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1、05 生物氧化与氧化磷酸化,Objectives,生物氧化及其特点、种类和方式,生物氧化 物质在生物体内氧化分解，并逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程,摄氧 产能（ATP+热能） 产生H2O+ CO2,生物氧化特点,生物氧化的种类 根据有无氧的参与 有氧氧化 无氧氧化 根据发生场所 线粒体氧化体系：与ATP的生成有关，产能的氧化作用，线粒体内发生（原核生物在质膜上发生） 微粒体氧化体系,生物氧化方式 脱电子反应：如 Fe2+Fe3+e 电子不能单独存在于生物体内，有物质失去电子，就有物质得到电子,A2+,B2+,B3+,A3+,A电子供体 B电子受体,脱氢反应 最主要的生物氧化方式,加氧
2、反应,H,RC=O,醛, O2,OH,RC=O,酸,H,RC,O,H2O,OH,RCH,OH,OH,RC,O,2H+2e-,加水脱氢反应,生成ATP的氧化体系,一、电子传递链(呼吸链) 由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系，一般称为生物氧化还原链。若受氢体是氧，则称为呼吸链,构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上,牛心脏线粒体的负染电镜照片，可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,（一）呼吸链的组成,复合体 I (NADH脱氢酶 ),NADH还原酶 NADH还原酶催化（NADH+H+）的脱氢反
3、应，从而将2H传递给其辅基FMN，生成FMNH2,（氧化型）,（还原型）,FMN和FAD递氢机制,（氧化型）,（还原型）,铁硫蛋白(Fe-S) 又叫铁硫中心或铁硫簇 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接 铁原子可进行Fe2+Fe3+e 反应传递电子，为单电子传递体,铁硫中心的结构,泛醌 (UQ) 辅酶Q（ CoQ），属脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链 为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中 分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体,辅酶Q的递氢机制,复合体 II (琥珀酸脱氢酶),复合体 III (细胞色素b、c1复合体),细胞色素类（Cy
4、tochrome, Cyt） 一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。 呼吸链中主要有a、b、c三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同 Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟啉为血红素A 分子中的铁通过氧化还原而传递电子，为单电子传递体,铁卟啉辅基的分子结构,复合体IV (细胞色素氧化酶),（二）呼吸链成分的排列顺序 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,（三）呼吸链的组成 NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,CoQ ( Q )是
5、两条重要呼吸链的交汇点,FAD.H2 (Fe-S),II,I,III,IV,琥珀酸, O2,aa3,+ H+,NADH,FMN,(Fe-S),CoQ,(Fe-S),Cytb,( Cu2+),Cytc,Cytc1,（四）线粒体内重要代谢物氧化的途径,二、氧化磷酸化 （一）体内ATP生成的方式： 底物水平磷酸化 ：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 氧化磷酸化 ：在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化,（二）氧化磷酸化偶联部位 P/O比值：指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数 通过测定在氧化磷酸
6、化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,自由能变化与ATP的生成部位 合成1 mol ATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5 kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。 在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP 在琥珀酸氧化呼吸链中有两处可以生成ATP,三个偶联部位 NADH与CoQ之间； CoQ与Cyt c之间； Cyt aa3与氧之间,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位， P/O比值等于3，即产生3 mol ATP 琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位， P/O比值等于2，即产生
7、2 mol ATP,（二） 氧化磷酸化的偶联机制 1. 化学渗透假说 1961年由Peter Mitchell提出 电子经呼吸链传递时，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储存能量 当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 在电子传递与ATP合成间起偶联作用的是质子电化学梯度,化学渗透假说(P. Mitchell 1961年)要点 呼吸传递体不对称地分布在线粒体内膜上，递氢体和电子传递体间隔排列，催化反应是定向的 呼吸链的复合体I、III、IV中的递氢体有质子泵作用，它可以将 H+ 从线粒体内膜的内侧泵至外侧 线粒体内膜对质子是不透性的，泵到膜外的
8、H+不能自由返回在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度 一个结合于膜上的酶ATP合成酶在跨膜的质子转移驱动反应中催化ADP磷酸化(由质子动力势梯度推动ADP和Pi合成ATP),化学渗透假说简单示意图,复合体、均有质子泵作用,化学渗透假说,Q循环,2. ATP合酶,超声波处理 嵴重新封闭 形成亚线粒体泡,内膜外翻,尿素 胰蛋白酶,保留电子传递功能 丧失合成ATP功能,氧化磷酸化恢复,线粒体内膜组份完整,ATP合酶 F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道 F1：为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能
9、生成ATP,ATP合酶结构模式图,ATP合酶的工作机制,三、影响氧化磷酸化的因素 （一）抑制剂 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,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,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,（二）ADP的调节作用 是主要调节因素 ADP，氧化磷酸化 （三）甲状腺激素 Na+,K+
