生物氧化和氧化磷酸化

關(guān)于生物氧化和氧化磷酸化生物氧化和氧化磷酸化生物氧化概述1生物能及其存在形式2電子傳遞鏈3氧化磷酸化和ATP合成4第2頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.1新陳代謝總論（一）新陳代謝的概念需要能量釋放能量能量代謝新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子生物大分子分解為生物小分子物質(zhì)代謝1.生物氧化概述第3頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（二）生物系統(tǒng)中的能流化學(xué)能電能機(jī)械能熱能太陽的光能光合作用化學(xué)能生物氧化能量通貨ATP光合作用生物氧化氧化磷酸化NADPHFADH2

第4頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（三）生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有作功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度或無序性，是一種無用的能。對于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]P246ΔG°=ΔH-TΔSΔG°=-2.303RTlgKΔG°=-nFΔE第5頁,共113頁，2024年2月25日，星期天有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用，稱為生物氧化生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用光能（太陽能）:植物和某些藻類，通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能(非活性生物能)?；瘜W(xué)能：通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)存儲的化學(xué)能釋放出來，并轉(zhuǎn)變成生物能(ATP)。生命能量來源1.2生物氧化概述糖、脂和蛋白質(zhì)在O2作用下經(jīng)過一系列分解反應(yīng)生成CO2和H2O，并釋放能量（ATP）的過程，稱為生物氧化。第6頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.脫氫氧化反應(yīng)A單純脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶(從作用底物上以脫去一對氫)。單純脫氫加水脫氫1.3生物氧化的方式和特點(diǎn)1.3.1生物氧化的方式（氧化還原反應(yīng)）H++e_P234[脫氫方式]

第7頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

琥珀酸脫氫乳酸脫氫第8頁,共113頁，2024年2月25日，星期天B加水脫氫酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。最終結(jié)果是：底物分子上加上了來自水的氧原子P234第9頁,共113頁，2024年2月25日，星期天脫氫酶的作用是使代謝物上的氫活化、脫落、并傳遞給其他受氫體脫氫酶的分類(按照脫氫酶所含的輔基不同)以核黃素為輔基的脫氫酶(黃素酶)以煙酰胺為輔基的脫氫酶FMNFADNADNADP需氧黃酶：以氧為直接受氫體，直接與氧結(jié)合生成過氧化氫不需氧黃酶：不以氧為直接受氫體，代謝物脫氫后首先將氫交給中間體，最后傳給分子氧生成水代謝物脫氫，由NAD與NADP接受又將氫交給中間體，最后傳遞給分子氧，而生成水第10頁,共113頁，2024年2月25日，星期天2.氧直接參加的氧化反應(yīng)[氧化方式]加氧酶:能夠催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中例如:主要是羥化酶

甲烷單加氧酶

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶:主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子()，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化(和分子氧結(jié)合)的（一般是含Cu2+的結(jié)合蛋白質(zhì)）。H++e_單加氧酶雙加氧酶第11頁,共113頁，2024年2月25日，星期天3.單純失電子常見的就是細(xì)胞色素類，輔基血紅素中的二價(jià)鐵離子

