生物化学新陈代谢总论与生物氧化PPT课件

1、- -新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化本章重点及难点本章重点及难点重点：重点：掌握什么是新陈代谢、生物氧化，高能磷酸化合物掌握什么是新陈代谢、生物氧化，高能磷酸化合物的概念及的概念及atpatp的作用的作用掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受抑制的部位抑制的部位掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理 。难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理 。第一节第一节新陈代谢总论新陈代

2、谢总论 新陈代谢（新陈代谢（metabolismmetabolism）简称）简称“代谢代谢”，指活细胞中进行，指活细胞中进行的所有化学反应的总称。包括同化作用即合成代谢，异化的所有化学反应的总称。包括同化作用即合成代谢，异化作用即分解作用。作用即分解作用。 代谢的实质就是交换代谢的实质就是交换, ,是生物体与外界环境进行物质交换是生物体与外界环境进行物质交换的过程。包括：消化、吸收、中间代谢、排泄。的过程。包括：消化、吸收、中间代谢、排泄。 通过物质交换建造和修复生物体（按人的一生计通过物质交换建造和修复生物体（按人的一生计, ,交换物交换物质的总量约为体重的质的总量约为体重的12001200

3、倍倍, ,人体所含的物质平均每人体所含的物质平均每1010天天更新一半）。通过能量交换推动生命运动，通过信息交换更新一半）。通过能量交换推动生命运动，通过信息交换进行调控，保持生物体和环境的适应。进行调控，保持生物体和环境的适应。 人体为例：水（代谢水）每一周就有人体为例：水（代谢水）每一周就有5050为新的水分子；为新的水分子；蛋白质蛋白质8080天就被更新一半，其中肝、血中的蛋白质天就被更新一半，其中肝、血中的蛋白质1010天就天就更新一半；组成人体的原子一年后更新一半；组成人体的原子一年后9898被更新。被更新。新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 分解代谢分解代谢

4、（异化作用）（异化作用）环境环境机体机体生物小分子生物小分子 大分子大分子（合成代谢）（合成代谢）吸能反应吸能反应放能反应放能反应生物大分子生物大分子 小分子小分子（分解代谢）（分解代谢）体内体内环境环境能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢新陈代谢的共同特点：新陈代谢的共同特点：1.1.由酶催化，反应条件温和。由酶催化，反应条件温和。2. 2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3. 3. 对周围环境高度适应。对周围环境高度适应。物质代谢代谢途径类型物质代谢代谢途径类型、三羧酸循环三羧酸循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）、乙酰乙酰coae-磷酸化磷酸化+pi 小分子

5、化合物分小分子化合物分解成共同的中间解成共同的中间产物（如丙酮酸产物（如丙酮酸、乙酰、乙酰coa等）等） 共同中间产物进入共同中间产物进入三羧酸循环三羧酸循环,氧化脱氧化脱下的氢由电子传递链下的氢由电子传递链传递生成传递生成h2o，释放，释放出大量能量，其中一出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存部分通过磷酸化储存在在atp中。中。大分子降解成大分子降解成基本结构单位基本结构单位乙酰乙酰coacoa在代谢中的作用在代谢中的作用一、新陈代谢的研究方法一、新陈代谢的研究方法 代谢途径的研究比较复杂，可从不同水平，主要对中间代代谢途径的研究比较复杂，可从不同水平，主要对中间代谢进行研究。谢进行研究。

6、新陈代谢途径的阐明凝集了许多科学家的智慧与实验成果。新陈代谢途径的阐明凝集了许多科学家的智慧与实验成果。如如19041904年德年德 国化学家国化学家knoopknoop提出的脂肪酸的提出的脂肪酸的氧化学说，氧化学说，19371937年年krebskrebs提出的柠檬酸循环。提出的柠檬酸循环。1.1.活体内（活体内（in vivoin vivo）和活体外）和活体外(in vitro)(in vitro)实验实验2.2.同位素示踪法和核磁共振波谱法（同位素示踪法和核磁共振波谱法（nmrnmr）3.3.代谢途径阻断法代谢途径阻断法4.4.突变体研究法突变体研究法二、生物体内能量代谢的基本规律二、生

7、物体内能量代谢的基本规律1.1.服从热力学原理。热力学第一定律是能量守恒定律，热力服从热力学原理。热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导自高温流向低温。机体内的化学第二定律指出，热的传导自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。学反应朝着达到其平衡点的方向进行。2.2.生化反应最重要的热力学函数是吉布斯自由能生化反应最重要的热力学函数是吉布斯自由能g g 。自由能。自由能是在恒温、恒压下，一个体系作有用功的能力的度量。用是在恒温、恒压下，一个体系作有用功的能力的度量。用于判断反应可否自发进行，是放能或耗能反应。于判断反应可否自发进行，是放能或耗能反应。gg

