代谢与生物氧化.pptx

本本 章章 要要 点点代谢总论：基本概念、原理、特点代谢总论：基本概念、原理、特点生物氧化的特点、体系生物氧化的特点、体系电子传递链的定义、组成、特点及作用电子传递链的定义、组成、特点及作用氧化磷酸化的定义、偶联机制及意义氧化磷酸化的定义、偶联机制及意义线粒体内膜的选择性和线粒体内膜的选择性和NADH的跨膜运输途径的跨膜运输途径教材：第教材：第19、20、24、39章章 第一节第一节 代谢总论代谢总论一、基本概念一、基本概念新陈代谢新陈代谢(Metabolism)Metabolism)：泛指生物与周围环境进行物质：泛指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。和能量交换的过程。分解代谢分解代谢/异化作用（异化作用（catabolismcatabolism）：指细胞从环境中摄指细胞从环境中摄取的或是本身所含有的各种复杂的大分子降解为小的简单取的或是本身所含有的各种复杂的大分子降解为小的简单分子的过程，有化学能释放。分子的过程，有化学能释放。合成代谢合成代谢/同化作用（同化作用（anabolismanabolism）：指从简单的生物小指从简单的生物小分子合成细胞的组成成分，需要吸收能量。分子合成细胞的组成成分，需要吸收能量。物质代谢物质代谢：指糖类、脂类、蛋白质、核酸等的合成和分：指糖类、脂类、蛋白质、核酸等的合成和分解代谢。解代谢。能量代谢能量代谢：伴随物质代谢产生的机械能、化学能、热能及：伴随物质代谢产生的机械能、化学能、热能及光、电能的相互转化。光、电能的相互转化。自养生物（自养生物（autotroph)autotroph):从环境中获取从环境中获取COCO2 2、H H2 2O O，利用利用太阳能合成有机物（糖类）的生物，如高等植物、光合太阳能合成有机物（糖类）的生物，如高等植物、光合细菌、蓝绿藻等。细菌、蓝绿藻等。异养生物（异养生物（heterotrophheterotroph）：依赖自养生物所制造的有依赖自养生物所制造的有机物为碳源，利用复杂化合物分解释放的化学能维持生机物为碳源，利用复杂化合物分解释放的化学能维持生命的生物，如高等动物、人和大多数微生物。命的生物，如高等动物、人和大多数微生物。代谢途径（代谢途径（metabolic pathway）：每一种物质的分解每一种物质的分解合成代谢所经历的一系列酶促反应的总过程。合成代谢所经历的一系列酶促反应的总过程。中间代谢（中间代谢（intermediary metabolism）：指代谢途径指代谢途径中的一系列酶促反应。中的一系列酶促反应。代谢物（代谢物（metabolite）：指代谢反应中的任一个反应指代谢反应中的任一个反应物，中间物或产物。物，中间物或产物。代谢途径就像复杂道路交通图二、代谢的特点二、代谢的特点 (P538(P538第第3939章章)反应链的形式：线性反应途径、环状反应途径、螺旋形反应途径反应链的形式：线性反应途径、环状反应途径、螺旋形反应途径 代谢途径是由一系列酶促反应构成代谢途径是由一系列酶促反应构成分解代谢：蛋白质、多糖、脂类等生物大分子分解代谢：蛋白质、多糖、脂类等生物大分子降解降解为主要为主要 构件分子（阶段构件分子（阶段1 1）。）。如：多糖如：多糖戊糖或己糖，脂肪戊糖或己糖，脂肪甘油、脂肪酸甘油、脂肪酸 构件分子降解为更小、更简单的中间物（阶段构件分子降解为更小、更简单的中间物（阶段2 2）。）。如：戊糖、己糖、甘油如：戊糖、己糖、甘油丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA 中间产物最终降解为中间产物最终降解为COCO2 2、H H2 2O O、NHNH3 3等（阶段等（阶段3 3）。）。如：乙酰如：乙酰CoA CoA 三羧酸循环三羧酸循环 COCO2 2、H H2 2O O 合成代谢：利用各种小分子为原料合成中间物（阶段合成代谢：利用各种小分子为原料合成中间物（阶段1 1）合成各种生物大分子的构件单元（阶段合成各种生物大分子的构件单元（阶段2 2）。）。从构件分子合成大分子化合物（阶段从构件分子合成大分子化合物（阶段3 3）。）。如：乙酰如：乙酰CoA CoA 脂肪酸脂肪酸 脂类脂类 代谢过程一般分为三阶段进行代谢过程一般分为三阶段进行 ATPATP是代谢反应中能量转移的重要载体，称为是代谢反应中能量转移的重要载体，称为“能量通用货币能量通用货币”。分解代谢与相应的合成代谢途径通常是不重合分解代谢与相应的合成代谢途径通常是不重合的，存在差别。的，存在差别。NADPHNADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量 NADPH NADPH将能量供给还原性的生物合成需要，而将能量供给还原性的生物合成需要，而NADHNADH和和FADHFADH2 2 是作为生物氧化过程中氢和电子携带者，经电是作为生物氧化过程中氢和电子携带者，经电子传递链，用于产生子传递链，用于产生ATPATP。