传递作用。传递作用。氰化物氰化物CN-、叠氮化物、叠氮化物N3-、CO和和H2S 阻断阻断e由由cyt.aa3O2。第32页 ATPATP几乎是生物组织细胞能够直接利用唯一能源几乎是生物组织细胞能够直接利用唯一能源几乎是生物组织细胞能够直接利用唯一能源几乎是生物组织细胞能够直接利用唯一能源 。生物体内经过生物氧化合成生物体内经过生物氧化合成生物体内经过生物氧化合成生物体内经过生物氧化合成ATPATP方式两种：方式两种：方式两种：方式两种：6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化6.3.1 氧化磷酸化概念及类型氧化磷酸化概念及类型底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化(
41、substrate level phospharylation)(substrate level phospharylation)底物分子中能量直接以高能键形式转移给底物分子中能量直接以高能键形式转移给ADP生成生成ATP.第33页氧化氧化氧化氧化是底物脱是底物脱是底物脱是底物脱H H或失或失或失或失e e过程过程过程过程,磷酸化磷酸化磷酸化磷酸化是是是是ADPADP与与与与PiPi合成合成合成合成 ATPATP过程过程过程过程.氧化是磷酸化基础氧化是磷酸化基础氧化是磷酸化基础氧化是磷酸化基础,磷酸化是氧化结果磷酸化是氧化结果磷酸化是氧化结果磷酸化是氧化结果.在结构完整线粒体中氧化与磷酸化两个
42、过程是紧密地在结构完整线粒体中氧化与磷酸化两个过程是紧密地在结构完整线粒体中氧化与磷酸化两个过程是紧密地在结构完整线粒体中氧化与磷酸化两个过程是紧密地 偶联在一起，即氧化释放能量用于偶联在一起，即氧化释放能量用于偶联在一起，即氧化释放能量用于偶联在一起，即氧化释放能量用于ATPATP合成合成合成合成,这个这个这个这个 过程就是氧化磷酸化。过程就是氧化磷酸化。过程就是氧化磷酸化。过程就是氧化磷酸化。氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)e e从从从从NADHNADH或或或或FADHFADH2 2经经经经ETCETC传传传传递递递递到到到到OO2形形形形成成成成
43、水水水水，同同同同时时时时偶偶偶偶联联联联ADPADP磷磷磷磷酸酸酸酸化化化化生生生生成成成成ATPATP，称称称称为为为为电电电电子子子子传传传传递递递递偶偶偶偶联联联联磷磷磷磷酸酸酸酸化化化化或或或或氧氧氧氧化磷酸化化磷酸化化磷酸化化磷酸化,是需氧生物合成是需氧生物合成是需氧生物合成是需氧生物合成ATPATP主要主要主要主要路径。路径。路径。路径。第34页Electron transport and ATP synthesis are normally tightly coupled.第35页 P/OP/O是指每消耗是指每消耗是指每消耗是指每消耗1 1个个个个OO(或每对或每对或每对或每对
44、e e经过经过经过经过ETCETC传递至传递至传递至传递至OO2)所产生所产生所产生所产生ATPATP分子数。分子数。分子数。分子数。6.3.2 氧化磷酸化与电子传递偶联氧化磷酸化与电子传递偶联6.3.2.1 P/O值测定值测定 NADH 2.5 (3)FADH2 1.5 (2)P/O比值比值 在反应系统中加入不一样底物在反应系统中加入不一样底物在反应系统中加入不一样底物在反应系统中加入不一样底物,可测得各自可测得各自可测得各自可测得各自P/OP/O值，值，值，值，结合结合结合结合ETCETC传递次序，可分析出大致偶联部位。传递次序，可分析出大致偶联部位。传递次序，可分析出大致偶联部位。传递次
45、序，可分析出大致偶联部位。第36页比较比较比较比较(1 1)和和和和(2 2),),ETCETC传递差异在传递差异在传递差异在传递差异在CoQCoQ之之之之前前前前,二者二者二者二者ATPATP生成数生成数生成数生成数 相差相差相差相差1 1,所以所以所以所以ATPATP生成部位一定在生成部位一定在生成部位一定在生成部位一定在NADCoQNADCoQ之间。之间。之间。之间。比较比较比较比较(2 2)和和和和(3 3),),ETCETC传递差异在传递差异在传递差异在传递差异在cyt.ccyt.c之间之间之间之间,二者二者二者二者ATPATP生成数生成数生成数生成数 相差相差相差相差1 1,所以所
46、以所以所以ATPATP生成部位一定在生成部位一定在生成部位一定在生成部位一定在CoQcyt.cCoQcyt.c之间。之间。之间。之间。比较比较比较比较(3 3)和和和和(4 4),),生成生成生成生成ATPATP数均为数均为数均为数均为1 1,ETCETC 传递区分是在传递区分是在传递区分是在传递区分是在 cyt.ccyt.aacyt.ccyt.aa3 3,故故故故cyt.caacyt.caa3不存在偶联部位不存在偶联部位不存在偶联部位不存在偶联部位,而在而在而在而在 cyt.aacyt.aa3 3OO2 2 之间存在着一个偶联部位。之间存在着一个偶联部位。之间存在着一个偶联部位。之间存在着一
47、个偶联部位。第37页6.3.2.2 电子传递过程能量改变电子传递过程能量改变e沿沿ETC由低电位流向高电位由低电位流向高电位,逐步释放能量。逐步释放能量。ATP ADP Pi 30.5 kJmol-1 G =-nF E 30.5 kJmol-1 E 0.1583 V1mol ATP在在在在NADCoQNADCoQ cyt.bcyt.ccyt.bcyt.c cyt.aacyt.aa3OO2处处处处 可能存在偶联。可能存在偶联。可能存在偶联。可能存在偶联。第38页6.3.3 氧化磷酸化机理氧化磷酸化机理1.NADH和和FADH2氧化过程中氧化过程中,e传递怎样偶联磷酸化传递怎样偶联磷酸化?50年代
48、年代 Slater及及Lehninger 化学偶联学说化学偶联学说 1964年年 Boyer.P.D.(美美)构象偶联学说构象偶联学说 (chemiosmotic hypothesis)1978年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 “旋转催化旋转催化”模型模型(分子马达分子马达)1997年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖2.ATP合酶怎样催化合酶怎样催化?发觉问题发觉问题分析问题分析问题处理问题处理问题提炼问题提炼问题 1961年年 P.Mitchell(英英)化学渗透学说化学渗透学说第39页6.3.3.1 线粒体偶联因子线粒体偶联因子F1-FO F1-FO-ATPase复合物复合物:ATP合酶系统合酶系统
49、或或ATP合酶合酶。(3 3),),球形球形球形球形,深入到深入到深入到深入到线粒体基质线粒体基质线粒体基质线粒体基质,酶催化部分。酶催化部分。酶催化部分。酶催化部分。亚基亚基:F1与膜相连与膜相连,H+通路通路 亚基亚基:酶调整部分酶调整部分 亚基亚基:控制控制H+经过闸门经过闸门 ,亚基亚基:ATP结合部位结合部位F1:横贯内膜横贯内膜横贯内膜横贯内膜,H H+通道通道通道通道,各种亚基各种亚基各种亚基各种亚基FO：OSCP:寡霉素敏感性蛋白寡霉素敏感性蛋白 参加调控参加调控F1-FO功效。功效。柄：柄：第40页第41页ETCETC中中中中e e传递体在线粒体内膜中传递体在线粒体内膜中传递
50、体在线粒体内膜中传递体在线粒体内膜中不对称分布不对称分布不对称分布不对称分布,递递递递H H体体体体,递递递递e e体体体体 间隔交替排列间隔交替排列间隔交替排列间隔交替排列,催化反应是定向催化反应是定向催化反应是定向催化反应是定向:传递传递传递传递e e过程中释放能量过程中释放能量过程中释放能量过程中释放能量 不停将线粒体基质内不停将线粒体基质内不停将线粒体基质内不停将线粒体基质内H H+逆浓度梯度逆浓度梯度逆浓度梯度逆浓度梯度泵出线粒体内膜。泵出线粒体内膜。泵出线粒体内膜。泵出线粒体内膜。6.3.3.2 化学渗透学说化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)H+电化学梯