8、0 0，表示体系自由能减少，反应可以自发进行，但是不，表示体系自由能减少，反应可以自发进行，但是不等于说该反应一定发生或以能觉察的速率进行，是放能反等于说该反应一定发生或以能觉察的速率进行，是放能反应。应。gg0 0，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。gg0 0，体系处在平衡状态。，体系处在平衡状态。二、生物体内能量代谢的基本规律二、生物体内能量代谢的基本规律 3.3.自由能：生物体（或恒温恒压下）用以作功的能量。在自由能：生物体（或恒温恒压下）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。 自

9、由能与另外两个函数有关，自由能与另外两个函数有关，g=h - tsg=h - ts（hh是总热量的变化，是总热量的变化，ss是总熵的改变，是总熵的改变，t t是体系的绝对温度）。是体系的绝对温度）。 4.4.熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。g = h - ts对于对于 a + b c + dg= - 2.303 rt lgk k = cd / ab三、高能化合物与三、高能化合物与atpatp的作用的作用高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键化合物硫酯键化合物甲硫键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物烯醇

10、磷酸化合物酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物 一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kj /mol21 kj /mol（5kcal/mol)5kcal/mol)以上自由能以上自由能（ g g -21 kj / mol -21 kj / mol）的化合物称为高能化合物。常用符）的化合物称为高能化合物。常用符号号 表示表示根据分子中是否含有根据分子中是否含有磷酸磷酸必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。（1 1）烯醇式磷酸化合物（例）烯醇式磷酸化合物（例）磷氧型高能磷酸化合物：磷氧型高能磷酸化合物： - 61.9 kj

11、/mol(2)(2)酰基磷酸化合物（例）酰基磷酸化合物（例）- 42.3 kj/mol（3 3）焦磷酸化合物（例）焦磷酸化合物（例）atp（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） - 30.5 kj/mol焦磷酸焦磷酸 - 28.84 kj/mol磷氮型高能磷酸化合物：磷氮型高能磷酸化合物： - 43.1 kj/mol(1) (1) 硫酯键型高能化合物硫酯键型高能化合物 （例）（例）非磷酸高能化合物：非磷酸高能化合物：乙酰辅酶乙酰辅酶a 31.4 kj/mol(2) (2) 甲硫型高能化合物甲硫型高能化合物 （例）（例） 41.8 kj/mol-h-hatpatp的特殊作用的特殊作用atpatp作用：是能

12、量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币atpatp是生物细胞内能量代谢的偶联剂是生物细胞内能量代谢的偶联剂o-poo-nnnnnh2ohhohhohhoch2o-poo-o-poo-o-poo-o poo-o-atpatp（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸 atpatp是直接能源是直接能源 a ap pp pp p 其它核苷多磷酸为直接能源其它核苷多磷酸为直接能源atp+udp adp+utp (atp+udp adp+utp (糖原合成糖原合成) )atp+cdp adp+ctp (atp+cdp adp+ctp (磷脂合成磷脂合

13、成) )atp+gdp adp+gtp (atp+gdp adp+gtp (蛋白质合成蛋白质合成) )高能磷酸化合物的转换与储存高能磷酸化合物的转换与储存多数多数 atp adp+pi atp adp+pi 少数少数 atp amp+ppiatp amp+ppi 肌酸激酶的作用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。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。 atpatp的生成和利用的生成和利用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 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运

14、) ) 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) )生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以atpatp为中心。为中心。四、肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式四、肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式 磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式存形式肌酸磷酸肌酸磷酸激酶激酶五、辅酶五、辅酶a a的递能作用的递能作用泛酸巯基乙胺、三羧酸循环三羧酸循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）、乙酰乙酰coae-磷酸化磷酸化+pi 小分子化合物分小分子化合物分解成共

15、同的中间解成共同的中间产物（如丙酮酸产物（如丙酮酸、乙酰、乙酰coa等）等） 共同中间产物进入共同中间产物进入三羧酸循环三羧酸循环,氧化脱氧化脱下的氢由电子传递链下的氢由电子传递链传递生成传递生成h2o，释放，释放出大量能量，其中一出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存部分通过磷酸化储存在在atp中。中。大分子降解成大分子降解成基本结构单位基本结构单位乙酰乙酰coacoa在代谢中的作用在代谢中的作用第二节第二节生物氧化生物氧化生物氧化的概念生物氧化的概念 能量是一切生物体活动所必需的。能量的来源，主要依靠生能量是一切生物体活动所必需的。能量的来源，主要依靠生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化作

16、用。物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化作用。 有机物在生物体细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能有机物在生物体细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成量形成atpatp的过程称为生物氧化（的过程称为生物氧化（bioligical oxidationbioligical oxidation）。）。 由于此过程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在组织细胞由于此过程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在组织细胞内进行，所以生物氧化也叫做细胞呼吸或组织呼吸。内进行，所以生物氧化也叫做细胞呼吸或组织呼吸。生物氧化发生的场所线粒体生物氧化发生的场所线粒体19481948年，年，eugene kenned

17、yeugene kennedy和和albert lehningeralbert lehninger发现发现: : 真核生物氧化磷酸化的场所是真核生物氧化磷酸化的场所是线粒体线粒体原核生物氧化磷酸化的场所为原核生物氧化磷酸化的场所为细胞质膜细胞质膜线粒体的结构：线粒体的结构： 线粒体有两层膜结构，外膜对小分子（线粒体有两层膜结构，外膜对小分子（mrmr 50005000）和）和离子为自由透过（通过跨膜通道）。内膜对大多数小分子离子为自由透过（通过跨膜通道）。内膜对大多数小分子及离子不透过（包括及离子不透过（包括h h+ +），只有内膜上存在特异运输体的），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。

18、物质可以透过。内膜上含有呼吸链和内膜上含有呼吸链和atpatp合成酶。合成酶。线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶复合物和柠檬酸循环途径、脂肪酸途径、脂肪酸 - -氧化途径、氨基酸氧化途径及酵解以外所氧化途径、氨基酸氧化途径及酵解以外所有能量物质氧化途径。有能量物质氧化途径。线粒体的结构线粒体的结构嵴嵴线粒体基质线粒体基质atpatp合成酶合成酶一、一、 生物氧化的特点生物氧化的特点（一）氧化还原的本质（一）氧化还原的本质电子转移电子转移 氧化还原的本质是电子的转移氧化还原的本质是电子的转移, ,生物氧化的本质是电子的得生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还

19、原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体电子受体, ,生物体生物体电子转移的主要形式：电子转移的主要形式： 1. 1. 直接的电子转移直接的电子转移 fefe2+2+ + cu + cu2+2+ fe fe3+3+ + cu + cu+ + 2. 2. 氢原子的转移氢原子的转移 ahah2 2 + b + b a + bh a + bh2 2 ( h ( h h h+ + + e ) + e ) 3. 3. 有机还原剂直接加氧有机还原剂直接加氧, ,加氧时常常伴随有接受质子和电子而被还加氧时常常伴随有接受质子和电子而被还原成水。原成水

20、。 rh + orh + o2 2 + 2h + 2h+ + + 2e + 2e roh + h roh + h2 2o o一、生物氧化的一、生物氧化的特点特点（二）生物氧化的特点（二）生物氧化的特点1. 1. 在活细胞的水溶液内在活细胞的水溶液内2. 2. 在在phph近中性及体温条件下进行近中性及体温条件下进行3. 3. 过程是逐步进行的酶促反应过程是逐步进行的酶促反应4. 4. 不需高温、强酸、强碱、强氧化剂不需高温、强酸、强碱、强氧化剂5. 5. 能量是逐步释放的能量是逐步释放的6. 6. 反应必须有水参加反应必须有水参加7. 7. 生物氧化的速度由细胞自动调控。生物氧化的速度由细胞自

21、动调控。 c c6 6h h1212o o6 6 + 6o+ 6o2 2 6co 6co2 2+6h+6h2 2o + o + 能量能量 (2840kj/mol)(2840kj/mol)o2co2h2o有机物有机物热热能能atp有机物在有机物在体外燃烧体外燃烧和在生物体内和在生物体内经经有氧呼吸有氧呼吸释放能量有何区别？释放能量有何区别？ 生物氧化与体外燃烧的比较生物氧化与体外燃烧的比较 生物氧化生物氧化 体外燃烧体外燃烧反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈 ( (体温、体温、phph近中性近中性) () (高温、高压高温、高压) )反应过程反应过程 逐步进行的酶促反应逐步进行的酶促反应

22、一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放 （化学能、热能）（化学能、热能） （热能）（热能）coco2 2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合h h2 2o o 需需 要要 不需要不需要(1) (1) 直接脱羧直接脱羧ch3ccoohoch3cho + co2丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶（-脱羧）脱羧）丙酮酸丙酮酸hoocc h2c cooh丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶ch3ccooh + co2oo（ - -脱羧）脱羧）草酰乙酸草酰乙酸生物氧化中二氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转生物氧化中二氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转变

23、成含羧基的化合物进行脱羧反应所至。变成含羧基的化合物进行脱羧反应所至。二、生物氧化中二、生物氧化中coco2 2的生成的生成(2)(2)氧化脱羧氧化脱羧：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）hoocch2chohcoohnadp+nadph + h+o苹果酸苹果酸ch3ccooh + co2苹果酸酶苹果酸酶三、生物氧化中水的生成三、生物氧化中水的生成代谢物在酶的作用下，将脱下的氢经过氢传递体，传代谢物在酶的作用下，将脱下的氢经过氢传递体，传给氧生成水。给氧生成水。生物氧化体系解决的是有机物脱氢及氢的去路问题，生物氧化体系解决的是有机物脱氢及氢的去路问题，即解决有机物是如

24、何通过一系列特异性的酶催化的反应脱即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子，把氢交给氧生成水，并产生氢、递氢和递电子，把氢交给氧生成水，并产生atpatp的问的问题。题。氧化型氧化型2h+mh2m 氧化型氧化型还原型还原型(2h)(2h)递氢体递氢体nadnad+ +,nadp,nadp+ +, , fmn,fad,cfmn,fad,co oq q还原型还原型递电子体递电子体 cyt b, ccyt b, c1 1, c, , c, aaaa3 32e o2o2-h2o脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶三、生物氧化中三、生物氧化中 h h2 2o o 的生成的生成 生物氧化中所

25、生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。吸入的氧结合而成的。 糖类、蛋白质、脂肪等代谢物所含的氢在一般情况下是不活糖类、蛋白质、脂肪等代谢物所含的氢在一般情况下是不活泼的，必须通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。进入体内的泼的，必须通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。进入体内的氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。但激活氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。但激活的氧在一般情况下，也不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，的氧在一般情况下，也不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，两者之间尚需传递才能结合成

26、水。所以生物体主要是以脱氢酶、两者之间尚需传递才能结合成水。所以生物体主要是以脱氢酶、传递体及氧化酶组成的生物氧化体系，以促进水的生成。传递体及氧化酶组成的生物氧化体系，以促进水的生成。1 1、概念、概念 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一些列代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一些列的传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全的传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫做部体系叫做呼吸链呼吸链。 由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上一个接一个在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上

27、一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。呼吸链。三、生物氧化中三、生物氧化中 h h2 2o o 的生成的生成v呼吸链包括：呼吸链包括： nadh-qnadh-q还原酶、琥珀酸还原酶、琥珀酸-q-q还原酶、还原酶、细胞色素细胞色素c c 还原酶还原酶、细胞色素、细胞色素c c氧化酶氧化酶nadhnadhnadh-qnadh-q还原酶还原酶q细胞色素细胞色素c还原酶还原酶细胞细胞色素色素co2琥珀酸琥珀酸-q-q还原酶还原酶fadhfadh2 2细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 在电子传递过程中释放出大量的自由能，使在电子传递过

28、程中释放出大量的自由能，使adpadp磷酸化生成磷酸化生成atpatp，这是生物合成，这是生物合成atpatp的基本途径之一。的基本途径之一。 实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。2 2、呼吸链种类、呼吸链种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有物中，典型的呼吸链有2 2种种: : nadh nadh呼吸链：呼吸链： 绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成 fadh fadh2 2呼吸链：呼吸链： 只

29、能催化某些代谢物脱氢只能催化某些代谢物脱氢, , 不能使不能使 nadh nadh 或或 nadphnadph脱氢脱氢 其中其中nadhnadh呼吸链应用最广泛，糖类、蛋白质、脂肪三大物质呼吸链应用最广泛，糖类、蛋白质、脂肪三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过nadhnadh呼吸链来完成的。呼吸链来完成的。 （1 1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以nadnad+ +或或nadpnadp+ +为为辅酶的脱氢酶，已知的有辅酶的脱氢酶，已知的有200200多种多种 该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢该类酶均为不需氧脱氢酶，即

30、不以氧为直接受氢体。体。还还 原原氧氧 化化 在烟在烟( (尼克尼克) )酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为氢被其辅酶接受而转变为nadh nadh 或或nadph;nadph;当有受当有受h h体存在体存在时，时， nadhnadh或或nadphnadph上的上的h h可被脱下而氧化为可被脱下而氧化为nadnad+ +或或nadpnadp+ +。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 （2 2） 黄素脱氢酶类以黄素脱氢酶类以fmnfmn或或fadfad为辅基的脱氢酶类为辅基的脱氢酶类 该类酶也属不需氧脱

31、氢酶，催化代谢物脱下一对该类酶也属不需氧脱氢酶，催化代谢物脱下一对h h原子，使原子，使fmnfmn或或fadfad还原为还原为fmnhfmnh2 2或或fadhfadh2 2。 fmn fmn 和和 fad fad 是比是比 nadnad+ + 或或 nadpnadp+ + 更强的氧化剂。更强的氧化剂。v fmnhfmnh2 2 或或 fadhfadh2 2 可进一步将电子转移给辅可进一步将电子转移给辅酶酶q q。nnncconhoch3ch3r101nnncconhoch3ch3hhr+ 2h- 2h（3 3）铁硫蛋白类（简写为）铁硫蛋白类（简写为fe-s fe-s ） 铁硫蛋白铁硫蛋白(

32、fe-s)(fe-s)是一类与电子传递有关的非是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，其作用是借铁的变价互变进行电血红素铁蛋白，其作用是借铁的变价互变进行电子传递子传递: : fe fe3+3+ + e + e fe fe2+2+ 因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，故称铁硫中心。子，故称铁硫中心。 铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上常铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从nadhnadh到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在到氧的呼吸链中，有多个不同的

33、铁硫中心，有的在nadhnadh脱氢酶中，有的与细胞色素脱氢酶中，有的与细胞色素 b b及及c c1 1有关。有关。 铁硫蛋白有几种不同的类型铁硫蛋白有几种不同的类型, , 可概括为可概括为3 3类类: : fes 2fe 2s 4fe 4s fe s 只含只含1个铁原子个铁原子 2fe 2s 4fe 4s （4 4）辅酶）辅酶q q类类电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。 为一种脂溶性醌类化合物为一种脂溶性醌类化合物, , 又名泛醌又名泛醌, , 简写为简写为coqcoq或或q q。ooch3och3och3(ch2ch c ch2)nhch3n=6-10 其

34、分子中的苯醌结构能其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。二酚衍生物，故属于递氢体。q (氧化型氧化型)半醌式中间体半醌式中间体qh qh2 还原型还原型 但它不能从底物接受氢，但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体而是一种中间传递体; ;也是呼也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结吸链中唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），合不紧的传递体（辅酶），使它在黄素蛋白类和细胞色使它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特殊素类之间能够作为一种特殊灵活的电子载体起作用。灵活的电子载体起作用。（5 5）细胞色素类一类含有血红素辅基的电子传递蛋）细胞

35、色素类一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称白的总称 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过 fefe3+3+ + e + e fe fe2+2+ 的互变起传递电的互变起传递电子的作用。子的作用。 线粒体电子传递链至少含有线粒体电子传递链至少含有5 5种细胞色素：种细胞色素：a a，a a3 3，b b，c c，c c1 1 它们的辅基结构略有不同它们的辅基结构略有不同: : 血红素血红素a a cyt acyt a，a a3 3 血红素血红素b b cytcyt b b，血红蛋白，肌红蛋白，血红蛋白，肌红蛋白 血红素血红素c c cytcyt c c1 1，c c血红素血红素a血红素血红素c血

36、红素血红素b aaaa3 3 、b b、c c1 1中辅基与蛋白质非共价结合，中辅基与蛋白质非共价结合， c c 的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。 典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是： b cb c1 1 c c aaaa3 3 o o2 2 a a和和a a3 3组成一个复合体，无法分开，除含铁组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子。卟啉外，还有铜原子。cyt aacyt aa3 3可直接以可直接以o o2 2为电为电子受体，故子受体，故aaaa3 3又称细胞色素又称细胞色素c c氧化酶。氧化酶。 a a

37、与与a a3 3之间的之间的2 2个铜离子，起电子传递作用：个铜离子，起电子传递作用：cucu+ + cu cu2+2+ 的互变的互变, , 将将cytccytc所携电子传递给所携电子传递给o o2 2。 b b、c c1 1 、c c、a a fefe与卟啉环及蛋白形成与卟啉环及蛋白形成6 6个共价键或配位键：个共价键或配位键：4 4个与个与n n，1 1个与个与hishis，1 1个与个与蛋白链中蛋白链中metmet形成。形成。 a a3 3fefe与卟啉环及蛋白形成与卟啉环及蛋白形成5 5个配位键个配位键（不与（不与metmet形成形成) )，空，空1 1个配位键与个配位键与o o2 2