Fe

Fe+e2+3+_第12頁,共113頁，2024年2月25日，星期天生物體內(nèi)并不存在游離的質(zhì)子和電子，反應(yīng)中脫去的質(zhì)子和電子必須有另一物質(zhì)接受如果只接受電子，這種物質(zhì)稱為“受電子體”如果既接受電子，又接受質(zhì)子，這種物質(zhì)稱為”受氫體“如果只供出電子，這種物質(zhì)稱為“供電子體”如果既供出電子，又供出質(zhì)子，這種物質(zhì)稱為”供氫體“任何一個(gè)生物氧化反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)）供電子體和受電子體都是成對出現(xiàn)，供氫體和受氫體也是成對出現(xiàn)氧化反映和還原反映都是成對相偶聯(lián)的第13頁,共113頁，2024年2月25日，星期天任何一個(gè)生物氧化反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)）供電子體和受電子體都是成對出現(xiàn)，供氫體和受氫體也是成對出現(xiàn)氧化反映和還原反映都是成對相偶聯(lián)的A+BA+Bn+m+(n+1)+(m-1)+供電子體受電子體還原劑氧化劑AH2+BA+BH2供氫體受氫體還原劑氧化劑第14頁,共113頁，2024年2月25日，星期天在生物氧化中，通常一種物質(zhì)，它接受電子若又供出電子，這種物質(zhì)稱為”電子遞體“在一個(gè)反應(yīng)中是電子的受體，在另一個(gè)反應(yīng)中是電子的供體同理：如果這種物質(zhì)接受質(zhì)子又供出質(zhì)子，這種物質(zhì)稱為”氫遞體“在一個(gè)反應(yīng)中是質(zhì)子的受體，在另一個(gè)反應(yīng)中是質(zhì)子的供體生物氧化中，鐵硫蛋白和細(xì)胞色素類生物氧化中，NADH、NADPH、FADH2、FMNH2第15頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.3.2二氧化碳的生成方式A直接脫羧作用（單純脫羧基）氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如氨基酸的脫羧。細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2是有機(jī)酸在酶催化下的脫羧作用產(chǎn)生的丙酮酸草酰乙酸乙醛丙酮酸丙酮酸脫羧酶草酰乙酸羧激酶第16頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.3.2二氧化碳的生成方式B氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。脫羧酶的輔酶第17頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.3.3水的生成方式生物氧化中生成的水是代謝物中的氫經(jīng)脫氫酶作用脫下經(jīng)過生物氧化作用與氧結(jié)合而成的。第18頁,共113頁，2024年2月25日，星期天一酶體系水的生成是在一種酶的催化下完成的第19頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

很多植物及蔬菜中如馬鈴薯、茄子、蘋果等均含有很多氧化酶。當(dāng)它們被切開時(shí)，其中所含的多元酚（如單寧）便會在酶的作用下氧化成為棕色直至黑色化合物。這就是某些果菜切開時(shí)逐漸變黑的原因。鄰苯二酚鄰苯二醌第20頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

代謝物中的氫一般是不活潑的，必須經(jīng)脫氫酶作用才能脫落；進(jìn)入體內(nèi)的氧也必須在氧化酶作用下才可接受氫。在多數(shù)情況下，脫氫酶和氧化酶之間需一些傳遞體，才能把質(zhì)子和電子傳給氧結(jié)合成水。多酶體系以脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成生物氧化體系催化水的生成第21頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.3.5

生物氧化的特點(diǎn)1、條件溫和通常是在常溫常壓、生理pH及有水的環(huán)境下進(jìn)行的（高溫高壓）2、多步酶促反應(yīng)（自發(fā)進(jìn)行）3、能量逐步釋放（一步釋放）4、釋放的能量貯存于高能化合物如ATP中（無能量貯存形式）生物氧化和體外燃燒對比第22頁,共113頁，2024年2月25日，星期天2.生物能及其存在形式ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式生物能存在于高能化合物當(dāng)中,生物體在利用這些高能化合物的反應(yīng)時(shí),與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。ΔG°=ΔH-TΔSΔG°=-2.303RTlgKΔG°=-nFΔE第23頁,共113頁，2024年2月25日，星期天高能化合物一般將水解時(shí)能夠釋放20.92kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物稱為高能化合物ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類化合物，包含兩個(gè)高能磷酸健，釋放30.54KJ/mol能量高能鍵表示：~1，3-二磷酸甘油酸第24頁,共113頁，2024年2月25日，星期天高能化合物的分類高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇式磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物第25頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

1.磷氧鍵型（--O--P)(1)?；姿峄衔?,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性高能化合物分為:5千卡/mol第26頁,共113頁，2024年2月25日，星期天(1)?；姿峄衔锇被柞Ａ姿狨；佘账岚滨；佘账岬?7頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾第28頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾第29頁,共113頁，2024年2月25日，星期天2.氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。第30頁,共113頁，2024年2月25日，星期天3.硫酯鍵型腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A第31頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第32頁,共113頁，2024年2月25日，星期天ATP的結(jié)構(gòu)與功能PH=7時(shí)，ATP的三個(gè)磷酸基團(tuán)全部解離，以高負(fù)電荷存在ATP4-第33頁,共113頁，2024年2月25日，星期天ATP的結(jié)構(gòu)與功能ATP很容易和二價(jià)的陽離子結(jié)合，形成穩(wěn)定的可溶性絡(luò)合物生物體中，不論是游離的ATP，還是和酶結(jié)合ATP都是和Mg離子結(jié)合存在的2+Mg2+Mg2+Mg2+（αβ）（βγ）（γγ）第34頁,共113頁，2024年2月25日，星期天MgATP2-中的作用：穩(wěn)定ATP通過橋使ATP和酶進(jìn)行正確的活性中心定位輔助催化作用和的不同結(jié)合方式，可以保證多種酶的催化Mg2+Mg2+Mg2+ATP4-第35頁,共113頁，2024年2月25日，星期天3.線粒體呼吸鏈（電子傳遞鏈）細(xì)胞內(nèi)的線粒體內(nèi)膜是生物氧化的主要場所物質(zhì)在氧化分解過程中，代謝物上的氫在脫氫酶作用下激活脫落，以質(zhì)子和電子的形式交給輔助因子NAD或FAD，使其成為NADH或FADH2。NADH和FADH2的氫以質(zhì)子的形式脫去，電子則以一系列的傳遞體傳遞,最后傳遞給氧并結(jié)合質(zhì)子而生成水，稱為電子傳遞鏈或呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。

