生物氧化和氧化磷酸化省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

目目 录录第八章第八章第八章第八章生物氧化与氧化生物氧化与氧化磷酸化磷酸化 Biological oxidation and oxidative phosphorylation目目 录录第一节第一节生物氧化反应及氧化还原酶生物氧化反应及氧化还原酶基本类型基本类型Reactions and Oxidative-Reductive Enzymes in Biological Oxidation 目目 录录一、体内进行的氧化还原反应就是生物一、体内进行的氧化还原反应就是生物氧化氧化泛泛指指在在生生物物体体内内发发生生的的任任何何氧氧化化还还原原反反应应，也也包包括括营营养养物物和和生生物物分分子子在在生生物物体体（细细胞胞）内内进进行行的的氧氧化化还还原原作作用用。营营养养物物和和生生物物分分子子经经历历氧氧化化还还原原反反应应被被彻彻底底分分解解，产产生生H2O、CO2，并并伴伴有有ATP的的生生成成，或或转转化化为为其其它它分分子子,此此过过程程需需耗耗氧氧、排排出出CO2，又又在在活活细细胞胞内内进进行行，故故又又称称细细胞胞呼呼吸吸(cellular respiration)。*生物氧化生物氧化（biological oxidation）目目 录录糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能*生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程*生物氧化特点：生物氧化特点：生物分子在体内的反应条件温和，生物分子在体内的反应条件温和，逐步反应，逐步释能，常伴有分解释能反应与需能逐步反应，逐步释能，常伴有分解释能反应与需能反应偶联，或能量形式的转换。反应偶联，或能量形式的转换。目目 录录w氧化还原酶类促进的氧化反应，包括失电子、氧化还原酶类促进的氧化反应，包括失电子、脱氢和加氧不同反应方式，参与产生能量或催脱氢和加氧不同反应方式，参与产生能量或催化物质代谢变化。化物质代谢变化。w加水脱氢是重要的脱氢反应，酶催化向底物加加水脱氢是重要的脱氢反应，酶催化向底物加入水分子同时脱去一对氢，相当于底物加入一入水分子同时脱去一对氢，相当于底物加入一个氧原子。个氧原子。*生物体内的氧化还原反应类型生物体内的氧化还原反应类型目目 录录二、很多氧化酶直接以氧为受氢二、很多氧化酶直接以氧为受氢/电子体电子体w氧化酶类是一大类酶的统称，泛指催化涉及氧分子氧化酶类是一大类酶的统称，泛指催化涉及氧分子（O2）的反应。）的反应。w分为分为4组：组：氧化酶（氧化酶（oxidases）需氧脱氢酶需氧脱氢酶(aerobic dehydrogenases)加氧酶加氧酶(oxygenases)氢过氧化物酶（氢过氧化物酶（hydroperoxidases）w特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数催化物特点：分别存在于不同亚细胞结构中，多数催化物质转化，与质转化，与ATP的生成无关。的生成无关。目目 录录（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉（一）某些氧化酶辅基含铜或铁卟啉 催化的反应可以催化的反应可以O2为直接受氢体，产物为为直接受氢体，产物为H2O。其辅基主要成分是其辅基主要成分是Cu2+或铁卟啉，主要存在于线粒或铁卟啉，主要存在于线粒体。如细胞色素体。如细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶。氧化酶、抗坏血酸氧化酶。（二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢（二）需氧脱氢酶直接还原氧生成过氧化氢 属于黄素酶属于黄素酶(flavoenzyme)，辅基成分为，辅基成分为FAD或或FMN，如醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、，如醛脱氢酶、黄嘌呤氧化酶、L-氨基酸氧化氨基酸氧化酶等。它们催化的反应以酶等。它们催化的反应以O2为直接受氢体，产物为为直接受氢体，产物为H2 O2。黄嘌呤氧化酶。黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)辅基还含有辅基还含有钼（钼（Mo）和铁）和铁-硫蛋白。硫蛋白。目目 录录 各种加氧酶以及氢过氧化物酶各种加氧酶以及氢过氧化物酶包括过氧化氢包括过氧化氢酶酶(catalase)、过氧化物酶、过氧化物酶(peroxidase)主要存在于主要存在于微粒体，参与某些代谢物、药物、毒物的转化或微粒体，参与某些代谢物、药物、毒物的转化或清除。清除。（三）直接涉及氧反应的酶还有加氧酶和（三）直接涉及氧反应的酶还有加氧酶和过氧化酶过氧化酶目目 录录三、不需氧脱氢酶不能直接以氧为受氢体三、不需氧脱氢酶不能直接以氧为受氢体w不需氧脱氢酶（不需氧脱氢酶（anaerobic dehydrogenases）：）：指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。此类指能催化底物脱氢而又不以氧为直接受氢体的酶。此类酶不是将氢（酶不是将氢（H+e-）直接传递给）直接传递给O2，而是使，而是使H活化并由辅活化并由辅酶或辅基接受，产生还原型辅酶或辅基。酶或辅基接受，产生还原型辅酶或辅基。w主要功能主要功能：（1）作为呼吸链作为呼吸链/电子传递链中氢或电子载体，间接将电子传递链中氢或电子载体，间接将氢或电子传递给氢或电子传递给O2，生成，生成H2O，与产生，与产生ATP相关。（相关。（2）催）催化不涉及呼吸链化不涉及呼吸链/电子传递链偶联的氧化还原反应，促进代电子传递链偶联的氧化还原反应，促进代谢物之间氢的交换。（谢物之间氢的交换。（3）通过催化可逆的反应促进还原当）通过催化可逆的反应促进还原当量在细胞内的自由运转或穿梭。量在细胞内的自由运转或穿梭。目目 录录NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+（一）很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌（一）很多不需氧脱氢酶以尼克酰胺腺嘌呤核苷酸为受氢体呤核苷酸为受氢体目目 录录NAD+（NADP+）的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应 氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应的变化发生在五价氮和三价氮之间。目目 录录（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸（二）某些不需氧脱氢酶以黄素核苷酸为受氢体为受氢体琥珀酸脱氢酶、脂酰琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、脱氢酶、NADH-Q氧氧化还原酶和琥珀酸化还原酶和琥珀酸-Q还原酶等分别以黄素单核苷还原酶等分别以黄素单核苷酸（酸（flavin mononucleotide，FMN）、黄素腺嘌）、黄素腺嘌呤二核苷酸（呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD为为辅酶。辅酶。目目 录录FMN的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应 FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，功功能能部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化还原反应时不稳定中间产物是化还原反应时不稳定中间产物是FMN。目目 录录 FAD 目目 录录（三）某些氧化还原酶以血红素为电（三）某些氧化还原酶以血红素为电子载体子载体wQ-细胞色素细胞色素c氧化还原酶以血红素氧化还原酶以血红素bH、bL及及c1为辅基，传递电子。为辅基，传递电子。血红素血红素 b血红素血红素 C目目 录录第二节第二节 线粒体氧化体系与氧化磷酸化线粒体氧化体系与氧化磷酸化Mitochondrial oxidative system and oxidative phosphorylation目目 录录w真核细胞真核细胞ATP的生成主要发生在线粒体中。营养的生成主要发生在线粒体中。营养物质经物质经脱氢酶脱氢酶催化脱下的成对氢原子催化脱下的成对氢原子（NADH+H+，FADH2），再通过位于线粒体内），再通过位于线粒体内膜上多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐膜上多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。氧化反应逐步步传递，最终与氧结合生成水。氧化反应逐步释放的能量可同时驱动质子跨膜转移到内膜外释放的能量可同时驱动质子跨膜转移到内膜外侧，形成跨线粒体内膜的质子梯度，该梯度势侧，形成跨线粒体内膜的质子梯度，该梯度势能再促进能再促进ATP的生成。的生成。w营养物氧化、电子传递、质子泵流和营养物氧化、电子传递、质子泵流和ATP合成等合成等过程结合偶联成一个整体过程结合偶联成一个整体,高效完成线粒体的呼高效完成线粒体的呼吸作用。吸作用。目目 录录呼吸链的定义呼吸链的定义在在线线粒粒体体内内膜膜中中，由由一一系系列列具具有有氢氢和和/或或电电子子传传递递功功能能的的酶酶复复合合体体按按一一定定顺顺序序排排列列，组组成成的的 氧氧 化化 还还 原原 体体 系系 称称 为为 呼呼 吸吸 链链（respiratory chain）。因因为为传传递递氢氢相相当当于于传传递递质质子子和和电电子子（2H 2H+2e-），所所以以呼呼吸吸链链又又称称电电子子传传递链递链(electron transport chain)。组成组成电子传递体电子传递体一、一、呼吸链就是由电子传递体组成的呼吸链就是由电子传递体组成的氧化还原体系氧化还原体系目目 录录（一）（一）电子传递体是酶复合体的辅酶或辅基电子传递体是酶复合体的辅酶或辅基 电电子子传传递递体体：就就是是组组成成呼呼吸吸链链的的几几种种酶酶复复合合体体的的辅辅酶酶或或辅辅基基，有有的的直直接接传传递递氢氢，有有的的传传递递电电子子。由由于于辅辅酶酶/辅辅基基分分子子不不同同，受受不不同同蛋蛋白白质质内内部部环环境境影影响响不不同同，电电子子传传递递体体具具有有不不同同的的氧氧化化还还原原电电位位（redox potential），决决定定了了它它们们在在呼呼吸吸链链中中的的排排列次序。列次序。1.某些电子传递体直接传递氢某些电子传递体直接传递氢 包括包括NAD+、FMN、FAD和泛醌。和泛醌。2.铁硫蛋白和细胞色素传递电子铁硫蛋白和细胞色素传递电子 Fe2+Fe3+e-目目 录录泛泛醌醌（Coenzyme Q ,CoQ,Q）由由多多个个异异戊戊二二烯烯连连接接形形成成较较长长的的疏疏水水侧侧链链（人人CoQ10），氧氧化化还还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。泛醌的加氢和脱氢反应泛醌的加氢和脱氢反应 目目 录录铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫中中心心(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中一一个个铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e-反应传递电子。反应传递电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。表示无机硫表示无机硫 目目 录录 铁硫蛋白铁硫蛋白 (iron-sulfur protein )S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫目目 录录细细 胞胞 色色 素素（Cytochrome，Cyt）细胞色素是一类以细胞色素是一类以血红素血红素（heme）为辅基的为辅基的电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种还原型细胞色素的主要光吸收峰各种还原型细胞色素的主要光吸收峰细胞色素细胞色素波长（波长（nm）a600439b562532429 c550521415c1554524418目目 录录血红素中的铁原子可进行血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3+e-反应反应传递电子传递电子,属单电子传递体。属单电子传递体。目目 录录（二）复合体（二）复合体、和和在电子传递中有在电子传递中有质子泵作用质子泵作用 采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经硫酸采用胆酸、脱氧胆酸处理线粒体内膜，经硫酸铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得到铵分级分离，可纯化出呼吸链成分，得到4种酶复种酶复合体（合体（complex）。）。复合体复合体、和和完全镶嵌在线粒体内膜中，在完全镶嵌在线粒体内膜中，在参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的参与电子传递过程，同时驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度。质子梯度。复合体复合体镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递。镶嵌在内膜的内侧，只参与电子传递。目目 录录 Cytcox NADH+H+NAD+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 QH2 Q 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 QH2 Q 4H+4H+4H+4H+Cytcox Cytcred Cytcred 4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置目目 录录人线粒体呼吸链酶复合体人线粒体呼吸链酶复合体酶复酶复合体合体酶名称酶名称质量质量(kD)多肽多肽链数链数功能辅基功能辅基含结合位点含结合位点复合复合体体NADH-泛醌泛醌氧化还原酶氧化还原酶85043FMN、Fe-SNADH(基质侧基质侧)CoQ(脂质核心）脂质核心）复合复合体体琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌还原酶还原酶1404FAD、Fe-S琥珀酸琥珀酸(基质侧基质侧)CoQ(脂质核心脂质核心)复合复合体体泛醌泛醌-细胞色细胞色素素c氧化还原氧化还原酶酶25011血红素血红素bL、bH、c1、Fe-SCyt c(膜间隙侧膜间隙侧)Qo(膜间隙侧膜间隙侧)Qi(基质侧基质侧)复合复合体体细胞色素细胞色素c氧氧化酶化酶16013血红素血红素a、a3、CuA、CuBCyt c(膜间隙侧膜间隙侧)注注 细胞色素细胞色素c c不参与酶复合体组成，而是作为可不参与酶复合体组成，而是作为可溶性蛋白在复合体溶性蛋白在复合体和和之间自由移动。之间自由移动。目目 录录1.1.复合体复合体将将NADH+H+中的两个质子中的两个质子/电子电子传递给泛醌传递给泛醌（ubiquinone）复合体复合体又称又称NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶复合体复合体电子传递：电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每传递每传递2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，胞浆侧，复合体复合体有质子泵功能有质子泵功能目目 录录NADH FMN N1a（N3,N1b,N4）N2 QP-N Q（Fe2S2）（Fe4S4）（）（Fe2S2）（Fe4S4）（）（Fe4S4）目前推测复合体目前推测复合体中电子传递顺序如下：中电子传递顺序如下：目目 录录复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2目目 录录复合体复合体是三羧酸循环中的是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，又，又称称琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶,4个亚基组成，以个亚基组成，以FAD、Fe-S和血红素和血红素b（heme b566）为辅基）为辅基电子传递：电子传递：琥珀酸琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ复合体复合体没有没有H+泵的功能泵的功能2.复合体复合体将质子将质子/电子从琥珀酸传递到泛醌。电子从琥珀酸传递到泛醌。目目 录录目目 录录3.复合体复合体将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C C 还原酶同二聚体结构还原酶同二聚体结构 目目 录录复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞，细胞色素色素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体梭传递到复合体电子传递过程：电子传递过程：CoQH2(Cyt bHCyt bL)Fe-S Cytc1Cytc目目 录录 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c1目目 录录复合体复合体的电子传递的电子传递通过通过“Q循环循环”实现。实现。复合体复合体每传递每传递2个电个电子向内膜胞浆侧释放子向内膜胞浆侧释放4个个H+，复合体复合体也有也有质子泵作用质子泵作用。Cyt c是是呼吸链唯一水呼吸链唯一水溶性球状蛋白溶性球状蛋白，不包含，不包含在复合体中。将获得的在复合体中。将获得的电子传递到复合体电子传递到复合体。目目 录录4.复合体复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧复合体复合体又称又称细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)电子传递：电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给形成活性双核中心，将电子传递给O2。每。每2个电子传递过程使个电子传递过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 目目 录录细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶CuA中心中心 目目 录录细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶a3-CuB中心中心 目目 录录复复合合体体的的电电子子传传递递过过程程目目 录录细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成水的还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。会引起细胞损伤。目目 录录（三）体内有两条重要的呼吸链（三）体内有两条重要的呼吸链 呼吸链组分的顺序是根据呼吸链各组分的标准氧呼吸链组分的顺序是根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位（化还原电位（E0）、由低到高排列的，即电子总是）、由低到高排列的，即电子总是从低电位组分向高电位组分传递从低电位组分向高电位组分传递。标准氧化还原电位标准氧化还原电位拆开和重组拆开和重组特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 由以下实验确定由以下实验确定目目 录录呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+/NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH20.219Cyt c Fe3+/Fe2+0.254FAD/FADH20.219Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816目目 录录1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2氧化呼吸链可分为两条途径氧化呼吸链可分为两条途径:目目 录录NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链目目 录录电子传递链中酶复合体电子传递示意图电子传递链中酶复合体电子传递示意图目目 录录二、呼吸链释能与二、呼吸链释能与ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程偶联进行的过程偶联进行*定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。底底 物物 水水 平平 磷磷 酸酸 化化 (substrate level phosphorylation)是是底底物物分分子子内内部部能能量量重重新新分分布布，生生成成高高能能键键，使使ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP的过程。的过程。目目 录录（一）复合体（一）复合体、和和是氧化磷酸化偶联是氧化磷酸化偶联部位部位1.根据根据P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位比值推测氧化磷酸化偶联部位底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.5 2.5Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.5 1.5Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c(Fe2+)复复合合体体O20.610.68 1目目 录录2.2.根据电子传递时自由能变化确定偶联部位根据电子传递时自由能变化确定偶联部位G=-nFE电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化 目目 录录ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位目目 录录（二）氧化磷酸化偶联的机制是跨线粒体（二）氧化磷酸化偶联的机制是跨线粒体内膜质子梯度偶联内膜质子梯度偶联ATP生成生成化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，驱驱动动质质子子（H+）从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，从从而而产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度储储存存能能量量,当当质质子子顺顺浓浓度梯度回流时驱动度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。1.1.呼吸链氧化驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度呼吸链氧化驱动产生跨线粒体内膜的质子梯度 目目 录录氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通离子是不通透的；透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。生成减少。n化学渗透假说已经得到广泛的实验支持化学渗透假说已经得到广泛的实验支持目目 录录线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜+-H+O2 H2O H+e-ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图目目 录录 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP 4H+2H+4H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-电子传递过程电子传递过程复合体复合体(4H+)、(4 H+)和和(2H+)有质子泵功能有质子泵功能 目目 录录化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响目目 录录F1：亲水部分：亲水部分（动物：（动物：33亚基复合体亚基复合体，OSCP、IF1 亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，状突起，催化催化ATP合成合成。F0：疏水部分：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内跨内膜质子通道膜质子通道。nATP合酶结构组成合酶结构组成2.ATP合酶利用质子顺梯度回流释能合成合酶利用质子顺梯度回流释能合成ATP 目目 录录n质子通过质子通过ATP合酶合酶Fo顺浓度梯度回流使顺浓度梯度回流使F1亚基旋转亚基旋转 ATP合酶合酶 Fo中中a亚基和亚基和c亚基结构示意亚基结构示意 通通过过C环环的的旋旋转转，质质子子从从内内膜膜胞胞浆浆侧侧进进入入胞胞浆浆半半通通道道，通通过过基基质质半半通通道道释释放放进进入入线线粒粒体体基质。基质。c环环与与 亚亚基基紧紧密密相相连连，当当 c环环旋旋转转时时会会带动带动 亚基旋转。亚基旋转。目目 录录当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经Fo中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时，时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生改变。亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制n 亚基旋转使亚基旋转使亚基构象改变导致亚基构象改变导致ATP合成和释放合成和释放 目目 录录三、三、ATP在能量捕获、转移、储存和利用在能量捕获、转移、储存和利用过程中起核心作用过程中起核心作用一般将一般将G 大于大于ATP（包括（包括ATP），或），或G 大于大于21 kJ/mol的磷酸化合物称为高能的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。磷酸化合物。用符号用符号P表示高能磷酸键。表示高能磷酸键。（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出（一）高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能大量自由能高能磷酸化合物高能磷酸化合物:目目 录录一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能化合物化合物G kJ/mol（kcal/mol）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9(-14.8)氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸-51.4(-12.3)1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸-49.3(-11.8)磷酸肌酸磷酸肌酸-43.1(-10.3)ATPADP+Pi-30.5(-7.3)ADPAMP+Pi-27.6(-6.6)焦磷酸焦磷酸-27.6(-6.6)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-20.9(-5.0)6-磷酸果糖磷酸果糖-15.9(-3.8)AMP-14.2(-3.4)6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-13.8(-3.3)3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛-9.2(-2.2)目目 录录（二）（二）ATP是最重要的高能磷酸化合物是最重要的高能磷酸化合物 体内许多代谢物的体内许多代谢物的“活化活化”反应（吸能）大反应（吸能）大多直接或间接地与多直接或间接地与ATP酸酐键的水解放能反应相酸酐键的水解放能反应相偶联，使偶联，使“活化活化”反应能顺利进行。反应能顺利进行。OCH2HOHOHOHHOHHOHHH葡萄糖葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶己糖激酶(hexokinase)OHOHOHHOHHOHHOCH2H6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖PP目目 录录ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心为中心人体内人体内ATP的的来源和去路来源和去路:目目 录录（三）（三）ATP是生物能转换、储存和利用的核心是生物能转换、储存和利用的核心 ATP+AMP 2ADP腺苷激酶腺苷激酶ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP核苷二磷酸激酶催化核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成生成目目 录录磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存形式目目 录录ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心为中心目目 录录四、线粒体内膜选择性地转运代谢物四、线粒体内膜选择性地转运代谢物线线粒粒体体基基质质与与胞胞浆浆之之间间有有线线粒粒体体内内、外外膜膜相相隔隔，外外膜膜对对物物质质通通透透的的选选择择性性不不强强，内内膜膜依依赖赖各各种种跨跨膜膜转转运运蛋蛋白白(transporter)对对各各种种物物质质的转运。的转运。目目 录录线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运目目 录录（一）胞质中（一）胞质中NADH通过两个穿梭机制进通过两个穿梭机制进入线粒体入线粒体转运机制主要有两条转运机制主要有两条:-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)目目 录录1.-磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中磷酸甘油穿梭主要存在于骨骼肌和脑中目目 录录2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中天冬氨酸穿梭主要存在于心肌和肝中目目 录录（二）（二）ATP-ADP转位酶促进转位酶促进ADP进入和进入和ATP移出的偶联移出的偶联ATP-ADP转位酶（转位酶（ATP-ADP translocase）又称）又称腺腺苷酸移位酶（苷酸移位酶（adenine nucleotide translocase）目目 录录第三节第三节呼吸链功能调节及线粒体功呼吸链功能调节及线粒体功能失调能失调Functional Regulation of Respiratory Chain and Mitochondrial Dysfunction目目 录录呼吸链电子传递和呼吸链电子传递和ATP生成的偶联关系是相互生成的偶联关系是相互依赖的。依赖的。一、一、ADP/ATP相互转换是调节氧化相互转换是调节氧化磷酸化速率的主要因素磷酸化速率的主要因素二、甲状腺素刺激机体耗氧量和产热二、甲状腺素刺激机体耗氧量和产热同时增加同时增加甲状腺激素诱导甲状腺激素诱导Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基酶和解偶联蛋白基因表达增加。因表达增加。目目 录录（一）呼吸链抑制剂阻断呼吸链的电子传递（一）呼吸链抑制剂阻断呼吸链的电子传递 如：鱼藤酮如：鱼藤酮（rotenone）（二）解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电（二）解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度化学梯度 如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白（uncoupling protein,UCP）（三）三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成的生成 如：寡霉素如：寡霉素（oligomycin）三、三类氧化磷酸化抑制剂作用机制不同三、三类氧化磷酸化抑制剂作用机制不同目目 录录鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点目目 录录不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 目目 录录解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+H H+ADP+Pi ATP 目目 录录寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质质子通道回流，抑制子通道回流，抑制ATP生成。生成。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图目目 录录电子传递链及氧化电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌：磷酸化系统概貌：H+跨膜质子电化跨膜质子电化学梯度学梯度H+m内膜基质侧内膜基质侧H+H+c 内膜胞液侧内膜胞液侧H+目目 录录四、四、DNA突变影响氧化磷酸化并导致突变影响氧化磷酸化并导致多种疾病多种疾病（一）线粒体功能蛋白质由核基因组（一）线粒体功能蛋白质由核基因组/线粒体线粒体基因组编码基因组编码 线粒体线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）：）：约约17 kb,编码编码13种重要的呼吸链复合体亚单位、种重要的呼吸链复合体亚单位、22种种tRNA和和2种种rRNA。目目 录录（二）线粒体基因突变可导致线粒体病（二）线粒体基因突变可导致线粒体病线粒体线粒体DNA缺陷能导致氧化磷酸化功能损伤缺陷能导致氧化磷酸化功能损伤和能量代谢障碍，引起细胞结构、功能的病理改和能量代谢障碍，引起细胞结构、功能的病理改变，发生变，发生线粒体病（线粒体病（mitochondrial diseases）。）。目目 录录*mtDNA高突变致病原因高突变致病原因：1）其基因不含内含子且常有部分区域重叠其基因不含内含子且常有部分区域重叠,各种点各种点突变都可能累及重要功能域；突变都可能累及重要功能域；2）mtDNA缺乏组蛋白的保护；缺乏组蛋白的保护；3）DNA合成始终活跃，但合成始终活跃，但DNA聚合酶聚合酶不具校读功不具校读功能，及缺乏有效的损伤修复系统；能，及缺乏有效的损伤修复系统；4）线粒体内膜是活性氧产生主要部位）线粒体内膜是活性氧产生主要部位,mtDNA更容更容易受氧自由基攻击而发生突变易受氧自由基攻击而发生突变,使其突变频率约为使其突变频率约为核基因的核基因的1020倍。倍。目目 录录*线粒体疾病有以下特点：线粒体疾病有以下特点：wmtDNA只来源于卵子只来源于卵子,原发性原发性mtDNA突变导致突变导致的线粒体疾病呈现典型的母系遗传特征的线粒体疾病呈现典型的母系遗传特征,也是线也是线粒体疾病诊断的重要依据；粒体疾病诊断的重要依据；w体细胞体细胞mtDNA突变数量会随着年龄增长而积累。突变数量会随着年龄增长而积累。只有当只有当mtDNA突变超过一定阈值突变超过一定阈值,野生型野生型mtDNA的数量不足维持呼吸链的正常功能时的数量不足维持呼吸链的正常功能时,组组织或器官异常才可表现临床表型；织或器官异常才可表现临床表型；w能量需求高的组织如骨骼肌、脑、心、肾等更能量需求高的组织如骨骼肌、脑、心、肾等更易受突变影响。易受突变影响。目目 录录*mtDNA突变类型突变类型w包括点突变、重排、缺失和重复。包括点突变、重排、缺失和重复。w如如Leber 遗传性视神经病变（遗传性视神经病变（Lebers hereditary optic neuropathy，LHON）：）：存在存在mtDNA基因基因组的复合体组的复合体亚基亚基4（ND4）编码区）编码区G11778A突变突变与复合体与复合体组分细胞色素组分细胞色素b基因的单碱基突变。基因的单碱基突变。w如如 MERRF病（病（myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease）：）：mtDNA编码赖氨酸编码赖氨酸tRNA基基因的点突变。因的点突变。目目 录录（三）核基因突变也能造成线粒体功能障碍（三）核基因突变也能造成线粒体功能障碍w核基因编码核基因编码900多种线粒体功能必需的酶和蛋白多种线粒体功能必需的酶和蛋白质，除部分呼吸链复合体蛋白，还包括聚合酶、质，除部分呼吸链复合体蛋白，还包括聚合酶、装配因子、转运蛋白、代谢酶等装配因子、转运蛋白、代谢酶等,需在胞质合成需在胞质合成后转运到线粒体内。后转运到线粒体内。w目前已鉴定出导致线粒体疾病的致病核基因突目前已鉴定出导致线粒体疾病的致病核基因突变约变约40种。如线粒体基因和核基因突变引起复种。如线粒体基因和核基因突变引起复合体缺陷，都可引起合体缺陷，都可引起Leigh氏综合征。氏综合征。目目 录录第四节第四节 细胞抗氧化体系和非线粒体细胞抗氧化体系和非线粒体氧化氧化-还原反应体系还原反应体系 Cellular Antioxidative System and Non-Mitochondrial Redox Reaction System 目目 录录一、抗氧化体系具有清除反应活性氧一、抗氧化体系具有清除反应活性氧功能功能反应活性氧类反应活性氧类(reactive oxygen species，ROS)主要指主要指O2的单电子还原产物，是一类强氧化剂，的单电子还原产物，是一类强氧化剂，包括超包括超氧阴离子（氧阴离子（O2-）、羟自由基（羟自由基（OH）和和过过氧化氢（氧化氢（H2O2）及其衍生的及其衍生的HO2和和单线态氧（单线态氧（1O2）等。等。O2 O2-H2O2 OH H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O目目 录录w自由基（自由基（free radical）是指任何带未成对电子的）是指任何带未成对电子的原子、分子或基团。原子、分子或基团。wH2O2不是自由基，但在细胞内不是自由基，但在细胞内Fe2+或或Cu+的存在的存在下可通过芬顿（下可通过芬顿（Fenton）或哈伯）或哈伯-韦斯（韦斯（Haber-Weiss）反应转变成羟自由基。）反应转变成羟自由基。Fe2+H2O2 Fe3+OH+OHFenton反应反应 Haber-Weiss反应反应O2 +H2O2H+O2+H2O+OH目目 录录（一）线粒体呼吸链是体内（一）线粒体呼吸链是体内ROS的最主要的最主要来源来源线粒体是线粒体是ROS产生的主要部位，又是自由基产生的主要部位，又是自由基的主要攻击靶点。的主要攻击靶点。线粒体内产生：线粒体内产生：（1）O2-主要在呼吸链酶复合体主要在呼吸链酶复合体（20）和复合）和复合体体（80）中生成。）中生成。（2）O2-和和H+