第六章生物氧化Biological Oxidation * 生物氧化的概念分解代谢的一般途径第一节生成ATP 的氧化磷酸化体系Section 1 the Oxidative Phosphorylation System of ATP Production 一、呼吸链1. 复合体Ⅰ: NADH- 泛醌还原酶2. 复合体Ⅱ: 琥珀酸-泛醌还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c，具有质子泵作用5. 复合体Ⅳ: 细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧，具有质子泵作用二、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化偶联部位(ATP 生成部位) （二）氧化磷酸化的偶联机理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 。三、影响氧化磷酸化的因素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0 质子通道回流，抑制ATP 生成四、ATP 高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol 的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物（三）ATP 的生成和利用五、通过线粒体内膜的物质转运（一）胞浆中NADH 的氧化胞浆中NADH 必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有α- 磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle) （三）超氧化物歧化酶(superoxide dismutase ，SOD) （四）其他小分子自由基清除剂：不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响（三）甲状腺激素1. 诱导Na+,K+–ATP 酶ATP ADP + Pi 2. T3 诱导解偶联蛋白基因表达Na+,K+–ATP 酶（四）mtDNA 突变影响氧化磷酸化，使ATP 生成减少而致病，主要呈母系遗传。由mtDNA 编码的亚基数目Ⅰ（ND ）43 7 Ⅱ4 0 Ⅲ11 1 Ⅳ13 3 Ⅴ（ATP 合酶）8 2 复合体亚基数目人类线粒体基因编码的呼吸链蛋白质ND: NADH dehydrogenase 人类线粒体基因组线粒体基因病系谱图1、Leber 遗传性视神经病(Leber hereditary optic neuropathy ，LHON) 临床表现：病初发时为急性或亚急性眼球的神经炎，引发严重双侧视神经萎缩和大片中心暗点，使视力突然丧失并伴有色觉障碍。在急性发作之后，视觉进一步衰退，但常可维持0.02~0.5 的视力。色觉障碍等。此症发病高峰年龄是20~25 岁，但任何年龄段都可能发病。基因突变：ND1 ：LHON 4160T→C ，亮→脯；ND1 ：LHON 3460G→A ，丙→丝；ND1 ：LHON 3394T→C ，酪→组 2 、线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(mitochondrial encephalomyopathy ，lacticacidosis ，and stroke-like episodes ，MELAS) 临床表现：虚弱、乳酸酸中毒、感觉神经性听觉丧失、痴呆、反复发生卒中样发作、头痛、呕吐基因突变：线粒体tRNA Leu ：MELAS 3243 T →C 或A →G ND4 ：MELAS 11084 A →G mtDNA 突变疾病举例（一）高能磷酸键与高能磷酸化合物ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP ADP + ADP ATP + AMP 腺苷酸激酶2. 腺苷酸激酶的作用1. 核苷二磷酸激酶的作用（二）高能磷酸化合物的互变与能量储存3. 肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。ATP ADP 肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P ~P 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) 生物体内能量的储存和利用都以ATP 为中心。线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter) 对各种物质的转运。线粒体内膜的主要转运蛋白（ATP-ADP 转位酶）NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α- 磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α- 磷酸甘油α- 磷酸甘油脱氢酶1.5ATP 1. α- 磷酸甘油穿梭机制（脑、骨骼肌）α- 磷酸甘油磷酸二羟丙酮NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸- 天冬氨酸转运体苹果酸- α- 酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α- 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2.5ATP 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（心、肝、肾）苹果酸苹果酸脱氢酶草酰乙酸天冬氨酸α- 酮戊二酸谷草转氨酶谷氨酸腺苷酸转运蛋白，又称ATP-ADP 转位酶。作用：催化ADP 经内膜进入线粒体与ATP 经内膜移出线粒体。磷酸盐转运蛋白作用：参与H2PO4 与H+ 同向转运到线粒体内。（二）腺苷酸与磷酸转运蛋白ATP-ADP 转位酶ATP4- F0 F1 胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3- H2PO4- ATP4- 4H+ 4H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 复合体Ⅲ的结构562 566 Q 循环1 2 复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体Ⅳ还原型Cyt c →→O2 CuA→a→a3CuB Cu+ Cu2+ e e Fe2+ Fe3+ e e 复合体Ⅳ将电子从Cyt c 传递给O2 生成水（其中Cyt a3 和CuB 形成的双核中心将电子交给O2 ）电子在呼吸链中的传递ⅣNADH+H+ NAD+ O2+2H+ H2O 胞液侧线粒体内膜QH2 Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH2 4H+ 4H+ Ⅲ4H+ 4H+ Cytc Cytc 2H+ 2H+ 基质侧ⅠQH2 QH2 由以下实验确定①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序标准氧化还原电位的测定pH7.0, T25℃E (V) Direction in which electrons are transferred e a. NADH 氧化呼吸链：b. 琥珀酸氧化呼吸链：体内的两条主要呼吸链琥珀酸→FAD →CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2 (Fe-S) NADH→FMN →CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2 (Fe-S) 1. NADH 氧化呼吸链NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2 NADH 氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链* 定义氧化磷酸化由代谢物脱下的氢，经呼吸链的电子传递释放能量，偶联驱动ADP 磷酸化生成ATP 的过程，又称为偶联磷酸化。oxidative phosphorylation ：the process in which the phosphorylation of ADP to yield ATP is coupled to the electron transport through respiratory chain. Electron Transport Chain H2O ADP+Pi ATP O2 Phosphorylation of ADP NADH FADH2 1. P/O 比值P/O 比值：物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP 摩尔数），即生成ATP 的摩尔数。P/O ratio ：the number of inorganic phosphate molecules consumed in ATP formation for each oxygen atom reduced to H2O. n ADP + n Pi n ATP H2 + O2 →H2O + 能量β- 羟丁酸→抗坏血酸↓Cyt c ↓琥珀酸ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位一对氢原子经呼吸链氧化后可产生ATP 的数目：NADH→O2 3 2.5 琥珀酸→O2 2 1.5 老算法新算法2. 自由能的变化∵1molADP + 1molPi + 30.5 kJ/mol→1mol ATP 而⊿G =-nF⊿E , 其中n=2, F=96.5kJ/mol·V, 要求|⊿G | = |-nF⊿E | > 30.5kJ/mol ∴|⊿E | = |⊿G /(-nF) | > 30.5/(2×96.5 )=0.16V≈0.2V | | | | | | | | 氧化磷酸化偶联部位ATP ATP ATP In 1961, P.Mitchell proposed the revolutionary hypothesis of Chemiosmotic Hypothesis and was awarded the Nobel Prize in Chemistry 1978 Peter Mitchell (1920 - 1992) 线粒体基质线粒体膜+ + + + - - - - H+ O2 H2O H+ e- ADP + Pi ATP 化学渗透假说简单示意图ⅢⅠⅡⅣF0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸琥珀酸H+ O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧基质侧+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图Intermembrane space Matrix F1: α3β3γδεATPase activity hydrophilic F0: a1b2c9 ～12 proton channel hydrophobic ATP 合酶ATP synthase 当H+ 顺浓度递度经F0 中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP 合酶的工作机制3H+p 3H+n 3H+p 3H+n ⅢⅠⅡⅣF0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸琥珀酸H+ O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ Intermembrane space matrix + + + + + + + + + + - - - - - - - - - overview 有实验表明：每合成1分子ATP 需要回流3个质子，另加1个质子回流以提供底物(ADP 、Pi) 和产物(ATP) 的跨膜转运。因此，每合成1分子ATP 需要回流4个质子。所以NADH+H+ →O2 可合成2.5 分子ATP 琥珀酸→O2 可合成1.5 分子ATP 1. 呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、抗霉素A、氰化物等2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：二硝基苯酚(DNP), 解偶联蛋白3. 氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP 磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A 异戊巴比妥× 抗霉素A 粘噻唑菌醇× CO CN- N3- H2S × 各种呼吸链抑制剂的阻断位点解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0 F1 ⅣCyt c Q 胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+ H+ ADP+Pi ATP 寡霉素ATP 合酶结构模式图鱼藤酮粉蝶霉素A 异戊巴比妥粘噻唑菌醇抗霉素A CO CN N3 H2S 二硝基苯酚寡霉素ⅠⅡⅢⅣPi ADP ATP ATP 合酶（二）ADP 的调节作用ADP 促进氧化磷酸化不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响* * 物质在生物体内进行氧化称生物氧化（biological oxidation ），主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和H2O 的过程。1. 生物氧化的定义2. 生物氧化的特点环境条件：37℃恒温，近中性，甚至有水参与。反应方式：酶促，反应逐步进行（加氧、脱氢、失电子）；CO2 的生成：有机酸脱羧；水的生成：O2 接受电子后与H+ 结合；能量散发：逐步释放，部分以化学能方式储存，部分以热能释放多糖脂肪蛋白质单糖脂肪酸+ 甘油氨基酸乙酰CoA 2H 呼吸链H2O ADP+Pi ATP CO2 第一阶段(1% 能量) 第二阶段(1/3 能量) 第三阶段(2/3 能量) O2 氧化磷酸化TCA cycle 三羧酸循环呼吸链(Respiratory Chain) H2O ADP+Pi ATP O2 氧化磷酸化NADH FADH2 脂肪酸β- 氧化葡萄糖乙酰CoA 糖酵解丙酮酸丙酮酸脱氢酶系乙酰CoA overview 1、呼吸链掌握定义、部位、组分及其功能，组分的排列顺序2 、氧化磷酸化掌握定义、P/O 比值、偶联部位熟悉偶联机制、影响因素3 、ATP 掌握ATP 在能量生成和利用中的地位和作用4 、NADH 的穿梭掌握α- 磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭的过程定义呼吸链/电子传递链代谢物脱下的成对氢原子（2H ）通过多种酶和辅酶所催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这一包含多种氧化还原组分的传递链称为呼吸链,又称电子