P237第36頁,共113頁，2024年2月25日，星期天單純脫氫第37頁,共113頁，2024年2月25日，星期天線粒體的結(jié)構(gòu)內(nèi)膜脊膜P249第38頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.復(fù)合體Ⅰ（NADH-泛醌Q還原酶）組分:NADH脫氫酶+FMN＋2（Fe-S）+CoQ3.1主要的電子傳遞復(fù)合體(NADH脫氫酶)第39頁,共113頁，2024年2月25日，星期天(1)NADH－泛醌Q還原酶輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。第40頁,共113頁，2024年2月25日，星期天(2)鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADH

Q還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在,也稱為“鐵硫中心”。第41頁,共113頁，2024年2月25日，星期天鐵硫蛋白結(jié)構(gòu)（已發(fā)現(xiàn)9種）它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用其中鐵和硫原子的數(shù)目是相等的,不同的鐵硫蛋白,只是在對數(shù)上不同,其中硫和鐵原子總是交叉排列第42頁,共113頁，2024年2月25日，星期天(3)NADH

泛醌Q還原酶（NADH脫氫酶）簡寫為NADH

Q還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及輔酶Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。存在于線粒體的內(nèi)膜上的內(nèi)在蛋白質(zhì)，其活性中心在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)，故它只能催化線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的NADH脫氫NADH

Q還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給輔酶Q。

NADH

Q還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第43頁,共113頁，2024年2月25日，星期天NADH

泛醌還原酶（NADH脫氫酶）該酶還有質(zhì)子泵功能,即FMNH2脫質(zhì)子、電子后，電子傳給后面的電子遞體，質(zhì)子則釋放到了線粒體內(nèi)膜外側(cè)。第44頁,共113頁，2024年2月25日，星期天泛醌第45頁,共113頁，2024年2月25日，星期天2.復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸-泛醌Q還原酶）（琥珀酸脫氫酶）

組分:琥珀酸脫氫酶+2（Fe-S）琥珀酸延胡索酸第46頁,共113頁，2024年2月25日，星期天琥珀酸-泛醌Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-泛醌Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給CoQ。琥珀酸-泛醌Q還原酶：是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,它比NADH-泛醌Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和兩個(gè)鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和輔酶Q的還原。第47頁,共113頁，2024年2月25日，星期天琥珀酸-泛醌Q還原酶（琥珀酸脫氫酶）

琥珀酸脫氫酶無質(zhì)子泵的功能。反應(yīng)中FADH2質(zhì)子是釋放在線粒體基質(zhì)中。第48頁,共113頁，2024年2月25日，星期天輔酶Q（泛醌Q）（CoQ）脂溶性化合物QQH·QH2

CoQ在呼吸連中可轉(zhuǎn)移質(zhì)子和電子，是一個(gè)遞氫體。電子傳遞鏈中唯一的非蛋白組分，是一個(gè)十分靈活的載體第49頁,共113頁，2024年2月25日，星期天3.復(fù)合體Ⅲ（泛醌Q-細(xì)胞色素c還原酶）

組分:2Cytb+CytC1+（2Fe-2S）QH2帶的一個(gè)電子通過鐵硫蛋白，傳遞給Cyt.C1，本身形成半醌式（QH

）,2H+泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè)；另一個(gè)電子則傳遞給Cyt.b。還原型Cyt.b可以將QH

還原成QH2（醌式）。結(jié)果:通過一個(gè)循環(huán)，QH2將其中的一個(gè)電子傳遞給Cyt.C。一次循環(huán)一般每次需要兩次循環(huán)，兩個(gè)QH2，把2個(gè)電子交給CytC第50頁,共113頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合體Ⅲ(泛醌

細(xì)胞色素c還原酶)

QH2+2CytC(Fe3+)====Q+2CytC(Fe2+)+2H+

泛醌泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè)簡寫為CoQH2-CytC還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素C（CytC）的還原。QH2-CytC還原酶由9個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕?xì)胞色素b和C1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。QH2-CytC還原酶第51頁,共113頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合體Ⅲ(泛醌

細(xì)胞色素C還原酶)

有質(zhì)子泵的功能第52頁,共113頁，2024年2月25日，星期天這是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)。在生物氧化反應(yīng)中，其鐵離子可為+2價(jià)亞鐵離子，也可為+3價(jià)高鐵離子。通過這種轉(zhuǎn)變而傳遞電子。細(xì)胞色素為單電子傳遞體。細(xì)胞色素可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），CytC，CytC1；而存在于微粒體的細(xì)胞色素有CytP450和Cytb5。電子傳遞鏈中的細(xì)胞色素包括五種：CytbCytC1CytCCytaa3細(xì)胞色素類（蛋白質(zhì)）第53頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

Cytb和C1都是線粒體內(nèi)膜上的嵌入蛋白，這兩種細(xì)胞色素是以復(fù)合體的形式存在，這個(gè)復(fù)合體也存在一個(gè)鐵硫蛋白。細(xì)胞色素bC1（Cyt.bCytC1）第54頁,共113頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞色素C（Cyt.C）

獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜外周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同在電子傳遞過程中，Cytc通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第55頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

CytC是電子傳遞鏈中唯一的外周蛋白，它位于線粒體內(nèi)膜外側(cè)，含有104個(gè)氨基酸，分子量13000。大多數(shù)細(xì)胞色素的鐵卟啉是以非共價(jià)鍵和酶蛋白結(jié)合，細(xì)胞色素C的血紅素則是通過卟啉上乙烯基的C和酶蛋白的半胱氨酸的巰基通過硫醚鍵而連接的（唯一性）。作用：可接受細(xì)胞色素C1（復(fù)合體Ⅲ

）傳來的電子而交給細(xì)胞色素aa3（復(fù)合體Ⅳ）第56頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）（Cyta＋Cyta3）

組分:Cyta(Cu2+)+Cyta3(Cu2+)+Fe-S

第57頁,共113頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素c氧化酶)簡寫為Cyt.C氧化酶，即復(fù)合物IV所含的不是血紅素，而是血紅素A（2位上不是一個(gè)乙烯基，而是一個(gè)17碳的烯烴鏈；8為不是一個(gè)甲基，而是一個(gè)甲?；?；鐵原子不是6配位，而是5配位）1Cyta和Cyta3第58頁,共113頁，2024年2月25日，星期天它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕–yta和Cyta312個(gè)亞基可分為三個(gè)大亞基，和三個(gè)小亞基，其中三個(gè)大亞基由線粒體自身的基因組編碼，三個(gè)小亞基由核DNA編碼第59頁,共113頁，2024年2月25日，星期天Cyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有兩個(gè)銅(Cu2+)原子。cytaa3可以直接以O(shè)2為電子受體。

Cyta的活性中心位于線粒體的內(nèi)膜外側(cè)，可接受細(xì)胞色素C傳過來的電子，然后轉(zhuǎn)移給Cu2+

，Cu2+又將電子轉(zhuǎn)移給細(xì)胞色素Cyta3，Cyta3的活性中心在線粒體的內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，可將電子交給分子氧而生成水。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。有質(zhì)子泵的功能CytaCyta3第60頁,共113頁，2024年2月25日，星期天bc1aa3第61頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