各种代谢途径定位于细胞不同区域（各种代谢途径定位于细胞不同区域（区室化区室化）表：主要代谢途径（多酶体系）在细胞内的分布表：主要代谢途径（多酶体系）在细胞内的分布DNA及及RNA合成合成 细胞核细胞核 糖酵解糖酵解 胞液胞液蛋白质合成蛋白质合成 胞液，内质网胞液，内质网 磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径 胞液胞液糖原合成糖原合成 胞液胞液 糖异生糖异生 胞液，线粒体胞液，线粒体脂肪酸合成脂肪酸合成 胞液胞液 脂肪酸脂肪酸-氧化氧化 线粒体线粒体胆固醇合成胆固醇合成 胞液，内质网胞液，内质网 三羧酸循环三羧酸循环 线粒体线粒体磷脂合成磷脂合成 内质网内质网 氧化磷酸化氧化磷酸化 线粒体线粒体血红素合成血红素合成 胞液，线粒体胞液，线粒体 尿素合成尿素合成 胞液，线粒体胞液，线粒体 P552 P552 图图39391616 细胞代谢是一个经济的、精密的调节过程细胞代谢是一个经济的、精密的调节过程反馈作用：反馈作用：前馈作用：前馈作用：表：某些重要代谢途径的关键酶（限速酶）表：某些重要代谢途径的关键酶（限速酶）糖原降解糖原降解 磷酸化酶磷酸化酶糖原合成糖原合成 糖原合酶糖原合酶糖酵解糖酵解 己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶糖有氧氧化糖有氧氧化 丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶糖异生糖异生 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、果糖丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、果糖1，6二磷酸酶二磷酸酶脂肪酸合成脂肪酸合成 乙酰辅酶乙酰辅酶A羧化酶羧化酶胆固醇合成胆固醇合成 HMG辅酶辅酶A还原酶还原酶1 1、热力学第一定律、热力学第一定律：在一定状态下系统中的能量可以从：在一定状态下系统中的能量可以从一种形式转变成另一种形式，但总能量保持不变。一种形式转变成另一种形式，但总能量保持不变。U UU Uf f U Ui i=Q=QW W U U：内能变化内能变化 U Uf f ，U Ui i：状态起始和终末的内能状态起始和终末的内能 Q Q：体系从环境吸收的热量体系从环境吸收的热量 W W：体系对环境所做的功体系对环境所做的功 2 2、热力学第二定律、热力学第二定律：任何一个自发进行的过程总是趋向使其：任何一个自发进行的过程总是趋向使其无序程度（熵值）增加，直到平衡。无序程度（熵值）增加，直到平衡。S S总总 S S 系系 S S 环环 S S总总 0 0 一切自发过程总的熵变为正值一切自发过程总的熵变为正值 S S总总 0 0 非自发过程总的熵变为负值非自发过程总的熵变为负值 S S总总 0 0 平衡过程，可逆过程平衡过程，可逆过程三、热力学原理是代谢研究的基础三、热力学原理是代谢研究的基础 （p23p23第第2020章）章）G G H HT T S S H H：热焓变化，代表总能量的变化热焓变化，代表总能量的变化 G G0 0：反应不可能自发进行（反应不可能自发进行（S S 0 0）G G0 0：反应自发进行（反应自发进行（S S0 0）G G0 0：反应处于平衡状态（反应处于平衡状态（H HT T S S）（1 1）G G是状态函数，与变化途径、反应机理无关，是状态函数，与变化途径、反应机理无关，仅决定于起始反应物和终产物浓度和性质。仅决定于起始反应物和终产物浓度和性质。（2 2）G G与反应速度无关。与反应速度无关。3 3、自由能自由能：某一系统总能量中，能够在恒定：某一系统总能量中，能够在恒定压力和温度下做功的能量。压力和温度下做功的能量。(p27)(p27)A A B C B C D D CDCD G G G G RTln RTln AB AB R=8.3110R=8.3110-3-3kJkJ/K.mol=1.9810K.mol=1.9810-3-3kcal/K.mol,kcal/K.mol,气体常数气体常数 G G：pH7,25pH7,25情况下的标准自由能变化情况下的标准自由能变化 当达到平衡时：当达到平衡时：CC平衡平衡 DD 平衡平衡 0 0 G G RTln RTln A A 平衡平衡 BB 平衡平衡或或 G G-RTln-RTln K Keq eq=-2.303RTlog=-2.303RTlog K Keq eq(K Keqeq：平衡常数平衡常数)K Keq eq G G 反应方向反应方向 1 1 0 0 自发进行自发进行 1 1 0 0 反向进行反向进行 =1 =0 =1 =0 达到平衡达到平衡 4 4、反应的标准自由能变化与反应的平衡常数的关系、反应的标准自由能变化与反应的平衡常数的关系：标准自由能变化的应用与意义标准自由能变化的应用与意义 P31-33P31-33 An+ne-A B B n+ne-An+B A +B n+标准氧化还原电势标准氧化还原电势（标准还原势标准还原势，EX+/X）：）：表示表示一种物质得一种物质得失电子能力，通过一定的化学原电池可以测定。