38、、coco、cncn- -等等结合，其正常功能是与结合，其正常功能是与o o2 2结合结合。总结：呼吸链组分总结：呼吸链组分 酶蛋白酶蛋白 辅酶辅酶 在呼吸链中的作用在呼吸链中的作用一、脱氢酶一、脱氢酶 nadnad+ + 、nadpnadp+ + 二、黄素蛋白二、黄素蛋白 fmn fmn 、fad fad 三、铁硫蛋白三、铁硫蛋白 fe fe 、s s 簇簇四、辅酶四、辅酶q(coq) q(coq) 脂溶性醌类化合物脂溶性醌类化合物五、细胞色素五、细胞色素(cyt)(cyt)铁卟啉铁卟啉 nad(p)+ nad(p)h+h+2h+2h-2h-2hfad/fmn fadh2/fmnh2+2h+

39、2h-2h-2hfe2+ fe 3+-e+ecoq coqh2+2h+2h-2h-2hfe2+ fe 3+-e+e4. 4. 呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：a.a.测定各电子传递体氧化还原电位的数值测定各电子传递体氧化还原电位的数值 按氧化还原电位由低到高顺序排列；按氧化还原电位由低到高顺序排列； b. b. 利用电子传递抑制剂确定其顺序；利用电子传递抑制剂确定其顺序；c. c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证；通过电子传递体体外重组实验加以验证；d. d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合体排序根据从线粒体

40、中分离到的传递体复合体排序 (4(4种种) )。 mh2nadh-0.32fmn-0.30coq+0.04b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29o2+0.816fad-0.18鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抑制剂：抑制剂：抗霉素抗霉素a a氰化物，氰化物，co, co, 叠氮化合物叠氮化合物电子传递抑制剂电子传递抑制剂: :能够阻断呼吸链中某一部位电子传递能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。的物质。各组分各组分e e ： 低低 高高 电子迁移方向：低电位电子迁移方向：低电位 高电位高电位 g g： 逐步降低逐步降低 放能放能nadh fmn q cytb cytc1 cytc

41、aa3 (fe-s) (fe-s) o2fadh2 (fe-s)电子传递链各组份的排列顺序电子传递链各组份的排列顺序 ii（琥珀酸琥珀酸-q还原酶还原酶）inadh q还原酶还原酶iiiq-细胞色素细胞色素 c还原酶还原酶iv细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶膜间隙（外）膜间隙（外）基质（内）基质（内）琥珀酸琥珀酸延胡延胡索酸索酸呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能fe-s复合体复合体i i基质（负）基质（负）膜间隙膜间隙 (正正)基质基质臂臂1）nadh 泛醌还原酶泛醌还原酶简写简写: nadh: nadh q q还原酶还原酶, , 即复合体即复合

42、体 i i作用作用: : 催化催化nadhnadh氧化脱氢及氧化脱氢及q q还原。还原。 它既是它既是1 1种脱氢酶，也是种脱氢酶，也是1 1种还原酶种还原酶 nadh + q + hnadh + q + h+ + nadnad+ + + qh + qh2 2nadhnadh所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电 子供体之一。子供体之一。nadhnadh q q还原酶还原酶 nadhnadh q q还原酶是线粒体内膜上最大的还原酶是线粒体内膜上最大的1 1个蛋白质复合物含有个蛋白质复合物含有4242条不同多肽链，其活性部分含有辅基条不同多肽链，其活性部分含有辅

43、基 fmn fmn 和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。 fmn fmn 的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型fmnhfmnh2 2。还原型还原型 fmnhfmnh2 2 可进一步将电子转移给可进一步将电子转移给q q。复合体复合体+ coqh24h+ 2efe-s复合体复合体i i基质（负）基质（负）膜间隙膜间隙 ( (正正) )基质基质臂臂2 2）琥珀酸）琥珀酸-q-q还原酶还原酶膜间隙膜间隙（正）（正）基质基质(负负)琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸复合体复合体复合体复合体 琥珀酸琥珀酸-q-q还原酶简写为复合体还原酶简写为复合体iiii 琥珀酸是

44、生物代谢过程琥珀酸是生物代谢过程 ( (三羧酸循环三羧酸循环) ) 中产生的中间产中产生的中间产物物, , 它在琥珀酸它在琥珀酸-q-q还原酶还原酶 ( (复合体复合体ii) ii) 催化下催化下, , 将两个将两个高能电子传递给高能电子传递给q q。再通过。再通过qhqh2 2-cyt c-cyt c还原酶、还原酶、cyt ccyt c和和cyt ccyt c氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到o o2 2。 复合体复合体iiii也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合体也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合体, , 比复比复合体合体i i结构简单，含结构简单，含4 4种不同的蛋白质。其活性部分含有种不同

