1、维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。 生物氧化的本质：电子得失,第七章 生 物 氧 化biologocal-oxidation,（一）基本含义：,H2O+CO2+能量,生物体,营养物 （糖、脂、蛋白质）,O,特点：温和环境（37C中性）酶催化逐步释放能量（以高能磷酸酯键的形式储存）加水反应增加脱氢机会有机酸脱羧产生CO2,糖原,脂肪,蛋白质,葡萄糖,脂肪酸+甘油,氨基酸,三羧酸循环,营养物分解代谢的三个阶段,H
2、SCoA,O2,2H+2e,ATP ADP,2H+2e,O2,ADP ATP+Pi,I,II,III,（二）共同规律,乙酰CoA,线粒体的结构,线粒体呼吸链,一、呼吸链（ respiratory chain） 是指在线粒体内膜上一系列具有传递氢和电子，并按一定顺序排列的酶或辅酶，也称电子传递链（electron-transfer chain）。递氢体 递电子体,第一节 生成ATP的氧化体系,线粒体电子传递链四种复合物,I,II,III,IV,Q,e-,e-,e-,e-,e-,O2,FADH2,NADH,胞液侧,腺粒体内膜,基质侧,呼吸链各复合体位置示意图,Cyt c1,（一）呼吸链的组成1、组
3、成成分：（1）尼克酰胺核苷酸类(NAD+,NADP+)（2）黄素蛋白类（FMN，FAD）（3）铁硫蛋白(Fe-S)（4）泛醌（亦称辅酶Q，CoQ）（5）细胞色素类(cytochrome,Cyt),1复合体（NADH-泛醌还原酶）：,NADH还原酶 + Fe-S / FMN + CoQ,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2,NADHQ还原酶,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应变化发生在五价氮和三价氮之间。,N
4、,N,N,N,N,N,H,H,H,.H,.H,FMNH . (FADH .) （半醌型）,FMN (FAD) （醌型或氧化型）,FMNH2 (FADH2) （氢醌型或还原型）,10,1,10,1,10,1,.,黄素蛋白类,铁硫蛋白,铁硫蛋白(Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。,铁硫蛋白,它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。,CH2-S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,铁硫蛋白 铁硫族（Fe4S4),CH2-S,S-CH2,S-CH2,Fe2+,Fe3
5、+ + e-,铁硫蛋白的功能：将FMNH2的电子传递给泛醌。,泛醌,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电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。,CH3 -(CH2-CH=C-CH2)nH,泛醌,O,O,-R,泛醌 H. （半醌型）,OH,O,-R,泛醌. H2 （氢醌型或还原型）,OH,OH,H . ,H . ,.,泛 醌,辅酶-Q的功能,在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,复合体的功能,2复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）： 琥珀酸脱氢酶 + FAD / Fe-S + Cyt b560,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化
6、电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,N,N,N,N,Fe3+,CH3CH2-(CH2-CH=C-CH2)3-H HO-CH,H3C-,-CH3,-CH=CH2,O HC-,CH3,CH2 CH2 COO-,CH2 CH2 COO-,细胞色素a辅基,N,N,N,N,Fe3+,H3C-,-CH3,-CH=CH2,CH3,CH2 CH2 COO-,CH2 CH2 COO-,细胞色素b辅基,H3C-,H2C=CH,3复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）： Cytb（b562、b566） + Cytc1 + Fe-S,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,细胞色素c（cyt c）,Cyt c通过Fe
7、3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。,N,N,N,N,Fe3+,H3C-,-CH3,-CH-CH3,CH3,CH2 CH2 COO-,CH2 CH2 COO-,细胞色素c辅基,H3C-,CysS H3C-CH,CysS,蛋白质,4复合体（细胞色素c氧化酶）： Cu+Cyta + Cyta3,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,（二）电子传递链各组份的排列顺序,由以下实验确定 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,F,标准还原电位,半反应,E0(V),2H
8、+ + 2e H2 - 0.41 NAD+ + 2H + 2e NADH + H+ - 0.32 FMN + 2H + 2e FMN.H2 - 0.30 FAD + 2H + 2e FAD.H2 - 0.06 Q10 + 2H + 2e Q10 (还原型) 0. 04(或0.10) Cyt b (Fe3+) + e Cyt b (F 2 +) 0.07 Cyt c (Fe3+) + e Cyt c (F 2 +) 0.22 Cyt a (Fe3+) + e Cyt a (F 2 +) 0.29 Cyt a3 (Fe3+) + e Cyt a3 (F 2 +) 0.55 1/2O2 + 2H +
9、 2e H2 0.82,F,I,II,III,IV,Q,e-,e-,e-,e-,e-,O2,FADH2,NADH,胞液侧,腺粒体内膜,基质侧,呼吸链各复合体位置示意图,Cyt c,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链） 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3(Fe-S) (Fe-S) O2,FAD.H2(Fe-S),II,I,III,IV,琥珀酸,1NADH氧化呼吸链：,2. 琥珀酸氧化呼吸链：,二、氧化磷酸化 （oxidative p
10、hosphorylation）,（一）ATP生成方式：1.氧化磷酸化代谢物脱下的氢，经呼吸链电子传递过程中释出的能量使ADP磷酸化，生成ATP，这种氧化和磷酸化偶联在一起的过程称氧化磷酸化，也称偶联磷酸化。,或：指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP 磷酸化生成ATP的过程。,呼吸链 1/2O2 AH 2H H2O 氧化反应 A 能量 ADP+Pi ATP 磷酸化反应,氧化 磷酸化,2.底物水平磷酸化一种直接将代谢物分子中能量（磷酸基）直接转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程称底物水平磷酸化。,或：底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,1,3-二
11、磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,ADP ATP,磷酸甘油酸激酶,磷酸烯醇型丙酮酸,丙酮酸,丙酮酸激酶,ADP ATP,琥珀酰CoA合成酶,GDP GTP,琥珀酰CoA,琥珀酸,底物水平磷酸化的反应,（二）氧化磷酸化偶联部位1、 P/O比值是指代谢物在线粒体氧化时， 以每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数（或ADPmol数），也即生成ATP的mol数。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,底物 电子传递链 P/O值 ATP数琥珀酸 FAD.H2QCytO2 1.7 2-羟丁酸 NADHFMNQCyt O2 2.8 3苹果酸 NADHFMNQCyt O2 3.0 3抗坏血酸 CytcCyt
12、aa3O2 0.88 1 细胞色素C（Fe3+） Cytaa3 O2 0.68 1,伏特计,桥,溶液（X及X-各1mol/L),1mol/L H+与1大气压H2平衡,还 原 电 位 的 测 定 装 置,半反应: XH2 X-+2H+2e,2H+2e 2H,生物体内 pH=7, H+=10-7mol/L,2、自由能变化 （1）标准氧化还原电位（Eo）测定,NADH FMN CoQ Cytb Cytc aa3 O2(Fe-S),FAD.H2(Fe-S),1,2,3,电子传递链各组份的排列顺序和ATP产生部位,E0 = 0.36 E0 = 0.21 E0 = 0.27 G0 = 69.5 G0 =
13、40.5 G0 = 52.1,E0 = 0.10 G0 = 20,3 氧化磷酸化偶联部位（ATP产生部位）,（三）氧化磷酸化偶联机制1、化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）1961年，Peter Mitchell提出：,化学渗透假说的要点 a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b.电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度（质子浓度梯度和跨膜电位差），储存能量。 C.当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,化学渗透假说,c,a3,Cu,Cu,c1,Fes 2e -,QH2,b562,2e-,b56
14、6,2e-,FeS,FeS,FMNH2,2H+,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+ NAD+,1/2O2+2H+,H2O,胞液侧,基质侧,a,F,质子梯度的形成,F,化学渗透假说简单示意图,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,2ATP的合成机制：,离子通道,基质面,胞液面,头,柄,A T P合成酶模式图,底,亚基 亚基 亚基 亚基 亚基,IF1(inhibitor of F1) OSCP 偶联因子6（F6）,a亚基 b亚基 c亚基, 3 3 ,ab2cn,F1,F0,内 膜,2、ATP合酶（ATP synthase) （1）结构：,ATP合酶F1段的结构,ATP合酶的作用机制(
15、脂质体重建实验),（2）工作机制 Boyer提出的“结合变化机制” ATP合酶-亚基三种构象的,ATP,ATP,ATP,ATP,ADP Pi,ADP Pi,ADP Pi,ADP + Pi,Proton Flux,ATP,H+ H2O,O：开放型 L：疏松型 T ：紧密结合型,F,A.X反应中心,B.小亚基旋转, ATP合酶F1亚基转动模式图,ATP合成模式图,（2）ATP合成反应-氧化磷酸化,生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。 根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G -30.5 kJ / mol。 FMNH2
16、Q cyt. b cyt. c1 cyt. a a3 O2 G-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。 从琥珀酸 O2只产生2个ATP.,三、影响氧化磷酸化的因素,药物和毒物,（一）抑制剂抑制剂有3类： 呼吸链抑制剂解偶联剂氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位的电子的传递，如：（1）鱼藤酮、异戊巴比妥、杀粉蝶霉素A（2）抗霉素A（antimycin A)、二巯基丙醇（3）氰化物、硫化氢、叠氮化物(NaN3)和CO,NADH FMN (Fe-S) Q10 Cyt
17、b Cytc1 Cytc aa3O2,FAD.H2(Fe-S),鱼藤酮 异戊巴比妥 杀粉蝶霉素A,-,抗霉素A 二巯基丙醇,氰化物 硫化氢 叠氮化 CO,-,-,各种呼吸链抑制剂作用部位,2、解偶联剂(uncoupler)：使氧化与磷酸化偶联过程拆离。如：（1）2，4-二硝基苯酚(2,4-dinitrophenol, DNP)、（2）解偶联蛋白3、氧化磷酸化抑制剂：对电子传递过程及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素(Oligomycin)阻止质子经Fo回流，增高膜两侧电化学梯度。,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,F,寡霉素(oligomycin)
18、可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶结构模式图,3,0,（mol/ml),O2,底物,ADP,ADP,ADP,底物,时间（分）,ADP对线粒体呼吸的调节作用,线粒体,浓度,（二）ADP的调节作用,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。,（三）甲状腺激素促进氧化磷酸化1、诱导细胞膜上Na+-K+ ATP酶生成，促进ATP分解2、甲状腺激素（T3）可使解偶联蛋白基因表达增加（四）线粒体DNA突变影响氧
19、化磷酸化，使ATP生成减少与线粒体DNA病及衰老有关,四、ATP,1、高能化合物和高能键高能磷酸键：生物化学中,把磷酸化合物水解时释出的能量21KJ/mol者，其所含的磷酸酯键称为高能磷酸键（energy-rich phosphate bond)，以 P表示。高能硫酯键：由酰基和硫醇基构成，例如乙酰CoA、脂酰CoA和琥珀酰CoA等，水解时Go=-34.3 KJ/mol。,O,N,N,N,N,NH2,-H,H-,OH,H,O - O-P O- O,O O-P O-P-O-CH2- O - O,OH,ATP,O,N,N,N,N,NH2,-H,H-,OH,H,H,O O-P-O-P-O-H2C-
20、O - O,CH3 CO-CH-C-CH2OOH CH3,CH2-NH- CH2 CO NH CH2 CH2 S,乙酰辅酶A（SH-CoA),O - O-P-O- O,泛酸,-巯基乙胺,CH3 C=O,2.ATP生成和利用,生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,Pi,Pi,ATP循环,营养物分解,H+e,1/2O2,氧化磷酸化,生物合成 肌肉收缩 信息传递 离子运转,ADP,ATP,底物水平磷酸化,ATP,ADP,NMP,NDP,NTP,吸能反应,生物大分子,前体,H2O,氧化磷酸化,Pi,2H+1/2O2,核苷多磷酸之间的转移,核苷单磷酸激酶,核苷二磷酸激酶,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作
21、为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,F,ATP循环的生物学意义,（1）生物体内能量转换最基本方式。静息时，一个成人24小时消耗ATP可达到40Kg，但细胞内ATP的浓度仅几个mol/L，ADP和Pi的含量也非常有限。 （2）磷酸盐在物质代谢的重要作用。主要表现在：糖酵解过程中的中间代谢物大部分是其磷酸酯；磷酸化和去磷酸化是众多活性蛋白，包括酶在内的共价修饰调节的重要方式。,高 能 化合物,类 型 通 式 举 例 G0 kj/mol磷酸酐 O OATP、GTPO - P - O P - O - -30.5 ADP、UTPO O - 烯醇磷酸 CH2 O 磷酸烯醇R - C - O P - O
22、- 型丙酮酸 -61.9O -,混合酐 （酰基磷酸） O O 1,3-二磷酸 R - C - O P - O- 甘油酸 -61.9O-磷酸胍类 NH O R - C - N P - O- 磷酸肌酸 -43.9H O-,（二）能量与磷酸基的转移1、ATP的利用方式 （1）末端磷酸基()与部分能量同时转移给反应物。ATP + 6-磷酸果糖 1，6-双磷酸果糖 + ADP （2）ATP水解为ADP及Pi，释放的能量供离子转运、肌肉收缩、羧化反应等，但磷酸基并不出现于 反应物中。ATP + 丙酮酸+ CO2ADP + Pi + 草酰乙酸,（3）ATP的另一个高能磷酸键（）被利用，生成PPi。ATP +
23、 脂肪酸+ HSCoA 脂酰CoA + AMP + Ppi ATP + 氨基酸氨基酰 AMP + PPi 2、核苷多磷酸之间的转换,3、其他高能磷酸化合物之间的转移 （1）磷酸肌酸的生成 （2）底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation),H2N+C-NH2 H3C-N CH2COO-,H2N+ H O C-NP-O- H3C-N O-CH2COO-,ATP ADP,肌酸激酶,(Creatine kinase),肌酸,磷酸肌酸CP,(Creatine phosphofate),线粒体外膜孔 蛋白，10kDa 的物质通过,线粒体内膜不 同的转运体,对 物质有选
24、择性,五、通过线粒体内膜的物质转移,线粒体内膜的主要转运蛋白,（一）胞液中NADH的氧化1、-磷酸甘油穿梭作用 一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用,一对氢原子可生成3分子ATP,CH2OH C=O CH2O- P,磷酸二羟丙酮,CH2OH CHOH CH2O- P,-磷酸甘油,NADH+H+,NAD+,QH2,Q,1/2O2,H2O,2P,FAD Fe-S,线粒体内膜,基质,胞液,磷酸甘油穿梭机制示意图,-磷酸甘油脱氢酶,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH通过此穿梭
25、系统带一对氢原子进入线粒体，只产生2分子ATP。,二羧酸 载体,Glu/Asp 载体,谷氨 酸,谷氨酸,天冬氨酸,a酮戊二酸,NAD+,NADH+H+,草酰乙酸,NADH+H+,NAD+,1/2O2,3P,H2O,苹果酸,苹果酸,苹果酸,苹果酸,苹果酸天冬氨酸穿梭,a酮戊二酸,天冬氨酸,草酰乙酸,胞液,内膜,基质,F,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,COOH CH2 CH2 CHNH2 COOH,COOH CH2 CH2 C=O COOH,COOH C=O CH2 C
26、OOH,COOH CHNH2 CH2 COOH,谷氨酸,草酰乙酸,天冬氨酸,-酮戊二酸,谷草转氨酶,H2PO4-,H+,ADP3-,ATP4-,H2O,H2PO4-,H+,ADP3-,ATP4-,胞液,线粒体 内膜,基质,腺苷酸载体,磷酸盐载体,（二）腺苷酸载体（ATP-ADP载体或转换酶）,ATP、ADP、Pi 的转运,不需氧脱氢酶： 一、需氧脱氢酶和氧化酶两者催化的反应中，代谢物脱下的氢均以氧为 受氢体，但也有区别。,第二节 其他氧化体系,（三）线粒体蛋白质的跨膜转运（略）,需氧脱氢酶和氧化酶的主要区别,酶 类 辅 基 产 物 举 例 需氧脱氢酶 FMN H2O2 D-氨基酸脱氢酶（FAD
27、，肝肾）FAD L-氨基酸脱氢酶（FMN，肾）醛氧化酶（FAD，肝） 氧化酶 Cu2+ H2O 细胞色素c 氧化酶抗坏血酸氧化酶 儿茶酚胺氧化酶,二、过氧化物酶体中的氧化酶类 （一）过氧化氢酶（catalase）又称触酶，辅基为血红素，催化反应如下：,2H2O2 2H2O + O2,（二）过氧化物酶（perioxidase）辅基为血红素，催化反应如下：,R + H2O2 RO + H2O 或 RH2 + H2O2 R + 2H2O,三、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）,反应氧族：O2-、H2O2、OH 等 辅基：胞液中是Cu2+和Zn2+，称为CuZn-SOD
28、线粒体是Mn2+，称为Mn-SOD 催化反应：,2 O2- + 2H H2O2 + O2,SOD,四、谷胱甘肽过氧化物酶,2G SHG-S-S-G,NADP+NADPH + H+,H2O2或ROOHH2O或 ROH + H2O,谷胱甘肽过氧化物酶,谷胱甘肽还原酶,五、微粒体中的氧化酶类 （一）加单氧酶（monooxygenase）又称混合功能氧化酶（mixed function oxidase） 或羟化酶（hydroxylase）,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,结构：,Cytp450 NADPH-细胞色素p450还原酶（或称铁氧还蛋白还原酶），辅基：FAD或FMN和(Fe-S)2 NADPH,催化机理：,RH .P450.Fe2+,O2,RH .P450. Fe2+:O2,RH .P450. Fe3+.O2-,RH .P450. Fe2+.O2 -,P450.Fe3+,RH .P450. Fe3+,NADP+,FAD,FAD.2H,2(FeS),2(FeS),2e-,RH,2H+,H2O,R-OH,加 单 氧 酶 反 应 机 理,NADPH,+ H+,（二）加双氧酶,CH2CHCOOHNH2,N H,O C-CH2CHCOOHNH2,N-CHO H,+ O2,色氨酸,甲酰犬尿酸原,