失电子能力，通过一定的化学原电池可以测定。（P115P115）以标准氢电极为参比电极以标准氢电极为参比电极 （E H+/H2=0）E：25，1大气压，大气压，pH=0，氧化型氧化型=还原型还原型=1ME：pH=7E 数值越负，失电子能力越强，数值越负，失电子能力越强，强还原剂。强还原剂。E 数值越正，得电子能力越强，数值越正，得电子能力越强，强氧化剂。强氧化剂。E正极正极 E负极负极：电动势：电动势 E E：电极势：电极势5 5、生物氧化中的自由能变化、生物氧化中的自由能变化 （p114p114）P117P117标准还原电势与标准自由能变化的关系标准还原电势与标准自由能变化的关系：G nF E n n：转移的电子数转移的电子数 F F：法拉第常数（法拉第常数（96.4896.48kJVkJV1 1molmol-1-1）E E：氧化和还原的标准还原电势差氧化和还原的标准还原电势差 例例：NAD2H2e NADHH E 0.32V 1/2O22H2e H2O E=0.82V净反应方程式为净反应方程式为：NADH1/2O2HNADH2O E 1.14V标准自由能的变化标准自由能的变化：G（2）（）（96.48kJV1mol-1）（）（1.14V）220kJmol-1 由由ADPADPPiPi生成生成ATPATP的自由能变化是的自由能变化是30.530.5kJ molkJ mol-1-1，在生理条在生理条件下件下NADHNADH氧化释放出的能量足可以驱动几个氧化释放出的能量足可以驱动几个ATPATP分子的形成。分子的形成。四、高能化合物四、高能化合物 1 1、定义：、定义：指含有高能键的化合物，该键水解时释放出大量的指含有高能键的化合物，该键水解时释放出大量的 自由能（自由能（20.9220.92kJkJ），），用用表示。（表示。（P34P34）2 2、类型：类型：（1 1）磷氧键型（磷氧键型（-O OP P）；）；（2 2）磷氮键型（磷氮键型（-HNHNP P）；）；（3 3）硫酯键型硫酯键型：如酰基辅酶：如酰基辅酶A A；（；（4 4）甲硫键型甲硫键型：如：如S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 ATPATP在细胞内的功能：在细胞内的功能：作为磷酸基团传递体作为磷酸基团传递体驱动合成反应驱动合成反应细胞运动或肌肉收缩细胞运动或肌肉收缩跨膜逆浓度剃度主动跨膜逆浓度剃度主动转运营养物质转运营养物质 DNADNA、RNARNA、蛋白质生蛋白质生物合成过程中传递遗传物合成过程中传递遗传信息信息3 3、ATPATP其它高能化合物的能量可以与其它高能化合物的能量可以与ATPATP的合成耦联的合成耦联（p39p39图图20-220-2）动物肌肉细胞中的动物肌肉细胞中的磷磷酸肌酸（脊椎动物）酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊和磷酸精氨酸（无脊椎动物）椎动物），在激酶，在激酶催化下磷酰基团转移催化下磷酰基团转移到到ADPADP上，形成上，形成ATPATP。第二节第二节 生物氧化的方式和特点生物氧化的方式和特点一、生物氧化一、生物氧化(Biological oxidation)Biological oxidation)基本概念基本概念1 1、定义定义：又称细胞氧化或细胞呼吸，指生物体内有机：又称细胞氧化或细胞呼吸，指生物体内有机物进行的氧化分解，生成物进行的氧化分解，生成COCO2 2和和H H2 2O O，并释放能量的过程。并释放能量的过程。2 2、生物氧化过程生物氧化过程：糖类糖类葡萄糖葡萄糖 脂类脂类脂肪酸脂肪酸 乙酰乙酰CoACoA等中间物等中间物 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoACoA等等 TCA Cycle TCA Cycle 碳骨架碳骨架 COCO2 2 NADH NADH、NADPHNADPH、FADHFADH2 2还原型辅酶进入氧化呼吸链，将电子最终传给氧，生还原型辅酶进入氧化呼吸链，将电子最终传给氧，生成成H H2 2O O，同时释放能量。同时释放能量。二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点1 1、有机分子发生的一系列化学变化是、有机分子发生的一系列化学变化是酶促反应酶促反应。是在。是在常温、常压、中性常温、常压、中性pHpH和有水的环境中进行。和有水的环境中进行。2 2、采取分次、采取分次逐步释放能量逐步释放能量的方式，使能量得到充分贮的方式，使能量得到充分贮存和利用。存和利用。3 3、能量绝大部分以、能量绝大部分以ATPATP形式暂时贮存，电子从还原型形式暂时贮存，电子从还原型辅酶辅酶O O2 2过程释放的能量占全部氧化产能的大部分。