45、的蛋白质。其活性部分含有辅基辅基fadfad和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。 复合体复合体iiii的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和q q的还原。的还原。膜间隙膜间隙（正）（正）基质基质(负负)琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸复合体复合体复合体复合体 coqh2复合体复合体复合体复合体 2e2h3 3）泛醌）泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶简写简写: qh: qh2 2-cyt c-cyt c还原酶还原酶, , 即复合体即复合体iiiiii作用作用: : 催化还原型催化还原型qhqh2 2氧化和细胞色素氧化和细胞色素c (cyt c) c (cyt c) 还原还原 qhq

46、h2 2-cyt c -cyt c 还原酶还原酶 qhqh2 2 + 2 cyt c (fe + 2 cyt c (fe3+3+) q + 2 cyt c (fe) q + 2 cyt c (fe2+2+) + 2h) + 2h+ + 复合体复合体iiiiii是线粒体内膜上的是线粒体内膜上的1 1种跨膜蛋白复合体种跨膜蛋白复合体, , 是由是由2 2个个相同单体组成的二聚体。每个单体由相同单体组成的二聚体。每个单体由1111种亚基组成。活性部分种亚基组成。活性部分主要包括细胞色素主要包括细胞色素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白（，以及铁硫蛋白（2fe-2s2fe-2s）。）。coqh2

47、+ 复合体复合体 4h+ 2e4）细胞色素）细胞色素c氧化酶氧化酶简写简写: cyt c : cyt c 氧化酶，即复合体氧化酶，即复合体 iviv位于线粒体呼吸链末端位于线粒体呼吸链末端, , 由由1313个多肽亚基组成。活性部个多肽亚基组成。活性部分主要包括分主要包括cytacyta和和a a3 3, , 两者组成一个复合体，除含铁两者组成一个复合体，除含铁卟啉外，还含铜原子。卟啉外，还含铜原子。cyt a acyt a a3 3可以直接以可以直接以o o2 2为电子为电子受体。受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生cucu+ + cucu2

48、+2+ 的互变，将的互变，将cyt ccyt c所携带的电子传递给所携带的电子传递给o o2 2。复合体复合体 + 2h+cyt cabc膜间隙（正）膜间隙（正）基质基质（负）（负）1(泵出泵出)(底物底物)2h+2h+复合体复合体 接受还原性辅酶上的氢原子对接受还原性辅酶上的氢原子对(2h(2h+ +2e)+2e)，使辅酶分子，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子负离子(o(o2-2-) )与质子对与质子对(2h(2h+ +) )结合，生成水。电子对在传结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动递过程

49、中逐步氧化放能，所释放的能量驱动adpadp和无机和无机磷发生磷酸化反应，生成磷发生磷酸化反应，生成atpatp。5.5.呼吸链的呼吸链的作用作用四、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)(oxidative phosphorylation) 伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化adp + pi + adp + pi + 能量能量 atp atpamp + ppi + amp + ppi + 能量能量 atpatp（一）（一） atpatp的生成的生成氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸

50、化电子传递体系磷酸化1. 1. 底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使的作用可使adpadp生成生成atpatp。x + adp atp + xp是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸）是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸）中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。和氧的存在与否无关，在和氧的存在与否无关，在atp atp 生成中没有

51、氧分子生成中没有氧分子参与，也不经参与，也不经 过电传递链传递电子。过电传递链传递电子。特点特点: :底物水平磷酸化反应举例底物水平磷酸化反应举例coocoo- -c-oc-o p p chch2 2磷酸烯醇磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸 coocoo- -c=oc=ochch3 3丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶丙酮酸激酶adp atpadp atpchhcch2opo3h2oh3-磷酸甘油醛o+ h3po4nad+nadh+h+chcch2opo3h2ohoopo3h2adpatp1，3-二磷酸甘油酸chcch2opo3h2ohooh3-磷酸甘油酸2. 2. 电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化是指当电子

52、从是指当电子从nadhnadh或或fadh2fadh2经过电子传递体系经过电子传递体系( (呼吸链呼吸链) )传递给传递给氧形成水时，同时伴有氧形成水时，同时伴有adpadp磷酸化为磷酸化为atpatp的全过程。通常所说的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。（1 1）概念）概念1adp atp底物底物产物产物fad fadh2nad nadhh2o电子传递体系电子传递体系磷酸化：磷酸化：能量能量是需氧生物获得是需氧生物获得atp atp 的一种主要方式的一种主要方式, , 是生物体内能量转移的主要环节是生物体内能量转移的主要环节, , 需要需