10、ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 （四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关,四、高能磷酸键的储存与释放 （一）高能磷酸键的类型 生物化学中常将水解时释放的能量 20 kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。主要有以下几种类型： 1磷酸酐键： 包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5 kJ /mol的自由能,混合酐键 由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9 kJ/mol的自由能 烯醇磷酸键 见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9 kJ/
11、mol的自由能 磷酸胍键 见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9 kJ/mol的自由能,几种常见的高能化合物,磷酸肌酸 是骨骼肌和脑组织中能量的贮存形式 磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需 反应过程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成,磷酸肌酸激酶的作用,（二）ATP ATP的特点,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5 kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1 kJMOL-1,-,ATP的特殊作用 ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的
12、中间载体,P,P,P,P,ATP,P,0,2,10,8,6,4,12,14,磷酸基团转移势能,磷酸烯醇式丙酮酸,1,3-二磷酸甘油酸,磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）,6-磷酸葡萄糖,3-磷酸甘油,能荷 ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗 ATP、ADP和AMP的转换率非常高。但它们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求 细胞所处的能量状态用ATP、 ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷,ATP+1/2ADP,ATP+ADP+AMP,腺苷酸库,能荷=,（三）ATP循环 ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称 ATP分子中含有两个高
13、能磷酸酐键（A-PPP），均可以水解供能 ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环,ATP循环,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),（四）多磷酸核苷间的能量转移 在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等,五、线粒体外NADH的穿梭 胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，均可产生NADH 这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP,（一）磷酸甘油
14、穿梭系统 主要存在于脑和骨骼肌中 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体 由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，只能产生2分子ATP,磷酸甘油穿梭系统,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH+H+,-磷酸甘油脱氢酶,（二）苹果酸穿梭系统 主要存在于肝和心肌中 胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子 由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，可生成3分子ATP,苹果酸穿梭系统,NADH +H+,NAD+,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,天冬氨酸,本章小结,氧化磷酸化是由两个紧密偶联的现象组成的: 底物通过呼吸电子传递链被氧化，同时伴随着质子
15、跨内线粒体膜的转移，产生一个质子浓度梯度； 通过质子沿ATP合成酶中的通道向线粒体基质的流动驱动ATP的生成 化学渗透理论解释了ADP磷酰化是如何与电子转移偶联的，也解释了解偶联剂的效应，即该试剂可以使底物氧化，但没有ATP生成,由蛋白质和辅助因子组成的复合物IIV和ATP合成酶参与氧化磷酸化 电子流通过这些复合物一般是根据不同成分的相对电位进行的 来自NADH的电子流通过复合物I，III，IV 来自琥珀酸的电子流经过复合物II引入 几种辅助因子参与电子转移，其中包括FMN，FAD，铁-硫簇，铜原子，细胞色素和泛醌 泛醌连接着复合物I，II和复合物III，而细胞色素c连接着复合物III和复合物
16、IV,电子通过复合物I、复合物III和复合物IV转移时导致质子移位到膜间隙，但通过复合物II的电子转移对质子浓度梯度没有贡献。复合物IV最后将电子从细胞色素c转移给O2，生成H2O 质子经过Fo-F1 ATP合成酶中的Fo成分重新进入线粒体基质。质子流驱动F1 ATP合成酶将ADP和Pi合成为ATP 胞液中的NADH进入线粒体内有两种途径 甘油磷酸穿梭途径：胞液中的NADH经甘油磷酸穿梭途径转换为线粒体的FADH2 苹果酸-天冬氨酸穿梭途径：胞液中的NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭途径转换为线粒体的NADH,练习题,体内二氧化碳来自： 碳原子被氧原子氧化 呼吸链的氧化还原过程 有机酸的脱羧 糖原
17、的分解,线粒体氧化磷酸化解偶联是意味着： 线粒体氧化作用停止 线粒体膜ATP酶被抑制 线粒体三羧酸循环停止 线粒体能利用氧，但不生成ATP,丙酮酸彻底氧化为二氧化碳、水和能量，其P/O比值为： 2 3 4 5,P/O比值是指： 每消耗一分子氧需要消耗无机磷的分子数 每消耗一原子氧需要消耗无机磷的克数 每消耗一克原子氧所消耗无机磷的克原子数 每消耗一克分子氧所需消耗无机磷的克分子数,在胞浆中进行与能量生成有关的代谢过程是： 三羧酸循环 电子传递 糖酵解 氧化磷酸化,氰化物（CN-）是剧毒物，使人中毒致死原因是： 与肌红蛋白中Fe3+结合使之不能储氧 与Cyt b中Fe3+结合使之不能传递电子 与Cyt c中Fe3+结合使之不能传递电子 与Cyt aa3中Fe3+结合使之不能激活1/2 O2,劳动或运动时ATP因大量消耗而大量减少，此时： ADP相应增加，ATP/ADP下降，呼吸随之加快，氧化磷酸化升高 ADP相应减少，维持ATP/ADP恢复正常 ADP相应减少，ATP/ADP增高，呼吸随之加快 ADP大量磷酸化以维持ATP/ADP不变,位于糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、糖原合成和糖原分解各条代谢途径交汇点上的化合物是： 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 1,6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛,