2011-04-02第11次第8章

1、2021/8/141第八章 生 物 氧 化 与 能量 代 谢2021/8/142 物质在生物体内氧化分解并释放出能量物质在生物体内氧化分解并释放出能量的 过 程 称 为的 过 程 称 为 生 物 氧 化生 物 氧 化 ( b i o l o g i c a l oxidation)。有机物有机物 + O2CO2 + H2O + 能量能量2021/8/143糖原糖原 甘油三酯甘油三酯 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 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2021/8/144第一节第一节 生物氧化生物氧化 （一）、生物

2、氧化的方式与特点（一）、生物氧化的方式与特点2021/8/1452021/8/1462021/8/1472021/8/1482021/8/149 在线粒体中，由若干在线粒体中，由若干递氢体递氢体或或递电子体递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的程有关的链式反应体系链式反应体系称为称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)。（二）、呼 吸 链2021/8/1410 构成呼吸链的构成呼吸链的递氢体递氢体或或递电子体递电子体通常以复通常以复合体的形式存在于合体的形式存在于线线粒体内膜粒体内膜上。上。2021/8/1411（一）呼吸链的组成（一

3、）呼吸链的组成2021/8/14121 1复合体复合体（NADH-NADH-泛醌还原酶）：泛醌还原酶）：NADH还原酶还原酶 + 4(Fe-S)FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADHCoQ2021/8/14132 2复合体复合体（琥珀酸（琥珀酸- -泛醌还原酶）：泛醌还原酶）： 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶+3(Fe-S)+Cyt b560FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸琥珀酸CoQ2021/8/14143 3复合体复合体（泛醌（泛醌- -细胞色素细胞色素c c还原酶）：还原酶）：2Cyt b + Cyt

4、c1 +(Fe-S)b562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 2021/8/1415Cyt a + Cyt a3 4 4复合体复合体（细胞色素（细胞色素c c氧化酶）：氧化酶）：CuAaa3CuB 还原型还原型Cyt c O22021/8/1416泛醌（泛醌（CoQCoQ） 泛醌泛醌（辅酶（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体内）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。应时可在醌型与氢醌型之间

5、相互转变。2021/8/1417（二）呼吸链组分的排列顺序（二）呼吸链组分的排列顺序2021/8/1418氧化呼吸链的组成氧化呼吸链的组成 NADH NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH NADH 复合体复合体Q Q 复合体复合体Cyt c Cyt c 复合体复合体OO2 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 Q 复合体复合体Cyt c Cyt c 复合体复合体OO2 22021/8/1419胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 氧化呼吸链的排列顺氧化呼吸链的排列顺序序Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-

6、e-e-e-NADH+H+ NAD+ 2021/8/1420两条电子传递链的关系两条电子传递链的关系2021/8/1421二、氧化磷酸化 1. 1. 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化： 直接将底物分子中的高能键转变为直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子分子中的末端高能磷酸键的过程称为中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷底物水平磷酸化酸化(substrate level phosphorylation)。 （一）生物体内（一）生物体内ATPATP的生成方式的生成方式2021/8/1422 底物水平磷酸化见于下列三个反应：底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸+ADP

7、3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸丙酮酸+ATP琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶琥珀酰琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸琥珀酸+CoA+GTP2021/8/14232. 2. 氧化磷酸化：氧化磷酸化： 在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使量使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，这种能量的，这种能量的生成方式就称为生成方式就称为氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylatio

8、n)。2021/8/1424核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸d dA AMMP PGGD DT TT TC CUU2021/8/1425（二）氧化磷酸化的偶联部位（二）氧化磷酸化的偶联部位1. P/O1. P/O比值：比值： 通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的与无机磷酸消耗之间的比例比例关系，可以反关系，可以反映底物脱氢氧化与映底物脱氢氧化与ATPATP生成之间的比例生成之间的比例关系。关系。 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为的摩

9、尔数称为P/OP/O比值比值。 2021/8/1426线粒体离体实验测得的一些底物的线粒体离体实验测得的一些底物的P/OP/O比值比值2021/8/1427 合成合成1molATP时，需要提供的能量至少为时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位，相当于氧化还原电位差差E0=0.2V。 因此，在因此，在NADH氧化呼吸链氧化呼吸链中有中有三三处可以处可以生成生成ATP，而在，而在琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链中，只中，只有有两两处可以生成处可以生成ATP。2. 2. 自由能变化与自由能变化与ATPATP的生成部位：的生成部位：2021/8/1428氧化磷酸化的偶

10、联部位氧化磷酸化的偶联部位2021/8/1429（三）氧化磷酸化的偶联机制（三）氧化磷酸化的偶联机制1. 1. 化学渗透假说：化学渗透假说： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由年由Peter Mitchell提出的提出的化学渗透学说化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)。2021/8/1430化学渗透假说的基本要点化学渗透假说的基本要点 该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形

11、成线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜跨膜pH梯度梯度和和跨膜电位差跨膜电位差。 当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能势能”可以被存在于线粒体内膜上的可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶合酶利用，利用，生成高能磷酸基团，并与生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成结合而合成ATP。2021/8/1431质子梯度的形成质子梯度的形成2021/8/14322021/8/1433ATPATP的合成的合成 当质子从膜间腔返回当质子从膜间腔返回基质中时，这种基质中时，这种“势势能能”可被位于线粒体可被位于线粒体内膜上的内膜上的ATP合酶合酶利利用以合成用以合成ATP

12、。 2021/8/1434 嵌于线粒体内膜上，嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜突出于线粒体内膜的基质侧。的基质侧。膜间腔膜间腔基质基质2. ATP2. ATP合酶：合酶：2021/8/1435ATPATP合成模式图合成模式图2021/8/1436氧化磷酸化的抑制剂氧化磷酸化的抑制剂2021/8/1437（一）（一）ATPATP循环循环 ATP是生物界普遍使用的供能物质，有是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货通用货币币”之称。之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键分子中含有两个高能磷酸酐键（A-PPP），均可以水解供能。），均可以水解供能。 ATP水解为水解为

13、ADP并供出能量之后，又可通过氧化并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成磷酸化重新合成，从而形成ATP循环循环。 三、高能磷酸键的储存与释放2021/8/1438ATPATP循环循环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) ) 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) )2021/8/1439 生物化学中常将水解时释放的能量生物化学中常将水解时释放的能量20kJ/mol的磷酸键称

14、为的磷酸键称为高能磷酸键高能磷酸键。主要。主要有以下几种类型：有以下几种类型：1磷酸酐键磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，：包括各种多磷酸核苷类化合物，如如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及及PPi等，水解后可释放出等，水解后可释放出30.5kJ /mol的自由能。的自由能。 （二）高能磷酸键的类型（二）高能磷酸键的类型2021/8/14402混合酐键混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由的

15、自由能。能。3烯醇磷酸键烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。的自由能。4磷酸胍键磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出放出43.9kJ/mol的自由能。的自由能。 2021/8/1441几种常见的高能化合物几种常见的高能化合物2021/8/1442 磷酸肌酸（磷酸肌酸（creatine phosphate, CP）是是骨骼肌骨骼肌和和脑组织脑组织中中能量的贮存形式能量的贮存形式。 磷酸肌酸中的高能磷酸键磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给必

16、须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能，才能供生理活动之需。供生理活动之需。 反应过程由反应过程由磷酸肌酸激酶（磷酸肌酸激酶（CPK）催化完催化完成。成。2021/8/1443磷酸肌酸激酶的作用磷酸肌酸激酶的作用2021/8/1444（三）多磷酸核苷间的能量转移（三）多磷酸核苷间的能量转移 在生物体内，除了可直接使用在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于用于糖原的合成糖原的合成，CTP用于用于磷脂的合磷脂的合成成，GTP用于用于蛋白质的合成蛋白质的合成等。等。核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶NMP + ATPND

17、P + ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NDP + ATPNTP + ADP2021/8/1445五、线粒体外NADH的穿梭 胞液中的胞液中的3-磷酸甘油醛，磷酸甘油醛，3-磷酸甘油磷酸甘油或或乳乳酸酸脱氢，均可产生脱氢，均可产生NADH。 这些这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生化磷酸化，产生H2O和和ATP。 2021/8/1446（一）磷酸甘油穿梭系统（一）磷酸甘油穿梭系统 主要存在于主要存在于脑脑和和骨骼肌骨骼肌中。中。 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化

18、呼吸链进行氧进行氧化磷酸化，故只能产生化磷酸化，故只能产生2分子分子ATP。2021/8/1447 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ - -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶2021/8/1448（二）苹果酸穿梭系统（二）苹果酸穿梭系统 主要存在于主要存在于肝肝和和心肌心肌中。中。 胞液中胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成链进行氧化磷酸化，故可生成3分子分子ATP。 2021/8/14492021/8/1450谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- - - -酮酮 戊二酸转运体戊二酸转运体 胞液胞液 基质基质 NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C