生物化学和分子生物学：第8章 生物氧化

1、Biochemistry And Molecular Biology Wei Yin PhD. Department of Biochemistry Zhongshan Medical School Sun Yat Sen University 2016-10-17 第8章 生生 物物 氧氧 化化 Biological Oxidation 物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化(biological oxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解 时逐步释放能量，最终生成时逐步释放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。

2、的过程。 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2 能量能量 ADP+Pi ATP 热能热能 n生物氧化的概念生物氧化的概念 n生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、 失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产 物物(CO2，H2O)和释放能量均相同。和释放能量均相同。 反应环境温和，酶促反应逐步反应环境温和，酶促反应逐步 进行，能量逐步释放，能量容进行，能量逐步释放，能量容 易捕获，易捕

3、获，ATP生成效率高。生成效率高。 通过加水脱氢反应使物质能间通过加水脱氢反应使物质能间 接获得氧，并增加脱氢的机会；接获得氧，并增加脱氢的机会； 脱下的氢与氧结合产生脱下的氢与氧结合产生H2O， 有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2。 n 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化生物氧化 体外氧化体外氧化 能量突然释放。能量突然释放。 物质中的碳和氢直接物质中的碳和氢直接 氧结合生成氧结合生成CO 2 H2O 。 糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP n 生物氧化的

4、一般过程生物氧化的一般过程 第一节第一节 生成生成ATP的氧化磷酸化体系的氧化磷酸化体系 The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing 指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具 有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化有电子传递功能的酶复合体，可通过链锁的氧化 还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。 这一系列酶和辅酶称为这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain) 又称又称电子传递链电子传递链(electron tran

5、sfer chain)。 一、呼吸链一、呼吸链 n定义定义 递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） n组成组成 酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存 在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电 子传递过程释放的能量驱动子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，移出线粒体内膜， 转变为跨内膜转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于梯度的能量，再用于ATP的生物的生物 合成。合成。 （一）氧化呼吸链由（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力种具有传递电子能力 的复合体组成的复合体组成 呼吸链呼吸链

6、 各组分的分离各组分的分离 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 复合体复合体NADH-泛醌泛醌 还原酶还原酶 85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）（基质侧） CoQ（脂质核心）（脂质核心） 复合体复合体琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌 还原酶还原酶 1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）琥珀酸（基质侧） CoQ（脂质核心）（脂质核心） 复合体复合体泛醌泛醌-细胞色细胞色 素素C还原酶还原酶 25011血红素血红素bL, bH, c1, Fe-S Cyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 细胞色

7、素细胞色素c131血红素血红素cCyt c1， Cyt a 复合体复合体细胞色素细胞色素C氧氧 化酶化酶 16213血红素血红素a，a3， CuA, CuB Cyt c（膜间隙侧）（膜间隙侧） 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。 Overview of membrane-associated electron transport and ATP synthesis in mitochondria. A proton concentration gradient is produced from reactions catalyzed by the electron t

8、ransport chain. As electrons from reduced substrates flow through the complexes, protons are translocated across the inner mitochondrial membrane from the matrix to the intermembrane space. The free energy stored in the proton concentration gradient is utilized when protons flow back across the memb

9、rane via ATP synthase; their reentry is coupled to the conversion of ADP and Pi to ATP. 复合体作用是将NADH+H+中 的电子传递给泛醌(ubiquinone) 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) NADH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) 组成：组成：黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein) 含含FMN 铁硫蛋白铁硫蛋白(iron-sulfur p

10、rotein) 含铁硫簇含铁硫簇 FMN：黄素单核苷酸黄素单核苷酸(flavin mononucleotide) 铁硫簇铁硫簇(iro-sulofur cluster, Fe-S) 复合体复合体将将NADH+H+中的两个电子传递给泛中的两个电子传递给泛 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 NAD+和和NADP+的结构的结构 R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+ NAD+（NADP+） 的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应 氧化还原反应时变化发生在氧化还原反应时变化发生在五

11、价氮五价氮和和三价氮三价氮之间。之间。 FMN结构中含结构中含核黄素核黄素，发挥功能的部位是，发挥功能的部位是异咯异咯 嗪环嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。在。在 可逆的氧化还原反应中显示可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于种分子状态，属于单、单、 双电子传递体。双电子传递体。 FMN的加氢和脱氢反应的加氢和脱氢反应 铁硫蛋白中辅基铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原 子和硫原子，其中一个铁原子可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行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。

12、 表示无机硫表示无机硫 铁硫簇铁硫簇(iron- sulfur cluster ) 的结构的结构 Fe2S2 Fe4S4 空空 间间 构构 象象 铁硫簇铁硫簇(iron- sulfur cluster ) 的结构的结构 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形 成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可 生成中间产物生成中间产物半醌型泛醌半醌型泛醌。内膜中。内膜中可移动电子载体可移动电子载体， 在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电电 子传递和质子移动子

13、传递和质子移动的偶联中起着核心作用。的偶联中起着核心作用。 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 Q QH2 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。 组成组成黄素蛋白（含FAD），），铁硫蛋白 细胞色素(cytochrome,Cyt)b560 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、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。 Stru

14、cture of the E. coli succinate dehydrogenase complex Complex II contains three identical multisubunit enzymes that associate to form a trimeric structure that is firmly embedded in the membrane. A single copy of the enzyme showing the positions of FAD, the three FeS clusters, QH2 and heme b. Complex

15、 II contains three copies of this multisubunit enzyme. Electron transfer in Complex II A pair of electrons is passed from succinate to FAD as part of citric acid cycle. Electrons are transferred one at a time from FADH2 to three Fe-S clusters and then to Q. (Only one Fe-S cluster is shown in the fig

16、ure.) Two protons are taken up from the interior to form QH2. Complex II does not directly contribute to the proton concentration gradient but serves as a tributary that supplies electrons (as ) to the rest of the electron transport chain. 3 3、复合体、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细功能是将电子从还原型泛醌传递给细 胞色素胞色素c c。 复合体复合

17、体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞色，细胞色 素素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 bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc 细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传铁卟啉为辅基的催化电子传 递的酶类递的酶

18、类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。 各细胞色素各细胞色素 所含铁卟啉所含铁卟啉 (Cytb)(Cytc) (Cyta) Cytc中铁卟啉中铁卟啉 与蛋白质的连接与蛋白质的连接 Complex III from cow (Bos taurus) mitochondria Complex III contains two copies of the enzyme and is firmly anchored to the membrane by a large number of a-helices that span the lipid bilayer . The f

19、unctional enzyme consists of three main subunits: cytochrome c , cytochrome b, and the Rieske ironsulfur protein (ISP). cytochrome b contains a heme group has a lower reduction potential(bL or b562 ) and another heme has a higher reduction potential(bH or b566 ) Complex III have two QH2 binding site

20、: Q0 site (near the intermembrane space) and Qi site ( near the matrix side) Electron transfer and proton flow in Complex III oTwo pair of electrons are passed separately from two molecules of QH2 to heme bL (Q0 site). Each pair of electrons is split so that individual electrons follow separate path

21、ways. One electron is transferred to an Fe-S cluster, cytochrome c1, and finally to cytochrome c - the terminal electron acceptor. The other electron of each pair is transferred to heme bH (Q1 site) and then to Q. A total of four protons are translocated across the membrane: two from the inside comp

22、artment and two from QH2. Intermembrane space matrix 复合体复合体的电子传递通的电子传递通 过过“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。 The Q cycle During the oxidation of QH2 to Q, one electron is dona

23、ted to cyt c via a Rieske FeS and cyt c1 and the second to a Q to form the semiquinone via cyt bL and cyt bH, with 2H+ being released into the intermembrane space. A similar process then occurs with a second QH2, but in this case the second electron is donated to the semiquinone, reducing it to QH2,

24、 and 2H+ are taken up from the matrix. (cyt, cytochrome; FeS, iron-sulfur protein; Q, coenzyme Q or ubiquinone.) The stoichiometry of the complete reaction nFour protons are produced during the oxidation of two molecules. These protons are released to the exterior of the membrane compartment and the

25、y contribute to the proton gradient that is formed during membrane associated electron transport. The protons originate in the interior compartment. They may have been taken up in the reactions catalyzed by complex I or complex II or they may be derived from protons taken up on the inside of the mem

26、brane during reduction of Q at the site in complex III. nThus, for every pair of electrons that passes through complex III from QH2 to cytochrome c, there are four protons translocated across the membrane. Two molecules of cytochrome c are reduced and these mobile carriers transport one electron eac

27、h to complex IV. Note that there are actually two molecules of QH2 oxidized (giving up four electrons) but two of these electrons are recycled to regenerate a molecule of QH2 . 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 a3CuBO2 Cyt 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

28、 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 。 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 Structure of cow (Bos taurus) complex IV from mitochondria Subunit I is almost entirely embedded in the membrane. The bulk of this polypeptide consists of 12 transmembrane -helices. There are three redox centers bu

29、ried within subunit Itwo of them are a- type hemes (heme-a and a3), and the third is a copper atom CuB .The copper atom is in close proximity to the iron atom of forming a binuclear center where the reduction of molecular oxygen takes place. Subunit II has two transmembrane helices that anchor it to

30、 the membrane. Most of the polypeptide chain forms a -barrel domain located on the exterior surface of the membrane. This domain contains a copper redox center (CuA). composed of two copper atoms. These two copper atoms share electrons forming a mixed valence state. The external domain of subunit II

31、 is the site where cytochrome c binds to cytochrome c oxidase. Complex IV is composed of two functional units of cytochrome c oxidase. Each unit is composed of 13 subunits with multiple membrane-spanning - helices. In all species, each cytochrome c oxidase contains single copies of subunits I, II, a

32、nd III. These polypeptides are encoded by mitochondrial genes in all eukaryotes. 复复 合合 体体 的的 电电 子子 传传 递递 过过 程程 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶CuB-Cyta3中心使中心使O2还原成还原成 水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密水的过程，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。结合，不会引起细胞损伤。 The Protein Components of the Mitochondrial Electron-Transfer Chain and its Pros

33、thetic Groups The electron transport complexes can diffuse independently in the membrane but they tend to form larger structures through weak interactions with each other. The four enzyme complexes contain a wide variety of oxidationreduction centers. These may be cofactors such as FAD, FMN, or ubiq

34、uinone (Q). Other centers include FeS clusters, protein coenzymes such as the heme-containing cytochromes, and copper proteins. Electron flow occurs via the reduction and oxidation of these redox centers, with flow proceeding from a reducing agent to an oxidizing agent. 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

35、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 （二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低 到高的顺序排列到高的顺序排列 由以下实验确定由以下实验确定: : The Sequence of Electron Carriers Method 1: Using standard reduction potentials of mitochondrial oxidationreduction components The standard reduction potentials of the individual electron car

36、riers have been determined experimentally. We would expect the carriers to function in order of increasing reduction potential, because electrons tend to flow spontaneously from carriers of lower E to carriers of higher E. The order of carriers deduced by this method is NADH Q cytochrome b cytochrom

37、e c1 cytochrome c cytochrome a cytochrome a3 O2. Note, however, that the order of standard reduction potentials is not necessarily the same as the order of actual reduction potentials under cellular conditions, which depend on the concentration of reduced and oxidized forms. 呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中

38、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+0.22 FMN /FMNH20.219Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254 FAD /FADH20.219Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.35 Q10 /Q10H20.061/2O2 /H2O0.816 The Sequence of Electron Carriers Method 2: Observation of

39、 the state of oxidation or reduction of a given carrier within mitochondria A second method for determining the sequence of electron carriers involves reducing the entire chain of carriers experimentally by providing an electron source but no electron acceptor (no O2). When O2 is suddenly introduced

40、 into the system, the rate at which each electron carrier becomes oxidized (measured spectroscopically) reveals the order in which the carriers function. The carrier nearest O2 (at the end of the chain) gives up its electrons first, the second carrier from the end is oxidized next, and so on. Such e

41、xperiments have confirmed the sequence deduced from standard reduction potentials. Prosthetic groups of cytochromes Each group consists of four five-membered, nitrogen-containing rings in a cyclic structure called a porphyrin. The four nitrogen atoms are coordinated with a central Fe ion, either Fe2

42、+ or Fe3+. Iron protoporphyrin IX is found in b-type cytochromes and in hemoglobin and myoglobin .Heme c is covalently bound to the protein of cytochrome c through thioether bonds to two Cys residues. Heme a, found in the a- type cytochromes, has a long isoprene tail attached to one of the five-memb

43、ered rings. The conjugated double-bond system (shaded pink) of the porphyrin ring accounts for the absorption of visible light by these hemes. isoprene tail Absorption spectra of cytochrome c (cyt c) in its oxidized (red) and reduced (blue) forms Also labeled are the characteristic , , and bands of

44、the reduced form. The development a dual wavelength spectrophotometer permitted easy observation of the state of oxidation or reduction of a given carrier within mitochondria. This technique, together with the study of specific inhibitors , allowed some electron transport sequences to be assigned. (

45、a) Cytochrome c,reduced spectrum; (b) cytochrome c, oxidized spectrum; (c) the difference spectrum: (a)minus (b); (d) beef heart mitochondrial particles: room temperature difference (reduced minus oxidized) spectrum; (e) beef heart submitochondrial particles: same as (d) but at 77 K. - and - bands a

46、re labeled, and in (d) and (e) the bands for cytochromes a, b and c are indicated. Typical visible absorption spectra of cytochromes 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O2 2 2、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 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt cCyt cCyt a

47、a3O2 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链 第二节第二节 氧化磷酸化氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与将氧化呼吸链释能与 ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP偶联偶联 氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指是指在呼在呼 吸链电子传递过程中偶联吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP， 又称为又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使 ADP(GDP)磷酸化

48、生成磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经的过程。不经 电子传递。电子传递。 nATP生成方式生成方式 （一）氧化磷酸化偶联部位在复合体（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体、 内内 根据根据P/O比值比值 自由能变化自由能变化: G=-nFE 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、 线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值 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 2.5 Cyt 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

49、1.5 Cyt 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O20.61-0.68 1 1、P/O 比值比值 指氧化磷酸化过程中，每消耗指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔摩尔O2所生所生 成成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递 给氧所生成给氧所生成ATP分子数）。分子数）。 2 2、自由能变化、自由能变化 根据热力学公式，根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化时标准自由能变化 (G0)与还原电位变化与还原电位变化(E0)之间有以下关系：之间有以下关系： n为传递电

50、子数；为传递电子数；F为法拉第常数为法拉第常数(96.5kJ/molV) G0 = -nFE0 电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化 区段区段 电位变化电位变化 (E) 自由能变化自由能变化 G=-nFE 能否生成能否生成ATP (G是否大于是否大于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 ATP ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 NADH FMN (Fe-S) 琥珀酸琥珀酸 FAD (Fe-S) CoQCyt bCyt c

51、Cyt cCyt aa3O2 ( (二二) )氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜 的质子梯度的质子梯度 1、化学渗透假说、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线从线 粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜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 度梯度回流时驱动度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 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

52、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。 线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + +

53、 - - - - 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 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。 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 （三）质

54、子顺梯度回流释放能量被（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶合酶 利用催化利用催化ATP合成合成 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），线粒体内膜的基质侧颗 粒状突起，粒状突起，催化催化ATP合成合成。 F0：疏水部分：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基，动物还有其他辅助 亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质跨内膜质 子通道子通道 。 nATP合酶结构组成合酶结构组成 Structure of ATP Synthase nATP合酶组成可旋转的发动机样结

55、构合酶组成可旋转的发动机样结构 F0的的2个个b亚基的一端锚定亚基的一端锚定F1的的亚基，另一端通亚基，另一端通 过过和和33稳固结合，使稳固结合，使a、b2和和33、亚基组成亚基组成 稳定的稳定的定子部分定子部分。 部分部分和和亚基共同形成穿过亚基共同形成穿过33间中轴，间中轴，还与还与1个个 亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环亚基环 紧密结合。紧密结合。c亚基环、亚基环、和和亚基组成亚基组成转子部分转子部分。 质子质子顺梯度向基质顺梯度向基质回流回流时，转子部分相对定子部时，转子部分相对定子部 分旋转，使分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合酶利用释

56、放的能量合成合成ATP。 当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间回流时，亚基之间回流时， 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 nATP合成的结合变构机制合成的结合变构机制(binding change mechanism) oF1 genetically engineered to contain a run of His residues adheres tightly to a microscope slide coated with a Ni complex; biotin is coval

57、ently attached to a c subunit of Fo. The protein avidin, which binds biotin very tightly, is covalently attached to long filaments of actin labeled with a fluorescent probe. Biotin-avidin binding now attaches the actin filaments to the c subunit. When ATP is provided as substrate for the ATPase acti

58、vity of F1, the labeled filament is seen to rotate continuously in one direction, proving that the Fo cylinder of c subunits rotates. Rotation of Fo and experimentally demonstrated o In another experiment, a fluorescent actin filament was attached directly to the subunit. The series of fluorescence

59、micrographs shows the position of the actin filament at intervals of 133 ms. o Adapted from Noji, H.,Yasuda, R., Yoshida, M., and Kinosita, K., Jr. (1997). Direct observation of rotation of F1-ATPase. Nature 386:299302. 四、四、ATP在能量代谢中起核心作用在能量代谢中起核心作用 细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。 ATP称之为称

60、之为高能磷酸化合物高能磷酸化合物，可直接为细胞的，可直接为细胞的 各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对 能量代谢进行严格调控。能量代谢进行严格调控。 生物体能量代谢有其明显的特点。生物体能量代谢有其明显的特点。 n高能磷酸键高能磷酸键 水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯的磷酸酯 键，常表示为键，常表示为 P。 n高能磷酸化合物高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物 化合物化合物 E0 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