生物氧化三羧酸循环讲稿.ppt

关于生物氧化三羧酸关于生物氧化三羧酸循环循环第一页，讲稿共八十二页哦概概 述述 维持生命活动的能量来源：维持生命活动的能量来源：光能（太阳能）：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。光能转变成生物能。化学能：化学能：动物和大多数的微生物，通过动物和大多数的微生物，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）存储的作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。化学能释放出来，并转变成生物能。第二页，讲稿共八十二页哦概概 述述 生物氧化生物氧化有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要生物氧化通常需要消耗氧消耗氧，所以又称为，所以又称为呼吸作用呼吸作用。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成COCO2 2和水，并释放出能量。和水，并释放出能量。第三页，讲稿共八十二页哦生生 物物 代代 谢谢 生物代谢生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）和能量交是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）和能量交换的过程。换的过程。合成代谢合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。该过程中一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。该过程中伴随着伴随着能量的消耗能量的消耗。分解代谢分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。该过程中则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。该过程中伴随着能量的释放伴随着能量的释放。包括营养物质的包括营养物质的消化吸收、消化吸收、中间代谢中间代谢以及代谢产物的排泄以及代谢产物的排泄等阶段。生物化学中着重讨论等阶段。生物化学中着重讨论中间代谢。中间代谢。第四页，讲稿共八十二页哦生生 物物 代代 谢谢 糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分分解代谢途径解代谢途径则有共同之处，即则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸列分解反应后都生成了酮酸并进入并进入三羧酸循环三羧酸循环（TCA,tricarboxylic acid cycle），），最后被氧化成最后被氧化成COCO2 2和和H H2 2O O。第五页，讲稿共八十二页哦8.1 8.1 生物氧化的方式和特点生物氧化的方式和特点 8.1.1 8.1.1 生物氧化的方式生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。还原酶催化下分步进行的。每每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。主要包括如下几种氧化方式。脱氢氧化作用脱氢氧化作用、加氧氧化作用加氧氧化作用和和生成二氧化碳的氧化生成二氧化碳的氧化作用作用第六页，讲稿共八十二页哦8.1.1.1 8.1.1.1 脱氢氧化反应脱氢氧化反应（1 1）直接脱氢）直接脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶脱氢酶。第七页，讲稿共八十二页哦烷基脂肪酸脱氢 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH第八页，讲稿共八十二页哦醛酮脱氢 乳酸脱氢乳酸脱氢CH3CHCOOHOHNAD+NADHCH3CCOOHO第九页，讲稿共八十二页哦（2 2）加水脱氢）加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+2e-+R C OHO 酶R C OHHOH H2OR C OH第十页，讲稿共八十二页哦8.1.1.2 氧直接参加的氧化反应 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。化酶催化的生成水的反应。加氧酶加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，中。例如，甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4+NADH +O+NADH +O2 2 CH CH3 3-OH +NAD-OH +NAD+H+H2 2O O第十一页，讲稿共八十二页哦8.1.1.2 氧直接参加的氧化反应 氧化酶氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。行氧化的。第十二页，讲稿共八十二页哦8.1.1.38.1.1.3生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应（1 1）直接脱羧作用直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（p.147p.147）第十三页，讲稿共八十二页哦8.1.1.38.1.1.3生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应（2 2）氧化脱羧作用氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧在氧化脱羧(氢氢)酶系的催化下，在脱羧的同酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸的氧化脱羧生成丙酮酸。（。（p.147p.147）第十四页，讲稿共八十二页哦8.1.2 生物氧化的特点 1.1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。2.2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。生。3.3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。作用直接参予了氧化反应。4.4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。第十五页，讲稿共八十二页哦 5.5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。放能量，提高能量利用率。6.6.生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成相偶联，转合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能换成生物体能够直接利用的生物能ATPATP。8.1.2 生物氧化的特点第十六页，讲稿共八十二页哦 8.2.1 8.2.1 生物能和生物能和ATPATP 1 1）ATPATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式 ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形是能够被生物细胞直接利用的能量形式。式。2 2）生物化学反应的自由能变化）生物化学反应的自由能变化 生物化学反应与普通的化学反应一样生物化学反应与普通的化学反应一样,也也服从服从热力学的规律热力学的规律。8.2 生物能及其存在形式第十七页，讲稿共八十二页哦8.2.2 高能化合物 磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起着重磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起着重要作用。许多要作用。许多磷酸酯类化合物磷酸酯类化合物在水解过程中都能在水解过程中都能够释放出自由能。够释放出自由能。一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 21 kJ/molkJ/mol（5 5千卡千卡/mol)mol)以以上自由能（上自由能（G G -21 kJ/mol-21 kJ/mol）的化合物的化合物称为称为高高能化合物能化合物。第十八页，讲稿共八十二页哦8.2.2 高能化合物 ATPATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可分成以下几种根据生物体内高能化合物键的特性可分成以下几种类型。类型。P.144P.144表表7-37-3第十九页，讲稿共八十二页哦 1 1）磷氧键型（）磷氧键型（OP)OP)COC HOC H2O HOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔第二十页，讲稿共八十二页哦(1)(1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺苷酸RCH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸第二十一页，讲稿共八十二页哦（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸7.3千卡/摩尔第二十二页，讲稿共八十二页哦（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物OPOOC O O HCOC H2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第二十三页，讲稿共八十二页哦2 2）氮磷键型）氮磷键型OPOONHC NHN CH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第二十四页，讲稿共八十二页哦3）硫酯键型OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A第二十五页，讲稿共八十二页哦4）甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸第二十六页，讲稿共八十二页哦8.3 8.3 线粒体呼吸链和线粒体呼吸链和ATPATP合成合成 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，生物氧化还原链，当受氢体是当受氢体是氧时，称为呼吸链。氧时，称为呼吸链。第二十七页，讲稿共八十二页哦SH2SNAD+NADH+HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）第二十八页，讲稿共八十二页哦Overview of oxidative phosphorilation第二十九页，讲稿共八十二页哦线线 粒粒 体体 呼呼 吸吸 链链第三十页，讲稿共八十二页哦线粒体呼吸链线粒体呼吸链第三十一页，讲稿共八十二页哦 NADHNADH：还原型辅酶还原型辅酶 它是由它是由NADNAD+接受多种代谢产物脱氢得到接受多种代谢产物脱氢得到的产物。的产物。NADHNADH所携带的高能电子是线粒所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。体呼吸链主要电子供体之一。第三十二页，讲稿共八十二页哦铁硫蛋白铁硫蛋白 铁硫蛋白铁硫蛋白(简写简写为为Fe-S)Fe-S)是一种是一种与电子传递有与电子传递有关的蛋白质，关的蛋白质，它与它与NADHNADH Q Q还还原酶的其它蛋原酶的其它蛋白质组分结合白质组分结合成复合物形式成复合物形式存在存在。第三十三页，讲稿共八十二页哦铁硫蛋白铁硫蛋白 它主要以它主要以(2(2Fe-2S)Fe-2S)或或(4(4Fe-4S)Fe-4S)形式形式存在。存在。(2(2Fe-2S)Fe-2S)含有两个活泼的无机硫含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+FeFe2+2+变化起传递电子的作用变化起传递电子的作用第三十四页，讲稿共八十二页哦 NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶 简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶,即复合物即复合物I I，它的作用是催化它的作用是催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。一种还原酶。NADHNADH Q Q还原酶最少含有还原酶最少含有1616个多肽亚基。个多肽亚基。它的活性部分含有辅基它的活性部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。FMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型型FMNHFMNH2 2。还原型还原型FMNHFMNH2 2可以进一步将电子转移给可以进一步将电子转移给Q Q。NADH Q还原酶还原酶 NADH +Q +H+=NAD+QH2第三十五页，讲稿共八十二页哦NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶第三十六页，讲稿共八十二页哦第三十七页，讲稿共八十二页哦 泛醌泛醌（简写为（简写为Q Q）或辅酶或辅酶-Q Q（CoQCoQ）：）：它是电它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。一种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10第三十八页，讲稿共八十二页哦辅酶辅酶-Q Q的功能的功能 Q(Q(醌型结构醌型结构)很容易接很容易接受电子和质子，还原成受电子和质子，还原成QHQH2 2（还原型）；还原型）；QHQH2 2也也容易给出电子和质子，容易给出电子和质子，重新氧化成重新氧化成Q Q。因此，因此，它在线粒体呼吸链中作它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。为电子和质子的传递体。第三十九页，讲稿共八十二页哦 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶 简写为简写为QHQH2 2-cyt.c-cyt.c还原酶还原酶,即复合物即复合物III,III,它是线粒它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型原型QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（cyt.ccyt.c）的还原。的还原。QHQH2 2-cyt.c-cyt.c 还原酶还原酶QHQH2 2 +2 cyt.c(Fe+2 cyt.c(Fe3+3+)=Q +2 cyt.c(Fe)=Q +2 cyt.c(Fe2+2+)+2H)+2H+QH QH2 2-cyt.c-cyt.c还原酶由还原酶由9 9个多肽亚基组成。活性部分个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素主要包括细胞色素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白（以及铁硫蛋白（2 2Fe-2SFe-2S）。）。第四十页，讲稿共八十二页哦第四十一页，讲稿共八十二页哦细胞色素细胞色素（简写为（简写为cyt.cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c a,b,c 和和c c1 1等，组成它们的辅基分别为血红素等，组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和和C C。细胞色细胞色素素a,b,ca,b,c可以通过它们的紫外可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴可见吸收光谱来鉴别。别。细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变起传递的互变起传递电子的作用的。电子的作用的。第四十二页，讲稿共八十二页哦 细胞色素细胞色素c c（cyt.ccyt.c）它是电子传递链中一个它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素水。它与细胞色素c c1 1含含有相同的辅基，但是有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，在电子传递过程中，cyt.ccyt.c通过通过FeFe3+3+FeFe2+2+的互变起电子传的互变起电子传递中间体作用。递中间体作用。第四十三页，讲稿共八十二页哦 由于由于QHQH2 2是一个双电子载体，而参与上述反应过程是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分的其它组分(如如cyt.c)cyt.c)都是单电子传递体，所以，都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。实际反应情况比较复杂。QHQH2 2所携带的一个高能电所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给子通过铁硫蛋白，传递给cyt.ccyt.c，本身形成半醌自本身形成半醌自由基（由基（QHQH）；）；另一个电子则传递给另一个电子则传递给cyt.bcyt.b。还原型还原型cyt.bcyt.b可以将可以将QHQH 还原成还原成QHQH2 2。其结果是通过一个循环，其结果是通过一个循环，QHQH2 2将其中的一个电子传递给将其中的一个电子传递给cyt.ccyt.c。第四十四页，讲稿共八十二页哦 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 简写为简写为cyt.c cyt.c 氧化酶，氧化酶，即复合物即复合物IVIV，它是位于它是位于线粒体呼吸链末端的蛋线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由白复合物，由1212个多肽个多肽亚基组成。活性部分主亚基组成。活性部分主要包括要包括cyt.acyt.a和和a a3 3。第四十五页，讲稿共八十二页哦 cyt.acyt.a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。有铜原子。cyt.a acyt.a a3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生CuCu+CuCu2+2+的互变，将的互变，将cyt.ccyt.c所携带的电子传递给所携带的电子传递给O O2 2第四十六页，讲稿共八十二页哦细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶第四十七页，讲稿共八十二页哦琥珀酸琥珀酸-Q Q还原酶还原酶 琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q Q还原还原酶（复合物酶（复合物IIII）催化下，将两个高能电催化下，将两个高能电子传递给子传递给Q Q。再通过再通过QHQH2 2-cyt,c-cyt,c还原酶、还原酶、cyt.ccyt.c和和cyt.ccyt.c氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到O O2 2。第四十八页，讲稿共八十二页哦 琥珀酸琥珀酸-Q Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物复合物,它比它比NADH-QNADH-Q还原酶的结构简单，由还原酶的结构简单，由4 4个不个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FADFAD和铁和铁硫蛋白。硫蛋白。琥珀酸琥珀酸-Q Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q Q的还原的还原。第四十九页，讲稿共八十二页哦8.3.2 8.3.2 氧化氧化-还原电势与自由能的变化还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从在线粒体呼吸链中，推动电子从NADHNADH传递到传递到O O2 2的力，是由于的力，是由于NADNAD+/NADH+H/NADH+H+和和1/2 1/2 O O2 2/H/H2 2O O两个半反应之间存在很大的电势差。两个半反应之间存在很大的电势差。(a)a)O O2 2+2 H+2 H+2 e+2 e-H H2 2O EO E0 0=+0.82 V=+0.82 V(b)NAD(b)NAD+H+H+2 e+2 e-NADH E NADH E0 0=-0.322 V =-0.322 V 将将(a)a)减去减去(b)b)，即得即得(c)c)式：式：(c)c)O O2 2 +NADH+2H+NADH+2H+H H2 2O+NADO+NAD+E E0 0=+1.14 V=+1.14 V G G =-nF=-nF E E0 0=-2 =-2 96500 96500 1.14=-220 kJ/mol 1.14=-220 kJ/mol第五十页，讲稿共八十二页哦8.3.2 8.3.2 氧化氧化-还原电势与自由能的变化还原电势与自由能的变化第五十一页，讲稿共八十二页哦8.3.3 电子传递和电子传递和ATP的合成的合成 NADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到递到O O2 2的过程中，释放出大量的能量。的过程中，释放出大量的能量。这种高能电这种高能电子传递过程的释能反应与子传递过程的释能反应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需能反的需能反应相偶联，是应相偶联，是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。第五十二页，讲稿共八十二页哦（1 1）ATPATP酶复合体酶复合体 线粒体内膜的表面有一层规则地线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为间格排列着的球状颗粒，称为ATPATP酶复合体，是酶复合体，是ATPATP合成的场所。合成的场所。第五十三页，讲稿共八十二页哦 ATPATP酶，含有酶，含有5 5种种不同的亚基（按不同的亚基（按3 3、3 3、1 1、1 1 和和1 1 的比例结的比例结合）。合）。OSCPOSCP为一为一个蛋白，是能量个蛋白，是能量转换的通道。转换的通道。F F0 0为一个疏水蛋白，为一个疏水蛋白，是与线粒体电子是与线粒体电子传递系统连接的传递系统连接的部位。部位。第五十四页，讲稿共八十二页哦（2 2）ATPATP合成反应合成反应-氧化磷酸化氧化磷酸化 生物氧化的释能反应与生物氧化的释能反应与ADPADP的磷酰化反应偶联合成的磷酰化反应偶联合成ATPATP的过程，的过程，称为氧化磷酸化。称为氧化磷酸化。根据氧化根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADHNADH氧化过氧化过程中，有三个反应的程中，有三个反应的 G G -30.5 kJ/mol -30.5 kJ/mol。FMNHFMNH2 2 Q cyt.b Q cyt.b cyt.c cyt.c1 1 cyt.a a cyt.a a3 3 O O2 2 G G-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与这三个反应分别与ADPADP的磷酰化反应偶联，产生的磷酰化反应偶联，产生3 3个个ATPATP。这些这些反应称为反应称为呼吸链的偶联部位呼吸链的偶联部位。从琥珀酸从琥珀酸 O O2 2只产生只产生2 2个个ATP.ATP.第五十五页，讲稿共八十二页哦（2 2）ATPATP合成反应合成反应-氧化磷酸化氧化磷酸化 ATPATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATPATP合成伴随着质子浓合成伴随着质子浓度梯度的下降。度梯度的下降。由于质子浓度梯度是通过位于线粒体内膜上的电子传递复由于质子浓度梯度是通过位于线粒体内膜上的电子传递复合物建立的，所以有可能用底物的氧化来表示合成的合物建立的，所以有可能用底物的氧化来表示合成的ATPATP的的量。用分离出的线粒体进行的实验表明，量。用分离出的线粒体进行的实验表明，NADHNADH，FAD2FAD2和对二和对二（二甲氨基）苯二胺（二甲氨基）苯二胺（tetramethy-p-phenylenediaminetetramethy-p-phenylenediamine）（直接提供电子对给复合物（直接提供电子对给复合物IVIV）的氧化分别合成大约）的氧化分别合成大约3 3、2 2和和1 1个个ATPATP。该定量关系称为该定量关系称为P/OP/O比，表明合成的比，表明合成的ATPATP量与还量与还原的氧量之间的关系。原的氧量之间的关系。第五十六页，讲稿共八十二页哦（3 3）胞浆中胞浆中NADH的转移的转移 苹果酸穿梭苹果酸穿梭(malate aspartate shuttle)这种穿梭机制主要在肝、肾、心中发挥作用，其穿梭机制这种穿梭机制主要在肝、肾、心中发挥作用，其穿梭机制比较复杂，不仅需借助苹果酸、草酸乙酸的氧化还原，而且还比较复杂，不仅需借助苹果酸、草酸乙酸的氧化还原，而且还要借助要借助酮酸与氨基酸之间的转换，才能使胞液中来的酮酸与氨基酸之间的转换，才能使胞液中来的NADH的还原当量转移进入线粒体氧化。的还原当量转移进入线粒体氧化。第五十七页，讲稿共八十二页哦（3 3）胞浆中胞浆中NADH的转移的转移 苹果酸穿梭苹果酸穿梭(malate aspartate shuttle)第五十八页，讲稿共八十二页哦（3 3）胞浆中胞浆中NADH的转移的转移-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(glycerol-phosphate shuttle)该穿梭机制主要在脑及骨骼肌中，它是借助于该穿梭机制主要在脑及骨骼肌中，它是借助于-磷磷酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原转移还原当酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原转移还原当量，使线粒体外来自量，使线粒体外来自NADH的还原当量进入线粒体的还原当量进入线粒体的呼吸链氧化。的呼吸链氧化。第五十九页，讲稿共八十二页哦（3 3）胞浆中）胞浆中NADHNADH的转移的转移 -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(glycerole-phosphate shuttle)当胞液中当胞液中NADH浓度升高时，胞液中的磷酸二羟丙酮首浓度升高时，胞液中的磷酸二羟丙酮首先被先被NADH还原成还原成磷酸甘油磷酸甘油(3磷酸甘油磷酸甘油)，反应由，反应由甘油磷酸脱氢酶甘油磷酸脱氢酶(辅酶为辅酶为NAD+)催化，生成的催化，生成的磷酸甘磷酸甘油油可再经位于线粒体内膜近外侧部的可再经位于线粒体内膜近外侧部的甘油磷酸脱氢甘油磷酸脱氢酶酶催化氧化生成磷酸二羟丙酮。催化氧化生成磷酸二羟丙酮。第六十页，讲稿共八十二页哦（3 3）胞浆中）胞浆中NADHNADH的转移的转移-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(glycerol-phosphate shuttle)线粒体与胞液中的线粒体与胞液中的甘油磷酸脱氢酶为甘油磷酸脱氢酶为同工酶同工酶，两者不，两者不同在于线粒体内的同在于线粒体内的酶是以酶是以FAD为辅基为辅基的脱氢酶，而不的脱氢酶，而不是是NADH+，FAD所接受的质子、电子可直接经泛醌、所接受的质子、电子可直接经泛醌、复合体复合体、传递到氧，这样线粒体外的还原当量就传递到氧，这样线粒体外的还原当量就被转运到线粒体氧化了，被转运到线粒体氧化了，但通过这种穿梭机制结果只但通过这种穿梭机制结果只能生成能生成2分子分子ATP而不是而不是3分子分子ATP。第六十一页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制 线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放H H+是偶联的，即呼是偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的体基质内的H+H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜，这一过程的逆浓度梯度泵出线粒体内膜，这一过程的分子机理还不十分清楚。分子机理还不十分清楚。第六十二页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制第六十三页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制 化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：a.a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H H+迁移到膜外侧迁移到膜外侧（膜对（膜对H H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度生了跨膜质子梯度(pH)pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；第六十四页，讲稿共八十二页哦 c.c.在膜内外势能差（在膜内外势能差（pH pH 和和）的驱动下，膜外高能）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（质子沿着一个特殊通道（ATPATP酶的组成部分），跨膜酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP。第六十五页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制 H H+不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧H H+浓度浓度增高，基质内增高，基质内H H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位是跨膜电位。由于线粒体内膜两侧。由于线粒体内膜两侧H H+浓度不同，内膜两侧还浓度不同，内膜两侧还有一个有一个pHpH梯度梯度pHpH，膜外侧，膜外侧pHpH较基质较基质pHpH约低约低1.01.0单位，底物氧化过程单位，底物氧化过程中释放的自由能就储存于中释放的自由能就储存于和和pHpH中，若以中，若以P P表示总的质子移表示总的质子移动力，那么三者的关系可用下式表示：动力，那么三者的关系可用下式表示：P=P=-59-59pHpH第六十六页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制线粒体外的线粒体外的H H+可以通过线粒体内膜上的三分子体顺着可以通过线粒体内膜上的三分子体顺着H H+浓度梯度浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，H H+顺浓度顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于梯度方向运动所释放的自由能用于ATPATP的合成，寡霉素能与的合成，寡霉素能与OSCPOSCP结合，特异阻断这个结合，特异阻断这个H H+通道，从而抑制通道，从而抑制ATPATP合成。有关合成。有关ATPATP合成的合成的分子机制目前还不十分清楚。分子机制目前还不十分清楚。4.4.解偶联剂解偶联剂的作用是促进的作用是促进H H+被动扩散通过线粒体内膜，即增强线粒被动扩散通过线粒体内膜，即增强线粒体内膜对体内膜对H H+的通透性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子梯度，的通透性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成所以不能再合成ATPATP。第六十七页，讲稿共八十二页哦（4 4）偶联机制）偶联机制 总之，化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用总之，化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是的因素是H H+的跨膜梯度。每对的跨膜梯度。每对H H+通过三分子体回到线粒体通过三分子体回到线粒体基质中可以生成一分子基质中可以生成一分子ATPATP。以。以NADH+HNADH+H+作底物，其电子作底物，其电子沿呼吸链传递在线粒体内膜中形成三个回路，所以生沿呼吸链传递在线粒体内膜中形成三个回路，所以生成成3 3分子分子ATPATP。以。以FADH2FADH2为底物，其电子沿琥珀酸氧化呼为底物，其电子沿琥珀酸氧化呼吸链传递在线粒体内膜中形成两个回路，所以生成两吸链传递在线粒体内膜中形成两个回路，所以生成两个个ATPATP分子。分子。第六十八页，讲稿共八十二页哦8.3.4 8.3.4 底物水平磷酸化底物水平磷酸化ATP的生成方式的生成方式 体内体内ATP生成有两种方式：生成有两种方式：A.底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)底物分底物分子中的能量直接以高能键形式转移给子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化，这一磷酸化过程在胞浆和这个过程称为底物水平磷酸化，这一磷酸化过程在胞浆和线粒体中进行，包括有：线粒体中进行，包括有：第六十九页，讲稿共八十二页哦8.3.4 8.3.4 底物水平磷酸化底物水平磷酸化第七十页，讲稿共八十二页哦8.3.4 8.3.4 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 B.氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指电子的过程，而磷酸化是指ADP与与Pi合成合成ATP的过程。的过程。在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于ATP合成，这合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。化是氧化的结果。第七十一页，讲稿共八十二页哦8.3.4 8.3.4 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机体代谢过程中能量的机体代谢过程中能量的主要来源是线粒体主要来源是线粒体，既有氧化磷，既有氧化磷酸化，也有底物水平磷酸化，以前者为主要来源。胞液酸化，也有底物水平磷酸化，以前者为主要来源。胞液中底物水平磷酸化也能获得部分能量，实际上这是中底物水平磷酸化也能获得部分能量，实际上这是酵解酵解过程的能量来源过程的能量来源。对于酵解组织、红细胞和组织相对缺氧。对于酵解组织、红细胞和组织相对缺氧时的能量来源是十分重要的。时的能量来源是十分重要的。第七十二页，讲稿共八十二页哦8.3.5 8.3.5 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。化抑制剂和解偶联剂。A.A.呼吸抑制剂呼吸抑制剂这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计双波长分光光度计)检定，重要的呼吸检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种。抑制剂有以下几种。鱼藤酮鱼藤酮(rotenone)(rotenone)系系从植物中分离到的呼吸从植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制抑制剂，专一抑制NADHCoQNADHCoQ的电子传递；的电子传递；抗霉素抗霉素A(actinomycin A)A(actinomycin A)由霉