过程释放的能量占全部氧化产能的大部分。4 4、碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体传递载体传递。5 5、水的作用：提供环境、参与反应过程、加水脱氢产、水的作用：提供环境、参与反应过程、加水脱氢产生能量。生能量。三、三、生物氧化的方式生物氧化的方式1 1脱氢氧化反应脱氢氧化反应（1 1）直接脱氢）直接脱氢 催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。例：例：烷基烷基脂肪酸脱氢脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶醛酮脱氢醛酮脱氢乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶（2 2）加水脱氢）加水脱氢例：醛氧化成酸例：醛氧化成酸2 2氧直接参加的氧化反应氧直接参加的氧化反应例：例：CHCH4 4+NADH +O+NADH +O2 2 CH CH3 3-OH +NAD-OH +NAD+H +H2 2O O甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶加氧酶加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。能够催化氧分子直接加入到有机分子中。氧化酶：氧化酶：通过激活氧，从而催化代谢物的氢传给活化氧生成水。通过激活氧，从而催化代谢物的氢传给活化氧生成水。O O2 2 2O 2O2-2-对苯二酚对苯二酚+1/2+1/2O O2 2 醌醌+H H2 2O O3 3脱电子脱电子细胞色素（细胞色素（FeFe2+2+）细胞色素（细胞色素（FeFe3+3+）-e e（1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）HOOCC H2C COOH 丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（-脱羧）（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。四二氧化碳的生成四二氧化碳的生成HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O 苹果酸酶苹果酸酶 五、五、H H2 2O O的生成的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。MH2M递氢体递氢体H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体递电子体 b,c1,c,aa32H+2e-O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶六、参与生物氧化的物质六、参与生物氧化的物质1 1、脱氢酶脱氢酶：使代谢物一定部位的氢活化并脱落。：使代谢物一定部位的氢活化并脱落。（1 1）以）以黄素核苷酸黄素核苷酸为辅基的脱氢酶（黄素酶为辅基的脱氢酶（黄素酶/黄酶）黄酶）FAD(FAD(黄黄素素-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸)和和FMN(FMN(黄黄素素单单核核苷苷酸酸)是核黄素是核黄素(维生素维生素B B2 2)的衍生物，的衍生物，根据受氢体不同，分为两类：根据受氢体不同，分为两类：需氧黄酶需氧黄酶：激活代谢物分子中的氢，并以分子氧为：激活代谢物分子中的氢，并以分子氧为直接受氢体，直接受氢体，生成生成H H2 2O O2 2，与能量产生关系不大。如：胺与能量产生关系不大。如：胺氧化酶（氧化酶（FADFAD）、）、黄嘌呤氧化酶（黄嘌呤氧化酶（FADFAD）、）、L-L-氨基酸氧氨基酸氧化酶（化酶（FMNFMN）。）。不需氧黄酶不需氧黄酶：不以氧为直接受氢体，代谢物脱下的：不以氧为直接受氢体，代谢物脱下的氢先传给中间传递体，最后才传给氧氢先传给中间传递体，最后才传给氧生成生成H H2 2O O，与能量与能量生成有关。如：琥珀酸脱氢酶（生成有关。如：琥珀酸脱氢酶（FADFAD）、）、脂酰脂酰CoACoA脱氢脱氢酶（酶（FADFAD）、）、NADHNADH脱氢酶（脱氢酶（FMNFMN）、磷酸甘油脱氢磷酸甘油脱氢酶（酶（FADFAD）。）。脱氢作用方式脱氢作用方式（2 2）以）以烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶（不需氧脱氢酶）为辅酶的脱氢酶（不需氧脱氢酶）NADNAD+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸，又又称称为为辅辅酶酶I)I)和和NADPNADP+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸,又又称称为为辅辅酶酶II II)是是维生素烟酰胺（维生素烟酰胺（VPPVPP）的衍生物，的衍生物，如：异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、如：异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、3-3-磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸甘油醛脱氢酶、脂酰脂酰CoACoA脱氢酶等。脱氢酶等。表表 一些重要的烟酰胺核苷酸脱氢酶一些重要的烟酰胺核苷酸脱氢酶是含铜或铁的蛋白质，通过激活分子氧，把代谢物的氢是含铜或铁的蛋白质，通过激活分子氧，把代谢物的氢传给氧生成水。在无氧情况下不能发挥作用。传给氧生成水。在无氧情况下不能发挥作用。如：细胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶。如：细胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶。特点：特点：1 1）不能直接催化底物脱氢，而是接受中间体传递不能直接催化底物脱氢，而是接受中间体传递的电子；的电子；2 2）以）以O O2 2作为直接受氢体，生成作为直接受氢体，生成H H2 2O O；3 3）辅因子：含铜离子、铁卟啉；辅因子：含铜离子、铁卟啉；4 4）抑制剂：受呼吸抑制剂影响，）抑制剂：受呼吸抑制剂影响，COCO、CNCN-、N N3 3-。3 3、加氧酶、加氧酶加单氧酶：加单氧酶：RH RH OO ROH ROH如：如：羟化酶羟化酶加双氧酶：加双氧酶：-CH=CH-CH=CH-O O2 2 -C=O +O=C-C=O +O=C-H H H H 2 2、氧化酶、氧化酶是生物氧化中起中间传递氢或传递电子作用的物质。（存在于是生物氧化中起中间传递氢或传递电子作用的物质。（存在于不需氧脱氢酶氧化体系不需氧脱氢酶氧化体系,P121,P121）黄素蛋白（黄素蛋白（FPFP）（又称黄酶，即黄素核苷酸脱氢酶）又称黄酶，即黄素核苷酸脱氢酶）以以FMNFMN或或FADFAD为辅基，接受为辅基，接受NADH+HNADH+H+脱氢。脱氢。辅酶辅酶Q Q，又称泛醌又称泛醌(P122)(P122)是电子传递链中唯一的非蛋白载体。是电子传递链中唯一的非蛋白载体。4 4、传递体、传递体（1 1）递氢体）递氢体Q Q(醌醌型型结结构构)很很容容易易接接受受电电子子和和质质子子，还还原原 成成 QHQH2 2（还还原原 型型）；QHQH2 2是是一一个个双双电电子子载载体体，也也容容易易给给出出电电子子和和质质子子，重重新新氧氧化化成成Q Q。细胞色素体系（含铁卟啉的色蛋白）细胞色素体系（含铁卟啉的色蛋白）种类：细胞色素种类：细胞色素a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1。可以通过吸收光谱可以通过吸收光谱来鉴别。主要是通过来鉴别。主要是通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+的互变传递电子，的互变传递电子，是单电子传递体。是单电子传递体。(p124p124表表24-324-3）细胞色素细胞色素c c是电子传递链中唯一能溶于水的细胞色素，是电子传递链中唯一能溶于水的细胞色素，是独立的蛋白质电子载体。是独立的蛋白质电子载体。CytaaCytaa3 3又称细胞色素氧化酶，除铁卟啉外，还含铜离又称细胞色素氧化酶，除铁卟啉外，还含铜离子。在电子传递过程中，可以发生子。在电子传递过程中，可以发生CuCu+Cu Cu2+2+的互的互变。直接以氧分子为电子受体生成变。直接以氧分子为电子受体生成O O2 2。（2 2）递电子体）递电子体细胞色素细胞色素C C1 1的结构的结构 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-S）P122P122在线粒体内膜上，常与黄酶、细胞色素结合成复合物，在线粒体内膜上，常与黄酶、细胞色素结合成复合物，又称铁又称铁-硫中心，硫中心，通过通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变化传递电子。变化传递电子。一、线粒体膜结构的特点一、线粒体膜结构的特点 1948 1948年，年，Eugene KennedyEugene Kennedy等发现：真核细胞线粒体内膜上进行等发现：真核细胞线粒体内膜上进行电子传递和氧化磷酸化，故电子传递和氧化磷酸化，故线粒体内膜是生物氧化呼吸的重要场所。线粒体内膜是生物氧化呼吸的重要场所。第三节第三节 氧化呼吸链与氧化磷酸化氧化呼吸链与氧化磷酸化1 1、外膜：平滑、富有弹性，允许各种离子、小分子、外膜：平滑、富有弹性，允许各种离子、小分子通过，特有单胺氧化酶。通过，特有单胺氧化酶。2 2、内膜：嵴、内膜球体、生物活性蛋白，、内膜：嵴、内膜球体、生物活性蛋白，CytaaCytaa3 3是是标志酶。标志酶。3 3、基质：内膜内部分隔中的液体，胶状，含、基质：内膜内部分隔中的液体，胶状，含50%50%蛋蛋白质。含白质。含TCATCA的酶和脂肪酸氧化的酶，苹果酸脱氢酶、的酶和脂肪酸氧化的酶，苹果酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶是标志酶。谷氨酸脱氢酶是标志酶。二、生物氧化体系二、生物氧化体系（1 1）呼吸链呼吸链：是以氧作为最终受氢体的由一系列传递体以及相应：是以氧作为最终受氢体的由一系列传递体以及相应酶组成的并按一定顺序排列的生物氧化还原链酶组成的并按一定顺序排列的生物氧化还原链,又叫又叫电子传递链。电子传递链。原核生物存在于质膜，真核生物存在于线粒体内膜。原核生物存在于质膜，真核生物存在于线粒体内膜。1 1、线粒体氧化体系、线粒体氧化体系组成成分：组成成分：以以NADNAD或或NADPNADP为辅酶的脱氢酶。为辅酶的脱氢酶。以以FMNFMN或或FADFAD为辅基的黄素酶。为辅基的黄素酶。铁硫蛋白：与传递电子有关。铁硫蛋白：与传递电子有关。辅酶辅酶Q Q：递氢体递氢体 细胞色素：电子传递体细胞色素：电子传递体两条呼吸链：两条呼吸链：NADHNADH氧化呼吸链（主要）氧化呼吸链（主要）琥珀酸氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链（FADHFADH2 2呼吸链）呼吸链）排列顺序：排列顺序：（2 2）呼吸链的组成及排列顺序）呼吸链的组成及排列顺序 P120P120呼吸链中各传递体的顺序是有专一性，不能颠倒呼吸链中各传递体的顺序是有专一性，不能颠倒由由O O2 2生成生成H H2 20 0的反应是不可逆的的反应是不可逆的辅酶辅酶Q Q和和CytcCytc是呼吸链中不同复合物间可流动的氢或是呼吸链中不同复合物间可流动的氢或电子传递体电子传递体呼吸链的传递体复合物呼吸链的传递体复合物(P121(P121图图24-324-3）说明：说明：复合物复合物I I，NADHNADH脱氢酶（脱氢酶（NADHNADH Q Q还原酶）还原酶）,催化催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的还原，活性部分含有辅基的还原，活性部分含有辅基FMN/FADFMN/FAD和铁硫蛋白。是第一个质子泵。和铁硫蛋白。是第一个质子泵。NADH NADH Q Q还原酶还原酶 NADH +HNADH +H+Q=NAD+Q=NAD+QH +QH2 2NADHNADH脱氢酶（脱氢酶（FMN/FADFMN/FAD）+2+2（Fe-SFe-S）+CoQ+CoQ复复合合物物III,III,泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C C还还原原酶酶（QHQH2 2-cytc-cytc还还原原酶酶），催催化化还还原原型型QHQH2 2的的氧氧化化和和细细胞胞色色素素c c（cytccytc）的的还还原原。活活性性部部分分主主要要包包括括细细胞胞色色素素b b 和和c c1 1，以以及及铁铁硫硫蛋蛋白白（2 2Fe-2SFe-2S）。）。QH QH2 2-cytc-cytc 还原酶还原酶 QH QH2 2 +2 cytc(Fe+2 cytc(Fe3+3+)=Q +2 cytc(Fe)=Q +2 cytc(Fe2+2+)+2H)+2H+2 2Cytb+CytcCytb+Cytc1 1+（Fe-SFe-S）Q Q循环（循环（p126)p126)复合物复合物IVIV，细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（cytc cytc 氧化酶），活性部氧化酶），活性部分主要包括分主要包括cytacyta和和a a3 3，除了含有铁卟啉外，还含有铜离除了含有铁卟啉外，还含有铜离子。将子。将cytccytc所携带的电子传递给所携带的电子传递给O O2 2。细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 1/2O 1/2O2 2+2 cytaa+2 cytaa3 3(Cu(Cu+)=O)=O2-2-+2 cytaa+2 cytaa3 3(Cu(Cu2+2+)O O2-2-+2H+2H+=H =H2 2O OCyta+CytaCyta+Cyta3 3复复合合物物IIII，琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶（又又称称琥琥珀珀酸酸-Q Q还还原原酶酶），催催化化琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢，并并将将两两个个高高能能电电子子传传递递给给Q Q。再再通通过过QHQH2 2-cytc-cytc还还原原酶酶、细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶将将电电子子传传递递到到O O2 2。活性部分含有辅基活性部分含有辅基FADFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。琥珀酸琥珀酸 Q Q还原酶还原酶 琥珀酸琥珀酸+Q =+Q =延胡索酸延胡索酸+QHQH2 2琥珀酸脱氢酶（琥珀酸脱氢酶（FADFAD）+2+2（Fe-SFe-S）NADHNADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：琥珀酸氧化呼吸链：琥珀酸氧化呼吸链：加氧体系（微粒体氧化体系，内质网片段）加氧体系（微粒体氧化体系，内质网片段）过氧化体氧化体系（微体中处理过氧化体氧化体系（微体中处理H H2 2O O2 2）多酚氧化酶体系、抗坏血酸氧化酶体系、乙醇酸多酚氧化酶体系、抗坏血酸氧化酶体系、乙醇酸氧化酶体系（叶绿体）氧化酶体系（叶绿体）2 2、其他生物氧化体系、其他生物氧化体系三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化定定义义：在在线线粒粒体体中中，底底物物分分子子脱脱下下的的氢氢经经电电子子传传递递链链传传给给氧氧，在在此此过过程程中中释释放放能能量量使使ADPADP磷磷酸酸化化生生成成ATPATP，这这种种氧氧化化与与磷磷酸酸化化相相偶偶联联的的反反应应称称为为氧氧化化磷磷酸化酸化，是，是生物体合成生物体合成ATPATP的主要方式。的主要方式。电子传递与电子传递与ATPATP形成耦联形成耦联三个部位三个部位三个部位三个部位:NADHNADHNADHNADHCoQ CoQ CoQ CoQ；CoQCoQCoQCoQCytcCytcCytcCytc；CytaaCytaaCytaaCytaa3 3 3 3O O O O2 2 2 2。G G G G0 0 0 0 =-nF=-nF=-nF=-nF E E E E0 0 0 0 n:n:n:n:电子数电子数电子数电子数 ：96.5 96.5 96.5 96.5 KJKJKJKJ/molmolmolmolNADHNADHNADHNADHCoQ CoQ CoQ CoQ E E E E0 0 0 0 =0.36V =0.36V =0.36V =0.36V G G G G0 0 0 0 =-69.5=-69.5=-69.5=-69.5kJkJkJkJ/molmolmolmolCoQCoQCoQCoQCytc Cytc Cytc Cytc E E E E0 0 0 0 =0.19V =0.19V =0.19V =0.19V G G G G0 0 0 0 =-36.7 =-36.7 =-36.7 =-36.7 kJkJkJkJ/molmolmolmolCytaaCytaaCytaaCytaa3 3 3 3O O O O2 2 2 2 E E E E0 0 0 0 =0.53V =0.53V =0.53V =0.53V G G G G0 0 0 0 =-102.3 =-102.3 =-102.3 =-102.3 kJkJkJkJ/molmolmolmolFADHFADHFADHFADH2 2 2 2 CoQ CoQ CoQ CoQ E E E E0 0 0 0 =0.01V =0.01V =0.01V =0.01V G G G G0 0 0 0 =-2=-2=-2=-2kJkJkJkJ/molmolmolmolNADHNADHNADHNADH链：链：链：链：2.5 2.5 2.5 2.5ATP FADHATP FADHATP FADHATP FADH2 2 2 2链：链：链：链：1.51.51.51.5ATPATPATPATP、计算各阶段释放的自由能、计算各阶段释放的自由能、计算各阶段释放的自由能、计算各阶段释放的自由能0.03P/OP/OP/OP/O：每消耗每消耗每消耗每消耗1 1 1 1molmolmolmol原子氧时原子氧时原子氧时原子氧时ADPADPADPADP磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数(即合即合即合即合成成成成ATPATPATPATP的摩尔数的摩尔数的摩尔数的摩尔数)。、P/OP/OP/OP/O比值测定比值测定比值测定比值测定2.52.51.51.5通过测定氧化磷酸化过程中氧的消耗与无机磷酸消耗的比例通过测定氧化磷酸化过程中氧的消耗与无机磷酸消耗的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与关系，可以反映底物脱氢氧化与ATPATP生成之间的比例关系。生成之间的比例关系。丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A PA P：O=2.5O=2.5，苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸 P P：O=2.5O=2.5，-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸 P P：O=3.5O=3.5异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸 P P：O=2.5O=2.5氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成从而形成跨膜跨膜pHpH梯度和跨膜电位差梯度和跨膜电位差。这种形式的。这种形式的“势势能能”被存在于线粒体内膜上的被存在于线粒体内膜上的ATPATP合酶利用，生成高合酶利用，生成高能磷酸基团，并与能磷酸基团，并与ADPADP结合而合成结合而合成ATPATP。3 3、氧化磷酸化的偶联机制、氧化磷酸化的偶联机制:化学渗透学说化学渗透学说(1961,1961,MitchellMitchell)质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原电势来完成。所形成的氧化还原电势来完成。每传递一对电子，向膜间腔释放每传递一对电子，向膜间腔释放1010个质子。复合物个质子。复合物泵泵出出4 4个质子、复合物个质子、复合物泵出泵出4 4个质子、复合物个质子、复合物泵出泵出2 2个个质子。质子。（1 1）质子梯度的形成）质子梯度的形成 2 2ATPATP的合成：的合成：当当质质子子从从膜膜间间腔腔返返回回基基质质中中时时，这这种种“势势能能”可可被被位位于于线线粒粒体体内内膜膜上上的的ATPATP合合酶酶（复复合合物物）利利用用以以合合成成ATPATP，合合成成1 1ATPATP需需4 4H H+（3H3H+用于生成用于生成ATPATP，H H+用于运送底物。）用于运送底物。）ATPATP合酶的分子结构合酶的分子结构（表（表24244 4，P136P136）3 3、氧化磷酸化的影响因素、氧化磷酸化的影响因素ATP/ADPATP/ADP比比值值是是调调节节氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度的的重重要要因因素素。ATP/ADPATP/ADP比比值值下下降降，可可致致氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度加加快快；反反之之，当当ATP/ADPATP/ADP比比值值升升高高时时，则则氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度减减慢。慢。甲甲状状腺腺激激素素可可间间接接影影响响氧氧化化磷磷酸酸化化的的速速度度,通通过过激激活活细细胞胞膜膜上上的的NaNa+,K,K+-ATP-ATP酶酶，使使ATPATP水水解解增增加加，因因而使而使ATP/ADPATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。比值下降，氧化磷酸化速度加快。药物和毒物药物和毒物（1 1）呼吸链的抑制剂：）呼吸链的抑制剂：能够抑制第一位点的有能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素异戊巴比妥、粉蝶霉素A A、鱼藤酮等鱼藤酮等；能够抑制第二位点的有能够抑制第二位点的有抗霉素抗霉素A A和二巯基丙醇和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有能够抑制第三位点的有COCO、H H2 2S S和和CNCN-、N N3 3-。（2 2）解偶联剂：）解偶联剂：不不抑抑制制呼呼吸吸链链的的递递氢氢或或递递电电子子过过程程，但但能能使使氧氧化化产产生生的的能能量量不不能能用用于于ADPADP磷磷酸酸化化（破破坏坏质质子子梯梯度度）的的药药物物或或毒毒物物称称为为解解偶偶联联剂剂。如如2,4-2,4-二硝基酚二硝基酚。（3 3）氧化磷酸化的抑制剂：）氧化磷酸化的抑制剂：对对电电子子传传递递（氧氧的的利利用用）和和ADPADP磷磷酸酸化化均均有有抑抑制制作作用用的的药药物物和和毒毒物称为物称为氧化磷酸化的抑制剂氧化磷酸化的抑制剂，如，如寡霉素。寡霉素。（4 4）离子载体抑制剂）离子载体抑制剂:能能量量用用于于转转运运一一价价阳阳离离子子进进入入线线粒粒体体内内膜膜基基质质而而降降低低内内膜膜内内外外的的电电势势差差及及离离子子梯梯度度,减减弱弱ATPATP形形成成的的质质子子推推动动力力,抑抑制制氧氧化化磷磷酸酸化化.如如缬氨霉素、短杆菌肽。缬氨霉素、短杆菌肽。ATPATP、ADPADP、PiPi丙酮酸、丙酮酸、-磷酸甘油、磷酸二羟丙酮磷酸甘油、磷酸二羟丙酮三羧酸：柠檬酸、异柠檬酸三羧酸：柠檬酸、异柠檬酸二羧酸：苹果酸、二羧酸：苹果酸、AspAsp、GluGlu、-酮戊二酸、琥珀酸酮戊二酸、琥珀酸鸟氨酸、瓜氨酸、肉毒碱鸟