53、要氧分子的参与。氧分子的参与。真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行进行, , 原核生物在细胞质膜上进行。原核生物在细胞质膜上进行。特点特点：p/op/o比：比： 物质氧化时，每消耗物质氧化时，每消耗1mol1mol氧原子所消耗的无机氧原子所消耗的无机磷酸的磷酸的molmol数（或数（或adp moladp mol数），即生成数），即生成atpatp的的molmol数。数。 nadhnadh呼吸链：呼吸链： p/op/o比值比值=2.5=2.5 fadh fadh2 2呼吸链：呼吸链：p/op/o比值比值=1.5=1.5故推断从故推断从nadhnadh到分子氧

54、、到分子氧、fadhfadh2 2到分子氧的呼吸链中，到分子氧的呼吸链中，可分别合成可分别合成2.52.5个、个、1.51.5个个atpatp。电子传递过程中的自由能电子传递过程中的自由能1复合体复合体i: i: nadhnadhcoqcoq, , e e00= 0.360v, = 0.360v, g g00= -69.5kj/mol= -69.5kj/mol复合体复合体iii: iii: c coqoq cytccytc, , e e00= 0.190v, = 0.190v, g g00= -= -36.7kj/mol36.7kj/mol复合体复合体iv: iv: cytaa cytaa3

55、3 o o2 2, , e e00= 0.580v, = 0.580v, g g00= -= -112kj/mol112kj/mol复合体复合体ii:ii: fadh fadh2 2coq, coq, e e00= 0.085v, = 0.085v, g g00= -16.4kj/mol= -16.4kj/mol 可见，当一对电子相继经过复合体可见，当一对电子相继经过复合体、和和时，每一步都释放出足以合成一分子时，每一步都释放出足以合成一分子atpatp的自的自由能；由能； 但当一对电子经过复合体但当一对电子经过复合体时，释放的能量时，释放的能量不足以合成不足以合成atp, atp, 其作用仅

56、仅是将电子由其作用仅仅是将电子由fadhfadh2 2注入电子传递链。注入电子传递链。（二）胞液中（二）胞液中 nadh nadh 的氧化磷酸化的氧化磷酸化 在细胞质中经糖酵解产生的在细胞质中经糖酵解产生的 nadh, nadh, 不能透不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。只能通过两种精妙的只能通过两种精妙的“穿梭穿梭”系统解决系统解决 nadh nadh 的再氧化问题：的再氧化问题： 甘油甘油- - -磷酸穿梭系统磷酸穿梭系统 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统nadh + h+线粒体内膜线粒体内膜甘油甘油-磷酸穿梭作用磷酸穿

57、梭作用甘油甘油-磷酸磷酸fad二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸fadh2nadhfmncoqbc1caa3o2二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸ch2ohc=och2onad+甘油甘油-磷酸磷酸ch2ohchohch2o胞液甘油胞液甘油-磷酸脱氢酶；磷酸脱氢酶； 线粒体甘油线粒体甘油-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶( (黄素蛋白脱氢酶黄素蛋白脱氢酶) )酵解酵解nadh草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸nad+苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸nad+草酰乙酸草酰乙酸nadh天冬氨酸天冬氨酸nadh呼吸链呼吸链苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统coohchnh2ch2coohcoohc=och2coohcoohcho

58、hch2cooh转氨酶转氨酶转氨酶转氨酶细胞质细胞质线粒体线粒体细胞质苹果酸脱氢酶细胞质苹果酸脱氢酶线粒体苹果酸脱氢酶线粒体苹果酸脱氢酶线粒体内膜线粒体内膜化学偶联假说化学偶联假说结构偶联假说结构偶联假说化学渗透假说化学渗透假说（三）氧化磷酸化作用机制（三）氧化磷酸化作用机制 氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说：多未完全阐明的问题。共存在三种假说：1. 1. 化学偶联假说化学偶联假说 19531953年年 edward sl

59、ater edward slater 最先提出。最先提出。 认为：电子传递产生一种高能共价中间物认为：电子传递产生一种高能共价中间物, , 它随后的裂解释放能量驱动它随后的裂解释放能量驱动atpatp合成。合成。 但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。到任何一种活泼的高能中间物。 19641964年年paul boyerpaul boyer最先提出。最先提出。 认为认为: : 电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化白质组分发生构象变化, , 而形成一种高能形式而形成一种高能形式, , 这种高

60、能形式通过将能量提供给这种高能形式通过将能量提供给atpatp合成而恢复合成而恢复其原来的构象。其原来的构象。 但至今未能找到有力的实验证据。但至今未能找到有力的实验证据。2. 2. 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年英国生物化学家年英国生物化学家 peter mitchell peter mitchell 首先提首先提出出, 1978, 1978年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。 基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自由能基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自由能, , 可将质子（可将质子（h h+ +）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧, , 产