生物能学原理和生物氧化公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

目目 录录第十一章第十一章第十一章第十一章生物能学原理及生物能学原理及生物氧化生物氧化Principle of Bioenergetics and Biological Oxidation第1页第1页目目 录录物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量，最最后后身身成成CO2 和和 H2O过过程程。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呼吸胞呼吸(cellular respiration)。*生物氧化生物氧化（biological oxidation）概念概念 第2页第2页目目 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*生物氧化普通过程生物氧化普通过程第3页第3页目目 录录 营养物质分解氧化三阶段营养物质分解氧化三阶段w大分子小分子-：分解w ：分解氧化w 乙酰CoAw w TCA ：氧化磷酸化w （主要产能步）w H2O+ATP CO2脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸-氧化、氧化、氧化、氧化、丙酮酸氧化脱羧和丙酮酸氧化脱羧和丙酮酸氧化脱羧和丙酮酸氧化脱羧和氨基酸降解生成，氨基酸降解生成，氨基酸降解生成，氨基酸降解生成，其实是活化了乙酸。其实是活化了乙酸。其实是活化了乙酸。其实是活化了乙酸。ATP ATP：tricarboxylic acid cycletricarboxylic acid cycle第4页第4页目目 录录w w 物质代谢物质代谢w代谢代谢 生物生物氧化氧化w 能量代谢能量代谢w w 体内代谢体内代谢 体外燃烧体外燃烧w 物质物质能量能量 转化转化代谢与能量代谢与能量产能产能耗能耗能分解分解合成合成第5页第5页目目 录录 体内代谢与体外燃烧区别：体内代谢与体外燃烧区别：w1.温度：体温，37度w 高温w2.反应温和：酶促,逐步氧化,逐步放能,可调整w 反应猛烈：短时间内以光，热能形式放能w3.效率：以高能键储存，4055%w 不能储存，0%w4.CO2起源：有机羧酸脱羧而来w 直接氧化而来第6页第6页目目 录录氧化氧化w糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2Ow体内：酶促反应，生成ATP 体外：燃烧，生成光和热w氧化过程：加氧、脱氢、失电子第7页第7页目目 录录第一节第一节生物能学基本原理生物能学基本原理Principles of Bioenergetics第8页第8页目目 录录一、生物系统遵循热力学定律一、生物系统遵循热力学定律一个体系及其周围环境总能量是一个常数一个体系及其周围环境总能量是一个常数 。能能量量能能够够在在系系统统内内转转移移，或或从从一一个个形形式式转转化化为为另一个形式。另一个形式。有有机机化化合合物物氧氧化化时时释释放放能能量量等等于于该该物物质质所所含含有有化学键能化学键能与其氧化产物所含化学键能之差。与其氧化产物所含化学键能之差。（一）热力学第一定律（一）热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律第9页第9页目目 录录w熵（熵（entropy）表示一个系统无序或随机程度。）表示一个系统无序或随机程度。w惯用惯用G(自由能改变自由能改变)衡量一个生物化学过程是否衡量一个生物化学过程是否能够自发进行：能够自发进行：G0，反应为吸能反应（，反应为吸能反应（G值越大，则系统值越大，则系统 越越稳定，发生反应倾向越小。）稳定，发生反应倾向越小。）G=0，反应系统处于平衡状态，反应系统处于平衡状态（二）热力学第二定律（二）热力学第二定律 自动发生过程总熵增长自动发生过程总熵增长第10页第10页目目 录录G:当反应物浓度为当反应物浓度为1 mol/L，反应温度为，反应温度为25，压力，压力为为1大气压时，用大气压时，用G表示原则自由能改变。表示原则自由能改变。G：生物化学反应时，将：生物化学反应时，将pH定为定为7.0，这种状态下，这种状态下原则自由能改变用原则自由能改变用G 表示。表示。G 可依据平衡常数可依据平衡常数Keg进行计算：进行计算：G=-2.303 RT log Keg R为气体常数为气体常数R=8.3110-3kJ/molK，T为绝对温度。为绝对温度。第11页第11页目目 录录（一）代谢物转变时释放自由能提供另一个（一）代谢物转变时释放自由能提供另一个代谢物转变代谢物转变二、体内吸能过程与放能过程偶联进行二、体内吸能过程与放能过程偶联进行A+C B+D+热能热能第12页第12页目目 录录（二）一个热力学上不利反应可被热力学有（二）一个热力学上不利反应可被热力学有利反应驱动利反应驱动A B+CB DA D+C第13页第13页目目 录录（三）放能反应时生成高能化合物提供吸能（三）放能反应时生成高能化合物提供吸能反应所需自由能反应所需自由能ACBDEEE代表高能化合物，代表高能化合物，E为相应低能化合物为相应低能化合物 第14页第14页目目 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关键作用过程中起关键作用普通将普通将G 不小于不小于ATP（包括（包括ATP），），或或G 不小于不小于21 kJ/mol磷酸化合物称为高磷酸化合物称为高能磷酸化合物。能磷酸化合物。用符号用符号P表示高能磷酸键。表示高能磷酸键。（一）高能磷酸化合物磷酰基水解时释放出（一）高能磷酸化合物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:第15页第15页目目 录录一些生物学主要有机磷酸化合物水解时释放原则自由能一些生物学主要有机磷酸化合物水解时释放原则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)第16页第16页目目 录录（二）（二）ATP将热力学上不利过程和有利反将热力学上不利过程和有利反应相偶联应相偶联体内许多代谢物体内许多代谢物“活化活化”反应（吸能）大多反应（吸能）大多直接或间接地与直接或间接地与ATPATP酸酐键水解放能反应相偶联，酸酐键水解放能反应相偶联，使使“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第17页第17页目目 录录（三）腺苷酸激酶（三）腺苷酸激酶（adenylate kinase）催化）催化腺嘌呤核苷酸之间互相转变腺嘌呤核苷酸之间互相转变 ATP+AMP 2ADP第18页第18页目目 录录（四）核苷二磷酸激酶催化（四）核苷二磷酸激酶催化UTP、CTP、GTP生成生成 ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP第19页第19页目目 录录（五）磷酸肌酸作为肌和脑中能量一个储（五）磷酸肌酸作为肌和脑中能量一个储存形式存形式第20页第20页目目 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)渗入能渗入能(物质积极转运物质积极转运)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)生物体内能量储存和利用生物体内能量储存和利用都以都以ATP为中心。为中心。人体内人体内ATP起源和去路起源和去路:第21页第21页目目 录录第二节第二节 氧化磷酸化氧化磷酸化Oxidative Phosphorylation第22页第22页目目 录录定义定义代代谢谢物物脱脱下下成成对对氢氢原原子子(2H)通通过过各各种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化连连锁锁反反应应逐逐步步传传递递，最最后后与与氧氧结结合合生生成成水水，这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链(respiratory chain)又称又称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。构成构成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）一、氧化呼吸链又称电子传递链一、氧化呼吸链又称电子传递链第23页第23页目目 录录（一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4 4种复合体所构成种复合体所构成*泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包括在上述四种复合体中。均不包括在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Fe-S铁卟啉，铁卟啉，Cu多肽链数多肽链数3941113第24页第24页目目 录录呼吸链各复合体在线粒体内膜中位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中位置第25页第25页目目 录录1.1.复合体复合体将将NADH+H+中两个电子传递给泛中两个电子传递给泛醌醌（ubiquinone）复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 第26页第26页目目 录录NAD+和和NADP+结构结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+第27页第27页目目 录录NAD+（NADP+）加氢和脱氢反应加氢和脱氢反应 氧化还原反应改变发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应改变发生在五价氮和三价氮之间。第28页第28页目目 录录FMN加氢和脱氢反应加氢和脱氢反应 FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，功功效效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。第29页第29页目目 录录铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫簇簇(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反反应应传传递递电子。电子。表示无机硫表示无机硫 铁硫簇铁硫簇(iron-sulfur cluster )结构结构第30页第30页目目 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第31页第31页目目 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疏疏水水侧侧链链（人人CoQ10），氧氧化化还还原原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。反应时可生成中间产物半醌型泛醌。泛醌加氢和脱氢反应泛醌加氢和脱氢反应 第32页第32页目目 录录NADH FMN N1a（N3,N1b,N4）N2 QP-N Q（Fe2S2）（Fe4S4)(Fe2S2)(Fe4S4）（）（Fe4S4）当前推测复合体当前推测复合体中电子传递顺序下列：中电子传递顺序下列：第33页第33页目目 录录2.2.复合体复合体将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌（FAD，S1）S3 QP-S琥珀酸琥珀酸Q复合体复合体中电子传递顺序中电子传递顺序:一些含有一些含有FAD脱氢酶也可将底物中电子传递给泛醌。脱氢酶也可将底物中电子传递给泛醌。第34页第34页目目 录录第35页第35页目目 录录细细 胞胞 色色 素素（Cytochrome，Cyt）细胞色素是一类以血红素（heme）为辅基电子传递蛋白，依据它们吸取光谱不同而分类。各种还原型细胞色素主要光吸取峰各种还原型细胞色素主要光吸取峰细胞色素细胞色素波长（波长（nm）a600439b562532429c550521415c1554524418第36页第36页目目 录录血红素中铁原子可进行血红素中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递反应传递电子电子,属单电子传递体。属单电子传递体。第37页第37页目目 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 第38页第38页目目 录录 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c1第39页第39页目目 录录复合体复合体传递电子过程通过传递电子过程通过Q循环循环(Q cycle)来实现来实现:（1 1）第一分子）第一分子QHQH2 2氧化过程氧化过程（2）第二分子）第二分子QH2氧化过程氧化过程 QH2QH2Fe2S22H+Q QQe e c1e e e e e e bLbHQ0Qie e QH2QH2Fe2S22H+Q QQe e c1e e e e e e bLbHQ0Qie e QH22H+Q Q 第40页第40页目目 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 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成活性部位将电子交给形成活性部位将电子交给O2。第41页第41页目目 录录细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶CuA中心中心 第42页第42页目目 录录细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶a3-CuB中心中心 第43页第43页Fe()Fe()CuCuB2+CuCuB2+CuCuB+CuCuB+HO-YHO-Y(Tyrosine 244)HO-YHO-YHO-YHO-YHO-YOO2Fe(III)Fe(IV)Fe(IV)Fe(IV)Fe(III)+Fe(III)+Fe(III)e-e-H+H2OH+CuCuB+OHOHCuCuB+CuCuB2+O-YO=OO=OOHOHOHOHOOOOOOO-OO-OOHOHCuCuB+H+H2Oe-H+,e e-细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶a a3 3-Cu-CuB B中心使中心使O O2 2还还原生成原生成H H2 2O O过程过程 目目 录录第44页第44页目目 录录第45页第45页目目 录录 由下列试验拟定由下列试验拟定:原则氧化还原电位原则氧化还原电位 特异克制剂阻断特异克制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 拆开和重组拆开和重组（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位从低到高排列从低到高排列第46页第46页目目 录录第47页第47页目目 录录第48页第48页目目 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路径氧化呼吸链可分为两条路径:第49页第49页目目 录录NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链第50页第50页目目 录录电子传递链电子传递链第51页第51页目目 录录氧化呼吸链电子传递概貌氧化呼吸链电子传递概貌 第52页第52页目目 录录第53页第53页目目 录录呼吸链特点呼吸链特点w1 伴随各电子传递体还原电位，对电w 子亲和力，电子逐步传递到氧，每一w 次传递都释放能量w2 各电子传递体以复合体形式存在，按w 序整合，连续，高速w3 分布不对称（Mit内膜上）w 贯穿：复合体 I、III、IVw 偏外：C1，a 便于传递w 偏内：a3第54页第54页目目 录录苹果酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶NADHFMNFe-SCoQ Cytb CytC1 CytC Cytaa3 O2 -羟丁酸脱氢酶-羟脂酰CoA脱氢酶ADP ATPADP ATPADP ATP3-磷酸甘油脱氢酶琥珀酸脱氢酶 脂酰辅酶A脱氢酶FADFe-S呼吸链全貌呼吸链全貌第55页第55页目目 录录 二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化反应偶联磷酸化反应偶联*定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是是指在呼吸链电子传递过程中偶联指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化，生成生成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过程。过程。第56页第56页目目 录录（一）复合体（一）复合体、和和是氧化磷酸是氧化磷酸化偶联部位化偶联部位w1.依据依据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wP/O 定义：物质氧化时，每消耗1mol原子氧（1/2O2）所消耗无机磷（P）mol数，称为该物质P/O值。wP/O1，(0.5)合成1个ATPwP/O1.5,2,合成 2个ATP wP/O2.5,合成 3个ATP第57页第57页目目 录录 线粒体离体试验测得一些底物线粒体离体试验测得一些底物P/OP/O比值比值注：近年试验拟定，注：近年试验拟定，NADH呼吸链呼吸链P/O比值大约为比值大约为2.5；琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链P/O比值约为比值约为1.5。第58页第58页目目 录录2.2.依据电子传递时自由能改变拟定也许偶联部位依据电子传递时自由能改变拟定也许偶联部位G=-nFE电子传递链自由能改变电子传递链自由能改变 区段区段电位改变电位改变(E)自由能改变自由能改变G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否不小于是否不小于30.5kJ)Cyt aa3O2 0.53V 102.3kJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5kJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5kJ/mol 能能第59页第59页目目 录录第60页第60页目目 录录氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位w自由能改变：w ATP ADP+Piw ATP中 P：G0=30.5KJ/molwG0=nF E0=296.5 E0w令上式=30.5,则E0=0.158wNADH CoQ E0=0.36wCoQ Cyt C1 E0=0.19 可合成ATPwCyt aa3 O2 E0=0.58第61页第61页目目 录录ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位第62页第62页目目 录录（二）（二）氧化磷酸化偶联机制是跨线粒体内氧化磷酸化偶联机制是跨线粒体内膜质子电化学梯度膜质子电化学梯度化学渗入假说化学渗入假说(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度梯度回流时驱动梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。第63页第63页目目 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 化学渗入假说简朴示意图化学渗入假说简朴示意图第64页第64页目目 录录氧化呼吸链质子跨膜转移机制氧化呼吸链质子跨膜转移机制 第65页第65页目目 录录F1:亲亲水水部部分分(33亚亚基基,OSCP,IF1亚基亚基)F0:疏疏水水部部分分(a,b2,c912亚基亚基)（三）（三）ATP合酶利用质子顺浓度梯度回流合酶利用质子顺浓度梯度回流时释放能量合成时释放能量合成ATP 1.ATP合酶合酶（ATP synthase）由）由F1 和和F0构成构成第66页第66页目目 录录2.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基质。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。第67页第67页目目 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个个亚基构象发生改变。亚基构象发生改变。ATP合酶工作机制合酶工作机制3.亚基旋转使亚基旋转使亚基构象改变造成亚基构象改变造成ATP合成和释放合成和释放 第68页第68页目目 录录ATP合成机制合成机制w w 第三步w 第一步 第二步PiADP ATPADPPiATPATP第69页第69页目目 录录ATP合成机制合成机制 XX反应中心反应中心H+ATPw F1中小亚基转动模式第70页第70页目目 录录三、一些原因影响氧化磷酸化进行三、一些原因影响氧化磷酸化进行1.呼吸链克制剂阻断氧化呼吸链电子传递呼吸链克制剂阻断氧化呼吸链电子传递 如：如：鱼藤酮鱼藤酮（rotenone）2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离 如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白（uncoupling protein,UCP）1.3.ATP合酶克制剂对电子传递及合酶克制剂对电子传递及ADP磷酸化都磷酸化都有克制作用有克制作用 如：寡霉素如：寡霉素（oligomycin）（一）氧化磷酸化克制剂有（一）氧化磷酸化克制剂有3类类第71页第71页目目 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 各种呼吸链克制剂阻断位点各种呼吸链克制剂阻断位点第72页第72页目目 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 第73页第73页目目 录录寡霉素寡霉素(oligomycin)可制止质子从可制止质子从F0质质子通道回流，克制子通道回流，克制ATP生成。生成。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图第74页第74页目目 录录不同底物和克制剂对线粒体氧耗影响 第75页第75页目目 录录（二二）正正常常机机体体氧氧化化磷磷酸酸化化速速率率主主要要受受ADP调整调整呼吸链电子传递和呼吸链电子传递和ATP生成偶联关系是互相依生成偶联关系是互相依赖。赖。呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio,RCR)第76页第76页目目 录录（三）甲状腺激素使机体耗氧和产热均增长（三）甲状腺激素使机体耗氧和产热均增长 甲状腺素：甲状腺素：1.增进增进Mit氧化磷酸化，氧化磷酸化，ATP生成生成 2甲状腺激素诱导甲状腺激素诱导Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白酶和解偶联蛋白基因表示增长。基因表示增长。使使ATPADP+Pi 总效应：总效应：ATP合成合成，ATP分解也分解也 表现为氧耗表现为氧耗，产热，产热 甲亢：易热，易喘，情绪激动甲亢：易热，易喘，情绪激动第77页第77页目目 录录（四）线粒体（四）线粒体DNA突变使氧化磷酸化功效减少突变使氧化磷酸化功效减少线粒体线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）病）病衰老衰老第78页第78页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+跨膜质子电化学梯度；跨膜质子电化学梯度；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 录录第79页第79页目目 录录四、线粒体内膜对物质转运含有选择性四、线粒体内膜对物质转运含有选择性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选选择择性性不不强强，内内膜膜依依赖赖各种跨膜转运蛋白各种跨膜转运蛋白(transporter)对各种物质转运。对各种物质转运。第80页第80页目目 录录线粒体内膜中一些转运蛋白对代谢物转运线粒体内膜中一些转运蛋白对代谢物转运第81页第81页目目 录录（一）（一）胞浆中胞浆中NADH通过穿梭进入线通过穿梭进入线粒体参与氧化磷酸化粒体参与氧化磷酸化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)第82页第82页目目 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第83页第83页目目 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第84页第84页目目 录录（二）腺苷酸移位酶使（二）腺苷酸移位酶使ATP和和ADP反向转运反向转运腺苷酸移位酶（腺苷酸移位酶（adenine nucleotide translocase）又称腺苷酸载体（又称腺苷酸载体（adenine nucleotide carrier）或）或腺苷酸转运蛋白。腺苷酸转运蛋白。第85页第85页目目 录录（三）（三）Ca2+通过线粒体内膜中两种转运蛋白通过线粒体内膜中两种转运蛋白进出线粒体进出线粒体线线粒粒体体是是储储存存Ca2+细细胞胞器器。由由膜膜电电位位驱驱动动，通通 过过 内内 膜膜 中中 钙钙 单单 向向 转转 运运 蛋蛋 白白（calcium uniporter）转转运运，使使Ca2+进进入入线线粒粒体体。转转运运速速度度随随胞胞浆浆中中Ca2+浓浓度度增增长长而而增增长长。线线粒粒体体基基质质中中Ca2+与与胞胞浆浆中中Na+可可通通过过Na+-Ca2+互互换换蛋蛋白白（Na+-Ca2+exchanger）对向转运。对向转运。第86页第86页目目 录录（四）线粒体内膜转运蛋白中均存在（四）线粒体内膜转运蛋白中均存在3 3个前个前后重复结构后重复结构 线线粒粒体体内内膜膜还还存存在在其其它它与与代代谢谢物物转转运运相相关关转转运运蛋蛋白白，它它们们大大多多含含有有3个个以以100个个氨氨基基酸酸残残基基为为单单位位重重复复结结构构，空空间间结结构构分分析析，每每个个单单位位存存在在两两个个跨跨膜膜段段，有有助助于于形形成成跨跨膜膜转转运通道。运通道。第87页第87页目目 录录第三节第三节 不生成不生成ATP氧化路径氧化路径Oxidation Without ATP Generation第88页第88页目目 录录一、微粒体细胞色素一、微粒体细胞色素P450P450单加氧酶系使单加氧酶系使底物分子羟化底物分子羟化单加氧酶单加氧酶(monoxygenase)RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450(Cyt P450)参与。参与。它它催催化化氧氧分分子子中中一一个个氧氧原原子子加加到到底底物物分分子子中中(羟羟化化)，故故也也称称羟羟化化酶酶(hydroxylase)；同同时时将将另另一一个个氧氧原原子子与与NADPH+H+中中2H结结合合生生成成水水，故故又又称称混混合合功效氧化酶功效氧化酶(mixed-function oxidase)。第89页第89页 Fe()Fe(III)Fe(IV)Fe(III)Fe(III)Fe(III)e-CuCuB+O=OO=OOOO-OHO-OHH+H2O微粒体细胞微粒体细胞色素色素P450P450基基本反应机制本反应机制 Fe(III)O-OO-O AHAHAHAHAHAHA-OHFe()AOHAOHe-H+H2O22H+O2AHAHO2+目目 录录第90页第90页目目 录录第91页第91页目目 录录二、生物氧化过程中产生超氧阴离子二、生物氧化过程中产生超氧阴离子（一）活性氧类包括超氧阴离子、过氧化氢（一）活性氧类包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基和羟自由基超氧阴离子（超氧阴离子（superoxide anion）：）：O2过氧化氢（过氧化氢（hydrogen peroxide）：）：H2O2羟自由基（羟自由基（hydroxyl free radical）：）：OHO2 O2-H2O2 OH H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+H2O活性氧类（活性氧类（reactive oxygen species,ROS）：）：第92页第92页目目 录录w自由基（自由基（free radical）是指任何带未成对电子原）是指任何带未成对电子原子、分子或基团。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+存在下存在下可通过芬顿（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第93页第93页目目 录录（二）超氧阴离子主要由氧化呼吸链产生（二）超氧阴离子主要由氧化呼吸链产生w氧化呼吸链在传递电子过程中漏出电子与氧化呼吸链在传递电子过程中漏出电子与O2结合结合可生成可生成O2，这是体内，这是体内O2主要起源。主要起源。w在过氧化物酶体中，在过氧化物酶体中，FAD将从脂肪酸等物质中取将从脂肪酸等物质中取得得2个电子交给个电子交给O2生成生成H2O2，继而转变成，继而转变成OH。w细菌感染发生炎症时，吞噬细胞通过磷酸戊糖路细菌感染发生炎症时，吞噬细胞通过磷酸戊糖路径生成大量径生成大量NADPH+H+，其中电子通过，其中电子通过FAD和和细胞色素细胞色素b558交给交给O2生成生成O2等活性氧杀死入侵等活性氧杀死入侵细菌。细菌。第94页第94页目目 录录（三）活性氧类对细胞有损伤作用（三）活性氧类对细胞有损伤作用wOH袭击膜磷脂双分子层中多不饱和脂酸使袭击膜磷脂双分子层中多不饱和脂酸使膜通透性增长。膜通透性增长。wOH使蛋白质分子中一些氨基酸残基氧化，使蛋白质分子中一些氨基酸残基氧化，发生分子断裂、交联和侧链修饰。发生分子断裂、交联和侧链修饰。wOH袭击线粒体和核袭击线粒体和核DNA中碱基可引点突变中碱基可引点突变或使或使DNA链断裂。链断裂。w一些退行性疾病如帕金森病、老年性痴呆、享一些退行性疾病如帕金森病、老年性痴呆、享庭顿病与线粒体氧化损伤相关。庭顿病与线粒体氧化损伤相关。第95页第95页目目 录录（四）机体有及时消除活性氧类能力（四）机体有及时消除活性氧类能力SOD：超氧化物歧化酶：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase)2O2+2H+SODH2O2+O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)第96页第96页目目 录录 谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶过氧化物酶 H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G SH G S S G NADP+NADPH+H+谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 体内主要预防活性氧类损伤酶是体内主要预防活性氧类损伤酶是谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶（过氧化物酶（glutathione peroxidase），它可，它可消除消除H2O2和和R-OOH：第97页第97页