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,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 生物氧化,Biological Oxidation,1/72,生物氧化概念,生物氧化,(biological oxidation),，主要指糖、脂肪、蛋白质等在生物体经分解代谢，最终生成,CO,2,和,H,2,O,，同时逐步释放能量，供生命活动所需过程。这类进行反应,过程中细胞需摄取,O,2,、释放,CO,2,，故又形象地称之为,细胞呼吸,(cellular respiration),。,糖,脂肪,蛋白质,CO,2,+H,2,O,O,2,ADP+Pi,ATP,能量,热能,2/72,小分子化合物分解成共同中间产物（如,丙酮酸、乙酰,CoA,等,）,丙酮酸、乙酰,CoA,等经过三羧酸循环,电子传递,及,磷酸化,彻底氧化为,CO,2,、,H,2,O,。释放大量能量,大分子降解成基本结构单位,3/72,生物氧化路径,第一阶段：糖、脂肪、蛋白质分解成,各自组成单位,葡萄糖、脂肪酸和甘油、氨基酸（能量释放少，仅为蕴藏能量,1%,，且多以热能形式散失，不能储存）。,第二阶段：葡萄糖、脂肪酸、甘油和多数氨基酸经不一样反应过程生成,活性二碳化合物,乙酰辅酶,A,，这一阶段约释放总能量,1/3,，且能够生成,ATP,。,第三阶段：,三羧酸循环,和,氧化磷酸化,，是糖、脂肪和蛋白质分解代谢最终共同通路。营养物质中,2/3,能量是在这个阶段中释放出来，是生成,ATP,最多步骤。,4/72,生物氧化实质,是氧化磷酸化，是,NADH,、,FADH,2,上电子经过一系列电子传递体传递给,O,2,生成水，并将释放能量使,ADP,磷酸化形成,ATP,过程。,5/72,问题,还原当量是怎样在呼吸链中与氧结合生成水？,氧化呼吸链电子传递是怎样与,ATP,生成偶联在一起？,6/72,线粒体内膜是氧化磷酸化发生场所,在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定次序排列组成，与细胞呼吸过程相关链式反应体系称为呼吸链。,这些递氢体或递电子体往往以复合体形式存在于线粒体内膜上,。,线粒体结构,(A),呼吸链,(B),7/72,一、电子传递链,定义,电子从,NADH,到,O,2,传递所经过路径形象地称为,电子传递链,，也称呼吸链。由一系列递氢体,(hydrogen transfer),和递电子体,(eletron transfer),按一定次序排列所组成连续反应体系，将代谢物脱下成对氢原子交给氧生成水，同时有,ATP,生成。,8/72,氧化还原反应,Oxidation-reduction reaction,，是在反应前后元素,化合价,含有对应,升降改变,化学反应。,氧化还原,不可分,9/72,1.,得氧和失氧反应只是氧化还原反应中一部分。,2.,化合价发生改变是全部氧化还原反应共同特征。,3.,电子得失是氧化还原反应本质。,10/72,(,一,),电子传递链组成,由,4,种含有传递电子能力复合体组成,酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链天然存在形式，所含各组分共同完成电子传递过程。电子传递过程释放能量驱动,H,+,移出线粒体内膜，转变为跨内膜,H,+,梯度能量，再用于,ATP,生物合成。,11/72,电子传递链各复合体在线粒体内膜中位置,12/72,人线粒体呼吸链复合体,泛醌和,Cyt c,均不包含在上述四种复合体中,13/72,复合体各组分传递电子,分子基础是什么？,氧化还原状态之间转变,14/72,氧化-还原反应,：凡是有电子从一个物质转移到另一个物,质化学反应。,氧还电对,：,NAD,+,/NADH+H,+,氧化-还原电势,（,oxidation-reduction potential）：,氧化剂得到电子（或还原剂失去电子）倾向。,化学电池,电极势,（,E）,：电极上氧还电正确氧还电势,E,n,=,E,0,+,RT,/,nF,ln,电子受体,a,能斯特方程,电子供体,b,E,n,电极势；,E,0,标准电极势,R,气体常数；,T,绝对温度；,n,氧还反应价数改变；,F,法拉第常数,15/72,标准电势,（,standard potential）,：,氧还电对在标准条件,下,（,PH=0、25C,、1,atm、,电子供受体浓度为,1mol/L）,氧化还原电势,。,0,或,E,0,表示,pH=7,时标准氧还电势：,0,或,E,0,标准电势越高氧还电对越倾向于取得电子,16/72,电势和自由能关系:,自由能改变代表着氧还体系转移电子能力,G,0,=-n F E,0,n,氧化还原反应传递电子数目；,F,法拉第常数,（23062,cal/V mol）,E,0,受体系统和供体系统标准电势之差,=-,RT ln Keq,17/72,18/72,呼吸链组成,19/72,复合体,I:,NADH-Q,还原酶,功效,:,将,NADH+H,+,中电子传递给泛醌,功效,:,含有,质子泵,功效，每传递,2,个电子可将,4,个,H,+,从内膜基质侧泵到胞浆侧,复合体,NADH CoQ,FMN;Fe-S,20/72,NAD,+,和,NADP,+,结构,R=H:NAD,+,;R=H,2,PO,3,:NADP,+,21/72,NAD,+,（,NADP,+,）递氢机制,氧化还原反应时改变发生在五价氮和三价氮之间。,烟酰胺只能接收,1,个氢原子和,1,个电子，将另一个,H,+,游离出来,氧化型,还原型,22/72,FMN,结构,23/72,FAD,结构,24/72,FMN,结构,H,FMN,结构中含,核黄素,，功效部位是,异咯嗪环,，氧化还原反应时不稳定中间产物是,FMNH.,。在可逆氧化还原反应中显示,3,种分子状态。,.,25/72,铁硫蛋白（铁硫中心）结构,表示无机硫,铁硫蛋白中辅基铁硫簇,(Fe-S),含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行,Fe,2+,Fe,3+,+e,反应传递电子。属于,单电子传递体,。,26/72,铁硫蛋白三种结构,27/72,复合体,I,功效,电子传递次序,：,NADH FMN Fe-S C,O,Q Fe-S C,O,Q,苹果酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,酮戊二,酸脱氢酶,丙酮酸脱氢酶,-,羟丁酸,脱氢酶,-,羟脂酰,C,O,A,脱氢酶,4H,+,28/72,泛醌（,C,O,Q,）结构,不包含在上述复合体中,泛醌由多个异戊烯连接形成较长疏水侧链,脂溶性,能,在,线粒体内,膜中,自由扩散,。,是内膜中,可移动电子载体,，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在,电子传递,和,质子移动,偶联中起着关键作用。,29/72,NADH+H,+,+CoQ（,氧化型）,复合体,I,NAD,+,+QH,2,（,还原型）,E,0,=0.36V,，,G,0,=-69.5KJ/mol,足以合成一个,ATP,分子。,第一个质子泵（,H,+,由线粒体基质,内外膜间隙）,每传递两个电子，泵出4个,H,+,。,30/72,复合体,:,琥珀酸,-,泛醌还原酶,功效,:,将电子从琥珀酸传递给泛醌,没有质子泵,功效，是唯一,镶嵌,于线粒体内膜酶蛋白,复合体,琥珀酸 ,CoQ,FAD,;,Fe-S;,b,560,31/72,脂酰,C,O,A,脱氢酶,磷酸甘油,脱氢酶等,32/72,复合体,:,泛醌,-,细胞色素,c,还原酶,功效,:,将电子从,泛醌,传递给,细胞色素,c,电子传递过程：,“,Q,循环”,复合体,每传递,2,个电子向内膜胞浆侧释放,2,个,H,+,，复合体,也有,质子泵,作用,。,33/72,34/72,复合体,传递电子过程经过,Q,循环,(Q cycle),实现,（,1,）第一分子,QH,2,氧化过程,（,2,）第二分子,QH,2,氧化过程,QH,2,QH,2,Fe,2,S,2,2H,+,Q,Q,Q,e,c,1,e,e,e,b,L,b,H,Q,0,Q,i,e,QH,2,QH,2,Fe,2,S,2,2H,+,Q,Q,Q,e,c,1,e,e,e,b,L,b,H,Q,0,Q,i,e,QH,2,2H,+,Q,Q,35/72,细胞色素,C(cyt c),cytc,是由单一肽链和一分子血红素组成球形分子，是唯一能溶于水细胞色素。,cytc,是水溶性流动电子载体,36/72,复合体,IV,:,细胞色素,c,氧化酶,功效,:,将电子从,细胞色素,c,传递给,氧,其中,Cyta,3,-Cu,B,形成活性双核中心，将电子交给,O,2,。每,2,个电子传递过程使,4,个,H,+,跨内膜向胞浆侧转移。,复合体,IV,也有,质子泵,作用,复合体,还原型,Cyt c,O,2,Cu,A,aa,3,Cu,B,37/72,细胞色素氧化酶是一个由10个亚基组成跨膜蛋白复合体，第一、二亚基上结合着四个氧化-还原反应中心，,2个,cyt a,+2个,Cu,离子。,电子在细胞色素氧化酶中传递：,cyt c,Cu,A,-cyta,cyt a,3,-Cu,B,O,2,38/72,复合体,IV,电子传递过程,两个血红素中心,两个,Cu,位点,Cu,+,Cu2,+,+e,39/72,呼吸链四个复合物电子和质子流动总图,-,羟丁酸脱氢酶,-,羟脂酰,CoA,脱氢酶,40/72,(,二,),呼吸链中电子传递体排列次序确实定,依据标准氧化还原电位高低排列,四种复合体拆分和重组,利用阻断剂研究分析,还原状态呼吸链迟缓给氧,41/72,两条路径氧化呼吸链,1.NADH,氧化呼吸链,NADH,复合体,Q,复合体,Cytc,复合体,O,2,琥珀酸氧化呼吸链（,FADH,2,氧化呼吸链）,琥珀酸,复合体,Q,复合体,Cytc,复合体,O,2,42/72,43/72,线粒体中一些主要底物氧化时呼吸链,44/72,二、氧化磷酸化,ATP,生成方式,氧化磷酸化,是指在呼吸链电子传递过程中偶联,ADP,磷酸,化，生成,ATP,，又称偶联磷酸化,底物水平磷酸化,与,脱氢反应偶联，生成底物分子高能,键，使,ADP,（,GDP,）磷酸化生成,ATP,（,GTP,）过程。不经过电子传递。,45/72,AH,2,2H(2H,+,+2e)H,2,O,氧化,A,呼吸链,1/2O,2,能量,ADP+Pi ATP,磷酸化,偶联,46/72,（一）氧化磷酸化偶联机制,1.,化学渗透假说,（,Chemiosmotic hypothesis,）,电子经呼吸链传递时，可将质子（,H,+,）从线粒体内膜基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动,ADP,与,Pi,生成,ATP,。,1961，,P.Mitchell,提出，1978年,Nobel,化学奖,47/72,线粒体基质,线粒体内膜,+,-,H,+,O,2,H,2,O,H,+,e,-,ADP,+,Pi,ATP,化学渗透假说简单示意图,线粒体外膜,膜间隙,氧化,磷酸化,偶联,氧化磷酸化,48/72,线粒体基质,线粒体内膜,+,-,O,2,H,2,O,H,+,e,-,化学渗透假说已经得到广泛试验支持,电子传递链可驱动质子移出线粒体内膜；,线粒体内膜对,H,+,，,OH,-,，,K,+,，,Cl,-,离子是不通透；,49/72,线粒体基质,线粒体内膜,+,-,H,+,ADP,+,Pi,ATP,增加线粒体内膜外侧酸性可造成,ATP,合成，而线粒体内膜加入使质子经过物质，可降低内膜质子梯度，结果电子虽能够传递，但,ATP,生成降低。,氧化磷酸化依赖于完整封闭线粒体内膜,内外膜电化学梯度对,ATP,合成是必需,50/72,F,0,F,1,Cyt c,Q,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,H,+,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,ADP+Pi,ATP,H,+,H,+,H,+,胞液侧,基质侧,+,-,化学渗透假说详细示意图,51/72,（二）质子顺梯度回流释放能量被,ATP,合酶利用催化,ATP,合成,该酶主要由,F0,（疏水部分）和,F1,（亲水部分）组成。,F1,主要由,33,亚基组成，其功效是,催化生成,ATP,，催化部位在,亚基中，但,亚基必须与,亚基结合才有活性。,F0,是镶嵌在线粒体内膜中质子通道,。当,H+,顺浓度递度经,F0,回流时，,F1,催化,ADP,和,Pi,，生成并释放,ATP,。另外，在,F0,和,F1,之间柄部还有其它亚基存在，其中一个称之为,寡霉素敏感蛋白,（,oligomycin-sensitivity-conferring protein,，,OSCP,），使,ATP,合酶在寡霉素存在时不能生成,ATP,。,52/72,（三）氧化磷酸化偶联部位,质子泵出部位,氧化磷酸化偶联部位：复合体,，,，,依据,P/O,比,自由能改变：,53/72,1.P/O,比值,：是指物质氧化时，每消耗,1,摩尔氧原子所消耗无机磷摩尔数，即生成,ATP,摩尔数。,底 物,呼吸链组成,P/O,比值,生成,ATP,数,-,羟丁酸,NAD,+,O,2,2.42.8,2.5,琥珀酸,FAD O,2,1.7,1.5,抗坏血酸,Cyt cO,2,0.88,1,细胞色素,C,Cyt aa,3,O,2,0.610.68,1,线粒体离体试验测得一些底物,P/O,比值,54/72,三个偶联部位,：,ATP,ATP,ATP,NADH,与,CoQ,之间；,CoQ,与,Cyt c,之间；,Cyt aa,3,与氧之间。,55/72,2.,自由能改变,(G,0,),：,G,0,nFE,0,反应,ADP+Pi ATP+H,2,O,ATP+H,2,O,ADP+Pi,30.5kJ/mol,能量升高,反应能级图,56/72,呼吸链电子传递过程中，哪些区段,放出能量能实现,ADP,磷酸化,电子传递链自由能改变,ATP,ATP,ATP,氧化磷酸化偶联部位,57/72,三、氧化磷酸化作用受内外源原因影响,呼吸链抑制剂,阻断呼吸链电子传递过程,解偶联剂,破坏电子传递建立跨内膜质子电化学梯度，使氧化与磷酸化偶联相互分离。,ATP,合酶抑制剂,抑制,ADP,磷酸化，继而也抑制了电子传递,（一）有,3,类,氧化磷酸化抑制剂,58/72,1.,呼吸链抑制剂 阻断氧化磷酸化电子传递过程,复合体,抑制剂,:,鱼藤酮、粉蝶霉素,A,及异戊巴比妥等,阻断电子,从,铁硫中心,传递到,泛醌,复合体,抑制剂,:,萎锈灵。,复合体,抑制剂,:,抗霉素,A,、二巯基丙醇。,复合体,抑制剂,:,CN,-,、,N,3-,紧密结合中氧化型,Cytaa,3,，,阻断电子从,Cyta,到,CuB-Cyta,3,间传递,。,CO,与还原型,Cyta,3,结合，,阻断传递电子传递给,O,2,。,59/72,鱼藤酮,粉蝶霉素,A,异戊巴比妥,抗霉素,A,二巯基丙醇,CO,、,CN,-,、,N,3,-,及,H,2,S,各种呼吸链抑制剂阻断位点,60/72,2.,解偶联剂破坏电子传递建立跨膜质子电化学梯度,解偶联剂（,Uncouple,）可使氧化与磷酸化偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立跨内膜质子电化学梯度，使电化学梯度储存能量以热能形式释放，,ATP,生成受到抑制。,如,:,二硝基苯酚（,dinitrophenol,DNP,）；解偶联蛋白（,Uncoupling protein,UCP1,）,61/72,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,F,0,F,1,Cyt c,Q,胞液侧,基质侧,解偶联,蛋白,热能,H,+,H,+,ADP+Pi,ATP,62/72,3.,ATP,合酶抑制剂同时抑制,电子传递和,ATP,生成,这类抑制剂对,电子传递,及,ADP,磷酸化,都有抑制作用。,比如,寡霉素（,Oligomycin,）可结合,Fo,单位，,二环已基碳二亚胺（,dicyclohexyl car bodiimide,DCCP,）共价结合,Fo,c,亚基谷氨酸残基，阻断质子,从,Fo,质子半通道回流，抑制,ATP,合酶活性。,63/72,可阻止质子从,F,0,质子通道回流，抑制,ATP,生成。,寡霉素,ATP,合酶结构模式图,寡霉素,(oligomycin),64/72,65/72,（二）,ADP,是调整正常人体氧化磷酸化速率主要原因,NADH+H,+,+O,2,2,1,H,2,O+NAD,+,氧化磷酸化,ADP+Pi ATP,+,ADP/ATP,:,抑制氧化磷酸化，,ATP,生成,ADP/ATP,:,促进氧化磷酸化，,ATP,生成,66/72,四、线粒体外,NADH,氧化磷酸化,胞浆中,NADH,必须经一定转动机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化,转动机制,:,甘油磷酸穿梭,(,-glycerophosphate shuttle,),苹果酸天冬氨酸穿梭,(,malate-asparate shuttle,),67/72,1.,甘油磷酸穿梭,主要存在于脑和骨骼肌中,一分子,NADH,产生1.5分子,ATP,68/72,NADH+H,+,FAD,H,2,NAD,+,FAD,线粒体,内膜,线粒体,外膜,膜间隙,线粒体,基质,-,磷酸甘油,脱氢酶,呼吸链,磷酸二羟丙酮,-,磷酸甘油,脑、骨骼肌,甘油磷酸穿梭,69/72,.,苹果酸天冬氨酸穿梭,主要存在于肝和心肌中,一分子,NADH,产生,2,.5分子,ATP,70/72,NADH,+H,+,NAD,+,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,苹果酸,脱氢酶,谷草转,氨酶,胞液,线,粒,体,内,膜,基质,呼吸链,天冬氨酸,肝、心肌,苹果酸天冬氨酸穿梭,71/72,五、葡萄糖氧化能量结算方法,EMP,路径生成2分子,NADH,若经历,苹果酸,-Asp,穿梭路径,则共产生32个,ATP。,5个,ATP,2,5,个,ATP,72/72,
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