3.2呼吸鏈成分的排列順序

第62頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

美國Green實(shí)驗(yàn)室成功地將呼吸鏈分成4個(gè)復(fù)合體和CoQCytC擺渡者擺渡者四個(gè)復(fù)合體是運(yùn)動(dòng)的，平均速度為40nm/ms，而CoQ，CytC的移動(dòng)速度是復(fù)合體的10倍第63頁,共113頁，2024年2月25日，星期天擺渡者擺渡者復(fù)合體III要接受復(fù)合體III的電子，而復(fù)合體III是雙電子載體，而復(fù)合體III是單電子載體，那如何保證復(fù)合體III能順利的轉(zhuǎn)移電子呢？復(fù)合體IIIIV的量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合體III，而QCytC的量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合體的數(shù)量第64頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（一）電子傳遞鏈的種類按照接受代謝物脫下的氫的受體不同，典型的電子傳遞鏈有兩種:

NADH脫氫酶呼吸鏈琥珀酸脫氫酶呼吸鏈

1、NADH脫氫酶呼吸鏈（或NADH電子傳遞鏈）蘋果酸NADHFP1(FMN·FeS)CoQCytb(Fe-S)Cytc1CytcCyta·a3(Cu2+)O2P240第65頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

2、琥珀酸脫氫酶呼吸鏈（FADH2電子傳遞鏈)（一）電子傳遞鏈的種類FP2（FAD）琥珀酸FADH2CoQCytb(Fe-S)Cytc1CytcCyta·a3(Cu2+)其中FP2代表琥珀酸脫氫酶O2在呼吸鏈中各個(gè)電子傳遞體的排列順序,是由各氧化還原電對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位大小決定的。電子在呼吸鏈中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是電位梯度。第66頁,共113頁，2024年2月25日，星期天（二）電子傳遞鏈的組分順序和氧化還原電位電子是從低的氧化還原電勢流向高的氧化還原電勢NADHFP1(FMN·FeS)CoQCytb(Fe-S)-0.32-0.30+0.045+0.07魚藤酮0.045–(-0.3)=0.345V+0.82CytcO2+0.23+0.25+0.385抗霉素A氰化物、一氧化碳Cytc1Cyta·a3(Cu2+)0.25+0.07=0.32V0.82-0.385=0.435V第67頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.氧化磷酸化和ATP合成

氧化磷酸化作用：指生物氧化的放能過程與ATP合成的需能過程相偶聯(lián)而合成ATP的過程。氧化磷酸作用分為：底物水平磷酸化、電子傳遞鏈氧化磷酸化直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過程稱為底物水平磷酸化。P252第68頁,共113頁，2024年2月25日，星期天底物水平磷酸化見于下列三個(gè)反應(yīng)：⑴3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

⑶琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP第69頁,共113頁，2024年2月25日，星期天ATPATPATP電子從NADH、FADH2經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給氧生成水時(shí)，電子傳遞的放能過程與ATP合成的需能過程相偶聯(lián)而合成ATP的過程，稱為電子傳遞鏈磷酸化。第70頁,共113頁，2024年2月25日，星期天合成1molATP時(shí)，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。

FAD

↓

NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04

+0.07+0.22+0.25

+0.29+0.82

ATP

ATP

ATP第71頁,共113頁，2024年2月25日，星期天第72頁,共113頁，2024年2月25日，星期天第73頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.1氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系。每消耗一摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)稱為P/O比值。NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。第74頁,共113頁，2024年2月25日，星期天序號底物電子受體抑制劑電子傳遞的組分P/O12NADH琥珀酸

O2O2

復(fù)合體ⅠQ復(fù)合體Ⅲ

復(fù)合體Ⅳ32不同底物的P/O比值復(fù)合體Ⅱ

Q復(fù)合體Ⅲ

復(fù)合體Ⅳ復(fù)合體Ⅳ復(fù)合體ⅠQCytb抗霉素A鐵氰化物鐵氰化物抗霉素A琥珀酸NADH45復(fù)合體ⅡQCytb10Cytc(red)3O2

1第75頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.2氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制目前公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，H+通過質(zhì)子泵作用被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的“勢能”，可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。機(jī)理：化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說，構(gòu)像偶聯(lián)學(xué)說，化學(xué)滲透學(xué)說第76頁,共113頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)a.線粒體內(nèi)膜是完整的膜b.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈具有質(zhì)子泵的功能；c.在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對H+是不通透的）。膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度(

pH)和電位梯度（

）；d.在膜內(nèi)外勢能差（

pH和

）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。第77頁,共113頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)滲透學(xué)說示意圖第78頁,共113頁，2024年2月25日，星期天第79頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.2.1質(zhì)子梯度的形成機(jī)制

質(zhì)子的轉(zhuǎn)移主要通過氧化呼吸鏈在遞氫或遞電子過程中所形成的氧化還原反應(yīng)來完成。第80頁,共113頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)子梯度的形成第81頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.2.2ATP的合成機(jī)制當(dāng)質(zhì)子從線粒體膜間腔返回基質(zhì)中時(shí)，這種“勢能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。第82頁,共113頁，2024年2月25日，星期天ATP合成酶系統(tǒng)（F1-F0復(fù)合體）線粒體內(nèi)膜上的球狀體具有合成ATP的功能。第83頁,共113頁，2024年2月25日，星期天F1F0OSCP+F6ATP合成酶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（F1-F0復(fù)合體）第84頁,共113頁，2024年2月25日，星期天F1因子-是ATP的合成部位，因而又稱為ATP合成酶。F0因子是疏水性蛋白；它完全與內(nèi)膜結(jié)合在一起，其功能一是作為整個(gè)復(fù)合體的基底部，二是作為質(zhì)子通道。連接F1、F0的柄部蛋白稱為OSCP(賦予寡霉素敏感性蛋白）；即在寡霉素（氧化磷酸化抑制劑）存在時(shí)，F(xiàn)1合成ATP的活性受到了抑制。偶合因子F6＋賦予寡霉素敏感性蛋白OSCP

第85頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.3氧化磷酸化的影響因素A.ATP/ADP比值A(chǔ)TP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，則氧化磷酸化速度加快；ATP/ADP比值升高，則氧化磷酸化速度減慢。

B.甲狀腺激素甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。第86頁,共113頁，2024年2月25日，星期天1.呼吸鏈的抑制劑能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為呼吸鏈抑制劑

C.藥物和毒物

O2P259第87頁,共113頁，2024年2月25日，星期天能夠抑制第一位點(diǎn)的有：異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等；能夠抑制第二位點(diǎn)的有：抗霉素A、二巰基丙醇；能夠抑制第三位點(diǎn)的有：CO、H2S和CN-、N3-。CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+第88頁,共113頁，2024年2月25日，星期天2.解偶聯(lián)劑不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑主要的解偶聯(lián)劑有：2,4-二硝基酚(DNP)、雙香豆素C.藥物和毒物

第89頁,共113頁，2024年2月25日，星期天在pH7的環(huán)境下，2,4-二硝基苯酚的酚羥基解離，分子以負(fù)離子形式存在，這種形式因其不溶于脂，故不能透過膜。在酸性環(huán)境下。2,4-二硝基苯酚接受質(zhì)子變?yōu)橹苄?，易透過膜，同時(shí)將一個(gè)質(zhì)子帶入膜內(nèi)。這樣在內(nèi)膜外側(cè)，因質(zhì)子濃度大，DNP結(jié)合質(zhì)子，然后過膜在內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，由于質(zhì)子濃度低，DNP放出質(zhì)子，多個(gè)DNP過膜，則瓦解了內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度。DNP第90頁,共113頁，2024年2月25日，星期天3.氧化磷酸化的抑制劑能直接抑制ATP形成的物質(zhì)稱為氧化磷酸化抑制劑,如:寡霉素這類物質(zhì)既抑制氧的利用，又抑制ATP的形成，但不直接抑制電子的傳遞常見的氧化磷酸化抑制劑：寡霉素C.藥物和毒物

可堵塞ATP合成酶系的FO

的質(zhì)子通道第91頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.5線粒體外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。主要包括:A.磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進(jìn)入線粒體，只產(chǎn)生2分子ATP。B.蘋果酸穿梭系統(tǒng)：NADH+H+的一對氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子可生成3分子ATP。

第92頁,共113頁，2024年2月25日，星期天磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油脫氫酶：以兩種狀態(tài)存在：一種是可溶性的，存在與細(xì)胞質(zhì)中，酶的輔基是NAD+一種是膜蛋白，存在于線粒體內(nèi)膜上，酶的輔基是FAD，其活性中心在內(nèi)膜外側(cè)。外源NADH經(jīng)過此系統(tǒng)進(jìn)入電子傳遞鏈，直接將電子傳遞給輔酶Q，生成2ATP第93頁,共113頁，2024年2月25日，星期天蘋果酸穿梭作用第94頁,共113頁，2024年2月25日，星期天線粒體外的NADPH的氧化與穿梭

異檸檬酸穿梭系統(tǒng)線粒體內(nèi)生成的NADPH轉(zhuǎn)氫酶NADH呼吸鏈線粒體外生成的NADPH合成其他物質(zhì)提供還原力進(jìn)入線粒體內(nèi)氧化放能NADPH+H+NADP+α-酮戊二酸異檸檬酸α-酮戊二酸異檸檬酸NADHNAD+異檸檬酸脫氫酶（以NADP+為輔酶）異檸檬酸脫氫酶（以NAD+為輔酶）細(xì)胞質(zhì)線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜P256CO2

CO2

第95頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.6ATPADP和無機(jī)磷的運(yùn)輸ATP的合成主要在線粒體中進(jìn)行,而利用ATP的場所主要在線粒體外的其他細(xì)胞器,ATP必須不斷運(yùn)送到線粒體外,而合成ATP的材料ADP和磷酸必須又不斷運(yùn)送到線粒體內(nèi).(1)ATPADP的運(yùn)輸ATP和ADP通過一個(gè)交換體進(jìn)行運(yùn)輸,稱為ATP/ADP交換體,也稱為腺苷酸載體.這種載體在膜上以二聚體的形式存在,若解離成單體則沒有運(yùn)輸能力.這種交換是一個(gè)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程,每運(yùn)輸出一個(gè)ATP,運(yùn)輸進(jìn)入一個(gè)ADP,相當(dāng)于把一個(gè)負(fù)電荷帶到了內(nèi)膜的外側(cè),就會中和一個(gè)膜外的正電荷,而減小質(zhì)子的電化學(xué)梯度.ATP4-ADP3-第96頁,共113頁，2024年2月25日，星期天4.6ATPADP和無機(jī)磷的運(yùn)輸(2)磷酸的運(yùn)輸在線粒體內(nèi)膜上存在磷酸載體,可使內(nèi)膜外側(cè)的H2PO4-和內(nèi)側(cè)的OH-離子進(jìn)行交換.這種交換也是主動(dòng)運(yùn)輸,每輸出一個(gè)OH-離子,就中和膜外一個(gè)H+從而減小質(zhì)子的電化學(xué)梯度.第97頁,共113頁，2024年2月25日，星期天

5.細(xì)胞內(nèi)ATP含量的調(diào)節(jié)

能荷：是指總的腺苷酸系統(tǒng)中所負(fù)荷的ATP的比例由于ATP含有兩個(gè)高能磷酸鍵，ADP含有一個(gè)高能磷酸鍵，所以1molADP只相當(dāng)于1/2molATP。細(xì)胞內(nèi)存在三種形式的腺苷酸即ATP、ADP、AMP稱為腺苷酸庫這三種腺苷酸在細(xì)胞中的相對含量，代表著細(xì)胞的能量狀態(tài)Atkinson（1968年）提出“能荷”表示細(xì)胞的能量狀態(tài)第98頁,共113頁，2024年2月25日，星期天能荷的數(shù)值在0－1之間。大多數(shù)細(xì)胞的能荷在0.8,變動(dòng)范圍為0.8－0.95。細(xì)胞中能荷的大小，對細(xì)胞的代謝活動(dòng)有重要的調(diào)節(jié)作用。在正常狀態(tài)下，能荷值很高，即ATP含量相對很高而ADP含量非常低，此時(shí)ATP合成受抑制。當(dāng)能荷降低時(shí)，即ATP分解速度加大，ADP含量升高，此時(shí)就加快合成ATP的速度，使之回到正常水平。可見能荷的高低，有效地調(diào)節(jié)著合成和消耗ATP的許多過程。第99頁,共113頁，2024年2月25日，星期天第100頁,共113頁，2024年2月25日，星期天6.ATP的利用(1)ATP的直接利用供能ATP是生物界普遍的直接供能體,大部分的生理反應(yīng)都需要ATP如:肌肉收縮鰻魚放電螢火蟲發(fā)光等第101頁,共113頁，2024年2月25日，星期天6.ATP的利用(2)ATP的間接利用ATP也可以轉(zhuǎn)化成其他的核苷三磷酸間接供能體內(nèi)一些反應(yīng)不能直接利用ATP,而是以其他核苷三磷酸為能量供應(yīng)體(NTP)如:多糖的合成,需要UTP磷脂合成,需要CTP蛋白質(zhì)合成,需要G