糖代谢生物氧化医学知识培训课件

1、糖代谢生物氧化医学知识糖代谢生物氧化医学知识学习目标掌握能斯特方程及相关计算。掌握生物氧化、电子传递链、氧化磷酸化、P/O比等概念。掌握线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。掌握化学渗透理论的要点，以及电子传递是如何与ADP的磷酸化相偶联的。熟悉细胞溶胶中的NADH的再氧化途径糖代谢生物氧化医学知识2学习目标掌握能斯特方程及相关计算。糖代谢生物氧化医学知识2内容提要能斯特方程： En E0 + RT/nF lne受体a/e供体b G0nFE 0 RT 0 = E 0 lnKeq n电子传递链是电子从NADH (FADH2)经过一系列的载体的传递，最终到达O2 所经过的途径。也

2、称为呼吸链（respiratory chain）氧化磷酸化作用是电子在沿着电子传递链传递过程中所伴随的将ADP磷酸化而形成ATP的全过程。电子传递和氧化磷酸化取决于蛋白质复合物I-V及辅助因子。化学渗透理论：电子传递释放出的自由能驱动H+外排（mit基质膜间隙），形成的跨线粒体内膜的H+ 梯度，通过H+回流再驱动ATP合成。穿梭机制使得胞液中的NADH可被有氧氧化甘油磷酸穿梭机制(1.5个 ATP)，苹果酸天冬氨酸穿梭机制(2.5个 ATP)。糖代谢生物氧化医学知识3内容提要能斯特方程： En E0 + RT/nF 教学内容生物氧化的定义一、氧化-还原电势二、电子传递和呼吸链三、氧化磷酸化作用

3、糖代谢生物氧化医学知识4教学内容生物氧化的定义糖代谢生物氧化医学知识4 生物氧化(biological oxidation): 有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放能量形成ATP的过程.又称为细胞氧化，细胞呼吸，组织呼吸。 电子传递 H2O 质子梯度 氧化磷酸化 ATPEMP / TCACO2、ATP、NADH、FADH2 生物氧化的特点：1 体温，酶促，逐步氧化分次放能2 主要贮存于ATP中糖代谢生物氧化医学知识5 生物氧化(biological oxidation): 糖代谢生物氧化医学知识6糖代谢生物氧化医学知识6（一）氧化-还原电势（二）电势和自由能的关系（三）标准电动势和平衡

4、常数的关系一、氧化-还原电势糖代谢生物氧化医学知识7（一）氧化-还原电势一、氧化-还原电势糖代谢生物氧化医学知识氧化 -还原反应：有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。例： Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu两个半反应：氧化反应： Zn Zn2+ + 2e还原反应： Cu2+ +2e Cu每个半反应表明了某元素高低不同氧化态之间的转化关系(一) 氧化-还原电势糖代谢生物氧化医学知识8氧化 -还原反应：有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应氧化型 + ne 还原型正向为还原，逆向为氧化，它们彼此依存，相互转化，关系与共轭酸碱对一样。称为氧化还原电对（电对）。电对符号：氧化型还原型氧

5、还电对: Zn2+ / Zn； Cu2+ / Cu； NAD+ / NADH+H+小结每个氧化还原反应至少有两个电对，分别称为氧化剂电对和还原剂电对。氧化剂氧化剂电对的氧化型充当还原剂还原剂电对的还原型充当糖代谢生物氧化医学知识9氧化型 + ne 还原型糖代谢生物氧化医学知还原型氧化型 氧还电对氧化-还原Fe3+ /Fe2+糖代谢生物氧化医学知识10还原型氧化型 氧还电对氧化-还原Fe3+ /Fe2+化学电池，原电池正极(+)，负极(-)电极电势 ( electric potential, E )， 电极势，电极电位氧化-还原电势, E (oxidation-reduction potenti

6、al): 反映还原剂失掉电子的倾向 或氧化剂得到电子的倾向 E 越高的氧还电对，越倾向 于获得电子 衡量电极反应趋势的参数 判断氧化还原反应能否 进行的依据 Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-糖代谢生物氧化医学知识11 Zn Zn2+ + 2eCuSO4ZnZnS电极势（E）与电动势（ ）： 电池的电动势（） = E正极 E负极标准电极势，E0 (standard electrode potential) : 氧还电对在标准条件下（pH=0、25C、1atm、电子供、受体浓度为1mol/L）的电极势。 标准电势(standard potenti

7、al) 标准还原势(standard reduction potential) 标准氧化-还原电势(standard oxidation-reduction potential)pH = 7时的标准氧还电势： E0 Zn Zn2+ + 2e Cu2+ + 2e CuCuSO4ZnZnSO4Cu +-糖代谢生物氧化医学知识12 Zn Zn2+ + 2eCuSO4ZnZnS标准电动势( 0 ) : 0 = E0正极 E0负极标准氢电极 ( 铂电极, 25C, 1atm氢压力、 pH=0)氢标电势标准氢电极的电极势为零，E0(H+/H2) = 0测定铜电极的标准电极电势的装置 0 = E0Cu E0

8、H+糖代谢生物氧化医学知识13测定铜电极的标准电极电势的装置 0 = E0Cu E0H标准电动势:pH=70 = E0正极 E0负极E0氢标电势pH糖代谢生物氧化医学知识14标准电动势:pH=7E0氢标电势pH糖代谢生物氧化医学知识标准电动势(0)； 标准电极势，E0 ； 0 = E0正 E0负氢锌电池的标准电动势 0 = 0.763 V, 0.763 = E0H+/H2 E0Zn2+/Zn E0H+/H2 = 0, E0Zn2+/Zn = - 0.763 V求氧化-还原物质的标准电极电势 （与标准氢电极组成原电池）甘汞电极糖代谢生物氧化医学知识15标准电动势(0)； 标准电极势，E0 ；糖代

9、谢生物氧化医学表Standard electrode potential糖代谢生物氧化医学知识16表Standard electrode potential糖E0标准值测定条件：pH7.0, 25 ,标准氢电极，电子供体和受体的浓度都是1mol/L生物体中某些重要的标准氧化-还原电势:糖代谢生物氧化医学知识17E0标准值测定条件：pH7.0, 25 ,标准氢电极，ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL糖代谢生物氧化医学知识18ELECTRON CARRIERS AND REDOX PO计算电极在溶液中的电极电势（E） （即电极上氧还电对的氧还电势）： 能斯特

10、方程(Nernst equation) En = E0 + RT/nF ln 电子受体a 电子供体b En 电极势； E0 标准电极势 R气体常数； T绝对温度； n氧还反应价数变化； F法拉第常数 氧还电对在标准条件下（pH=7、25C、1atm、电子供、受体浓度为1mol/L）的电极势。糖代谢生物氧化医学知识19 氧还电对在标准条件下（pH=7、25C、1atm、电子供能斯特方程(Nernst equation)计算电极在溶液中的电极电势： H2Q + 2Fe3+ Q + 2H+ + 2Fe2+ En E0 + RT/nF ln电子受体a/电子供体b En E0 + RT/nF lnFe3

11、+ 2/Fe2+ 2课外阅读糖代谢生物氧化医学知识20能斯特方程(Nernst equation)计算电极在溶液中（二）电势和自由能变化的关系 E0 = E0电子受体(正极） E0电子供体（负极） E = E电子受体 E电子供体标准氧化-还原电势差与标准自由能变化有关：DG0nFDE 0其中n是转移的电子数；F 是法拉第常数（96.48kJ/V.mol, 23062cal / V.mol）DE0是标准氧化-还原电势差。自由能的变化代表着氧还体系转移电子的能力糖代谢生物氧化医学知识21（二）电势和自由能变化的关系 E0 = E0电子受体(糖代谢生物氧化医学知识22糖代谢生物氧化医学知识220.1

12、001.00糖代谢生物氧化医学知识230.1001.00糖代谢生物氧化医学知识23 DG0nFDE 0 DG0RT lnKeq RT 0 = DE 0 lnKeq n n；氧化还原反应中传递的电子数目对于A还原剂B氧化剂 C氧化剂D还原剂反应 RT C氧化剂 D还原剂DE DE 0 ln n A还原剂 B氧化剂（三）标准电动势和平衡常数的关系细胞中的多种反应都是依靠电动势（电势差）推动的 如：离子梯度造成的跨膜电势差可推动能量转换糖代谢生物氧化医学知识24（三）标准电动势和平衡常数的关系细胞中的多种反应都 比较氧化剂和还原剂的相对强弱 计算原电池的电动势 判断氧化还原反应的方向 确定氧化还原反

13、应进行的限度 (平衡状态) 电极电势的应用 糖代谢生物氧化医学知识25 比较氧化剂和还原剂的相对强弱 计算原电池的电动势 （一） 电子传递链（二） 电子传递链各个成员（三） 电子传递的抑制剂二、电子传递过程和呼吸链糖代谢生物氧化医学知识26（一） 电子传递链二、电子传递过程和呼吸链糖代谢生物氧化医 电子传递链（electron transport chain）：电子从NADH (或FADH2)经过一系列载体的传递，最终到达O2 所经过的途径。也称为呼吸链（respiratory chain） 氧化磷酸化作用：电子在沿着电子传递链传递过程中所伴随的将ADP磷酸化而形成ATP的全过程。 (氧化呼吸

14、，呼吸代谢) （注意区分底物水平磷酸化） 电子传递过程 电子的流动方向总是由电负性较强的氧还电对流向具有更强电正性的氧还电对，同时自由能降低 电子传递链：线粒体内膜（真核细胞） 质膜（原核细胞）（一） 电子传递链糖代谢生物氧化医学知识27 电子传递链（electron transport cha (二) 电子传递链(呼吸链)的组成： 呼吸链中的4个氧化还原酶复合体：复合体 I： NADH-Q还原酶（NADH-Q reductase）, NADH脱氢酶, NADH-泛醌氧化还原酶复合体 II：琥珀酸-Q还原酶(succinate-Q reductase)， 琥珀酸-泛醌氧化还原酶, 琥珀酸脱氢酶

15、复合物复合体 III：细胞色素还原酶（ cytochrome reductase)， 泛醌-细胞色素c氧化还原酶,细胞色素bc1复合体复合体 IV：细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase） 2个流动电子载体： 辅酶Q（CoQ） 细胞色素c(Cyt c)糖代谢生物氧化医学知识28 (二) 电子传递链(呼吸链)的组成： 呼吸链复合体酶名称多肽链数辅基复合体NADH-泛醌还原酶43FMN, Fe-S复合体琥珀酸-泛醌还原酶4FAD, Fe-S血红素 b560 复合体细胞色素还原酶11Fe-S血红素 b562血红素 b566血红素 c1复合体细胞色素氧化酶13血红素 a血红素 a3Cu2

16、+人体线粒体呼吸链复合体糖代谢生物氧化医学知识29复合体酶名称多肽链数辅基复合体NADH-泛醌还原酶43FM（1） NADH-Q还原酶（复合体I ）：也称 NADH脱氢酶。辅基：FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）。 电子传递： NADH FMN Fe-S CoQ P121糖代谢生物氧化医学知识30（1） NADH-Q还原酶（复合体I ）：也称 NADH脱氢Fe-S 2Fe-2S 4Fe-4S类型 类型 类型 作用： Fe2+ Fe3+e 单电子传递铁硫蛋白（非血红素铁蛋白）：分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成铁硫中心(铁硫聚簇)，一次可传递一个电子。4Fe-4S3Fe-4S 铁

17、硫蛋白中的铁硫中心(铁硫聚簇) 糖代谢生物氧化医学知识31Fe-S 2Fe-2S 4Fe-4S作 NADH +H+ + CoQ（氧化型） 复合体 I NAD+ + QH2（ 还原型） E0 = 0.36V， G0 = - 69.5kJ/mol 足以合成一个ATP分子。第一个质子泵（H+由线粒体基质 内外膜间隙）, 每传递两个电子，泵出4个H+。 糖代谢生物氧化医学知识32 NADH +H+ + CoQ（氧化型） 复合体 I（2）CoQ（泛醌, Q, UQ）：脂溶性辅酶， 是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白），可从一个酶移动到另一个酶，是电子传递枢纽，也是递氢体。是许多酶的辅酶。n

18、=10：哺乳动物 (Q10)n =68：非哺乳动物糖代谢生物氧化医学知识33（2）CoQ（泛醌, Q, UQ）：脂溶性辅酶， 是电子传递（3）琥珀酸- Q还原酶（复合体II） ：是镶嵌于线粒体内膜的酶蛋白，琥珀酸脱氢酶是其成员。辅基： FAD+ 铁-硫聚簇（2 Fe-2S、3 Fe-4S、4 Fe-4S） 血红素b560糖代谢生物氧化医学知识34（3）琥珀酸- Q还原酶（复合体II） ：糖代谢生物氧化医学电子传递：琥珀酸FADH2 Fe-S CoQ 自由能变化： G0 = - 2.9kJ/mol不足以合成ATP。琥珀酸脱氢酶Fe-S中心CoQ结合部位From E.coli糖代谢生物氧化医学知识

19、35琥珀酸脱氢酶Fe-SCoQFrom E.coli糖代谢生物氧2Fe-2S3Fe-4S4Fe-4S3-磷酸甘油脱氢酶糖代谢生物氧化医学知识362Fe-2S3-磷酸甘油脱氢酶糖代谢生物氧化医学知识36复合体III的辅基：血红素b562 (bH, bK)血红素b566 (bL, bT)血红素c12Fe-2S中心（4）细胞色素还原酶（complex III）：b562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 糖代谢生物氧化医学知识37复合体III的辅基：血红素b562 (bH, bK)（4）细细胞色素(cytochrome,Cyt) 结构：一类含血红素(铁卟啉)辅基的电子载体蛋白。 分类

20、:依照光谱特性，分为a，b，c三大类。 Cyta: Cyta，Cyta3 Cytb: Cytb562，Cytb566， Cytb560 Cytc: Cytc，Cytc1细胞色素cFe3+ + e Fe2+糖代谢生物氧化医学知识38细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素cFe3+ 区别细胞色素种类的重要指标糖代谢生物氧化医学知识39区别细胞色素种类的重要指标糖代谢生物氧化医学知识39辅基颜色带波长与酶蛋白连接Cytb铁-原卟啉 (Heme B)红色560nm非共价结合Cytcc型血红素(Heme C)红色550nm与多肽链中 Cys的 SH相连Cytaa型血红素 (Heme A)绿色6

21、00nm非共价结合细胞色素a、b、c的区别 三者结构上的区别： 铁卟啉辅基侧链不同 铁卟啉辅基与酶蛋白连接方式不同糖代谢生物氧化医学知识40辅基颜色带波长与酶蛋白连接Cytb铁-原卟啉 红色56多聚异戊二烯长链血红蛋白肌红蛋白甲酰基糖代谢生物氧化医学知识41多聚异戊二烯长链血红蛋白甲酰基糖代谢生物氧化医学知识41复合体糖代谢生物氧化医学知识42复合体糖代谢生物氧化医学知识42Q循环：两个QH2 参与电子传递，通过细胞色素还原酶分别使 两个细胞色素 c 还原， 经过全过程又产生了一个QH2。CoQ cyt c是第二个与ATP合成相偶联的部位。细胞色素还原酶（complex III）是第二个质子泵

22、，泵出 4H+/ 2eE0 = 0.19V G0 = - 36.7 kJ/mol复合体 III 内的 Q 循环（Q cycle )糖代谢生物氧化医学知识43Q循环：两个QH2 参与电子传递，通过细胞色素还原酶分别使Cys细胞色素c（5）细胞色素c（Cyt c）： Cyt c是由单一肽链和一分子血红素构成的球形分子，是唯一能溶于水的细胞色素。Cyt c是水溶性流动电子载体 糖代谢生物氧化医学知识44Cys细胞色素c（5）细胞色素c（Cyt c）： Cyt c（6）细胞色素氧化酶（complex IV）细胞色素氧化酶是一个由13个亚基构成的跨膜蛋白复合体，第I、II亚基上结合着四个氧化-还原反应中

23、心： 血红素 a- CuA中心 (II) 血红素 a3 CuB中心 (I)电子在细胞色素氧化酶中的传递： Cyt c CuA-血红素a 血红素 a3-CuB O2O2的结合部位：血红素 a3 的铁离子和CuB离子Cu2+ + e Cu+ P127a binuclear center糖代谢生物氧化医学知识45（6）细胞色素氧化酶（complex IV）细胞色素氧化酶是Fe3+ Cu2+ e-Fe3+ Cu+ e-Fe2+ Cu+O2Fe2+-O Cu+OFe3+-O- Cu2+-Oe-+2H+Fe4+=O2- Cu2+OHHe-+2H+2H2OPeroxy intermediate过氧中间体Fe

24、rryl intermediate高铁中间体细胞色素氧化酶催化氧接受4个电子的过程血红素 a3 CuB中心糖代谢生物氧化医学知识46Fe3+ Cu2+ e-Fe3+ Cu+2Cyt c（还原）+ 1/2 O2 2 Cyt c（氧化）+ H2O E0 = 0.58V， G0 = - 112 kJ/mol 细胞色素氧化酶（complex IV）是第三个质子泵，是第三个与ATP合成相偶联的部位。 泵出 2H+/ 2e 4个电子与氧结合的过程 避免超氧阴离子的形成complex IV糖代谢生物氧化医学知识472Cyt c（还原）+ 1/2 O2 2 Cyt cNADHFMN(Fe-S)QCyt c1

25、Cyt c Cyt aa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)QCyt c1 Cyt c Cyt aa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链复习阅读糖代谢生物氧化医学知识48NADHFMN(Fe-S)QCyt c1 Cyt c糖代谢生物氧化医学知识49糖代谢生物氧化医学知识491分子O2还原成水，是一个4电子转移的过程。CoQ（在膜内流动）和Cyt c（在内膜的外表面扩散）是可流动的氢或电子传递体NADH呼吸链和FADH2呼吸链由氧生成水的反应是不可逆的，各递体的顺序不可颠倒一对电子从NADH到O2分子，经历3个ATP 合成部位，产生2.5个ATP；一对电子从FADH2到O2分子，经历2个ATP

26、 合成部位，产生1.5个ATP。糖代谢生物氧化医学知识501分子O2还原成水，是一个4电子转移的过程。糖代谢生物氧化医(三) 电子传递的抑制剂：电子传递抑制剂： 能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质。（1）鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、 杀粉蝶菌素（piericidin）: 抑制复合体I，阻断电子由NADHCoQ的传递 （2）抗霉素A(antimycin A), 二巯基丙醇: 抑制复合体III中 Cyt b Q 或 Q.- ，导致CoQ Cyt c1 电子传递中断 （3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-) 、 CO 、硫化氢 等: 抑制复合体IV中 Cytaa3 O2,

27、 导致Cyt c O2电子传递中断糖代谢生物氧化医学知识51(三) 电子传递的抑制剂：电子传递抑制剂：糖代谢生物氧化医硫化氢二巯基丙醇糖代谢生物氧化医学知识52硫化氢二巯基丙醇糖代谢生物氧化医学知识52 NADH+H+ FMN Fe-S CoQ Fe-SFADH2 Fe-SNADH-Q 还原酶琥珀酸-Q还原酶 Cyt c1 Cyt c Cyt a-CuA Cyt a3-CuB细胞色素还原酶细胞色素氧化酶 1/2O2+2H+ H2OE0= 0. 360VG0= -69. 5kJ/molE0= 0. 190VG0= -36. 7kJ/mol ATPE0= 0.580VG0= -112kJ/mol

28、0.5ATP鱼藤酮、安密妥等抗霉素ACN-、N3-、CO、H2SE0= 0. 015VG0= -2. 9kJ/mol ATP糖代谢生物氧化医学知识53 NADH+H+ FMN Fe-S CoQ Fe-SFADH三、氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)（一） 线粒体的结构（二） 氧化磷酸化作用机制（三） 氧化磷酸化的解偶联和抑制（四） 氧化磷酸化的调控（五） 细胞溶胶内NADH的再氧化（六） 葡萄糖彻底氧化的总结算糖代谢生物氧化医学知识54三、氧化磷酸化作用(oxidative phosphoryl（一） 线粒体的结构糖代谢生物氧化医学知识55（一） 线粒体的结构

29、糖代谢生物氧化医学知识55（二）氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)作用的机制 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1956年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说糖代谢生物氧化医学知识56（二）氧化磷酸化(oxidative phosphoryla 氧化磷酸化作用的机制： 1 三种假说： 化学偶联假说(chemical coupling hypothesis) 产生活泼的高能共价中间物。 没有证据 构象偶联假说(conformational coupling hypothesis) 内膜蛋白构

30、象变化形成一种高能形式，恢复原来构象过程中合成ATP。 没有有力证据 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 1961，P. Mitchell提出，1978年Nobel 化学奖 电子传递释放出的自由能驱动H+外排（mit基质膜间隙），形成的跨线粒体内膜的H+梯度，通过H+ 回流驱动ATP合成。 有许多证据P. Mitchell 1920-1992糖代谢生物氧化医学知识57 氧化磷酸化作用的机制：P. Mitchell 糖代谢生物氧化学渗透假说原理示意图4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+ + + + + +

31、 + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜磷酸化 氧化 糖代谢生物氧化医学知识58化学渗透假说原理示意图4H+4H+2H+4H+NADH+H+2 质子梯度（ proton gradient）的形成： 质子动势或质子动力(proton-motive force, pmf)：因电子传递使H+跨mit内膜流向间隙，造成mit间隙形成正电势，mit基质形成负电势，这样产生的电化学梯度即电动势（electromotive force, emf).糖代谢生物氧化医学知识592 质子梯度（ proton gradient）的形成：（1） 质子泵出是需能过程 一个质子逆电化学梯度跨过线

32、粒 体内膜的自由能变化为： G = 2.3 RT ( lgH+膜外 - lgH+膜内 )+ ZF = 2.3 RT ( pH膜内 - pH膜外 ) + ZF R : 气体常数； T :绝对温度； Z:质子上的电荷（包括符号）； F :法拉第常数； : 膜电位差 pH内 pH外 ，H+ 由膜内向膜外转移，膜电位差 为正（外正内负），所以 G 0。是需能过程。糖代谢生物氧化医学知识60（1） 质子泵出是需能过程糖代谢生物氧化医学知识60呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化？0.5 ATP糖代谢生物氧化医学知识61呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化通

33、过形成ATP，共截获释放的总能量的百分数？糖代谢生物氧化医学知识62通过形成ATP，共截获释放的总能量的百分数？糖代谢生物氧化医 H+的转移(外排)与电子传递链上三个复合体有关： complex I, complex III和complex IV，为三个质子泵。 质子移动力与跨膜的pH梯度和膜电位有关，每合成一个 ATP需要有 2-3个H+ 跨膜（3个）。 糖代谢生物氧化医学知识63 H+的转移(外排)与电子传递链上三个复合体有关：糖代谢生(2) 质子转移机制的两种假设 氧化-还原回路机制，氧-还回路：(H+ + e- )载体， Q循环 质子泵机制：电子传递过程导致复合体构象变化, 造成氨基酸

34、侧链pK值的改变高糖代谢生物氧化医学知识64(2) 质子转移机制的两种假设高糖代谢生物氧化医学知识643 ATP合成机制：(1) ATP酶种类： P型：单肽链，水解ATP，用于转运Ca2+、Na+、 K+等离子。如： Na+，K+ -泵，Ca2+ -泵 V型：主要分布在酵母、真菌的微囊上，水解 ATP，用于产生质子梯度。 F型：大量存在于真核线粒体内膜，利用质子 梯度，产生ATP。 ATP合酶, FoF1-ATP酶课后复习糖代谢生物氧化医学知识653 ATP合成机制：(1) ATP酶种类：课后复习糖代谢 (2) ATP合酶, FoF1-ATP酶（哑铃状，F型ATP酶） Fo单元 F1单元 Fo

35、F1之间的柄 Fo单元(ab2c 10-12):质子通道 跨膜部分 含6个DCCD（DCC，DCCI ，二环己基碳二亚胺）结合蛋白， 这些蛋白围成桶状，具有离子通道，通道内部有Glu残基（大肠 杆菌是Asp残基），可与DCCD结合，从而抑制质子通过Fo 。 寡霉素(oligomycin)可与FO结合，抑制质子通过FO。糖代谢生物氧化医学知识66 (2) ATP合酶, FoF1-ATP酶糖代谢生物氧化医学 F1单元(3 3 ):合成ATP 球状体 亚基是催化ATP合成的部位， 与亚基形成转子(rotor), a,b和亚基组成“定子”(stator) 缺乏质子电化学梯度时，催化ATP水解 F1抑制

36、剂(IF1) FoF1之间的柄： 调节质子流及ATP的合成速度， 是能量转换的通道。 寡霉素敏感性付与蛋白(OSCP, oligomycin-sensitivity-conferring protein)偶合因子6 (coupling factor 6, F6 )P134糖代谢生物氧化医学知识67 F1单元(3 3 ):合成ATP 寡(3) ATP合酶催化机制：结合变化机制(旋转催化假说) (binding-change mechanism) （美 Paul Boyer 提出）：结合变化机制(旋转催化假说)要点如下(3个方面)： ATP合酶利用质子动势，产生构象的改变，改变了 与底物的亲和力，

37、催化ATP的形成和释放。 F1具有三个催化位点，分别位于三个亚基上, 在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）,底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，可合成ATP；在O构象（open）,ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+梯度提供。Boyer和Walker获得1997年诺贝尔化学奖。糖代谢生物氧化医学知识68(3) ATP合酶催化机制：结合变化机制(旋转催化假说) 质子流通过Fo引起c亚基寡聚体构成的环旋转，从

38、而带动和亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起3个亚基构象的周期性变化(L,T,O)，不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP并释放出来。亚基的中心 -螺旋被认为是转子,亚基a和b与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.(旋转催化假说)分子马达(molecular motor)-empty, -ADP, -ATP O L T糖代谢生物氧化医学知识69 质子流通过Fo引起c亚基寡聚体构成的环旋转，从而带动和合成的ATP与酶结合牢固质子梯度的主要作用并不是形成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来糖代谢生物氧化医学知识70合成的ATP与酶结合牢固糖代谢生物氧化医学知识70化学

39、渗透假说原理示意图4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜磷酸化 氧化 糖代谢生物氧化医学知识71化学渗透假说原理示意图4H+4H+2H+4H+NADH+H+ ATP/ADP交换体糖代谢生物氧化医学知识72 ATP/ADP交换体糖代谢生物氧化医学知识72合成和输出1个ATP = 消耗4个H+糖代谢生物氧化医学知识73合成和输出1个ATP = 消耗4个H+糖代谢生物氧化医学知识 NADH：10H+/3 = 3ATP FADH2 ： 6H+/3 = 2

40、ATP糖代谢生物氧化医学知识74 NADH：10H+/3 = 氧化磷酸化过程：NADH或FADH2上的电子经电子传递链传给O2电子传递过程中放出的能量使三个质子泵将H+从线粒体基质膜间隙，形成质子梯度ATP合酶利用质子梯度，在H+的回流过程中驱动ADP磷酸化，合成ATP糖代谢生物氧化医学知识75 氧化磷酸化过程：NADH或FADH2上的电子经电子传递链传 （1）解偶联剂 （uncouplers）： 抑制ATP合成，不影响电子传递。 如： 2,4-二硝基苯酚（DNP）；酸性芳香族化合物 （三） 氧化磷酸化作用的解偶联和抑制：NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+

41、线粒体内膜内外DNP2,4-二硝基苯酚的解偶联作用糖代谢生物氧化医学知识76 （1）解偶联剂 （uncouplers）：（三） 氧化磷三氟甲氧基苯腙羰基氰化物糖代谢生物氧化医学知识77三氟甲氧基苯腙羰基氰化物糖代谢生物氧化医学知识77糖代谢生物氧化医学知识78糖代谢生物氧化医学知识78（2）氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）： 直接干扰ATP合成，并间接导致抑制电子传递和O2的利用。如：寡霉素(oligomycin)，DCCD。糖代谢生物氧化医学知识79（2）氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）：糖代谢生物氧 氧化磷酸化抑制剂 如：寡霉素与Fo单元的亚基结合阻止H+从Fo单元回流抑制

42、ATP合成H + 电化学梯度异常增高抑制磷酸化过程抑制电子传递的氧化过程 寡霉素抑制剂结合到ATP合酶的Fo亚基上，抑制H+通过Fo，而不是结合到寡霉素敏感性付与蛋白（OSCP）上。糖代谢生物氧化医学知识80 氧化磷酸化抑制剂 如：寡霉素与Fo单元的（3）离子载体抑制剂 （ionophores) ：脂溶性，运输某些一价阳离子，破坏H+电荷梯度，抑制ATP合成 移动性载体：如：缬氨霉素(valinomycin)，专一性运K+ 通过将膜外的K+转运至膜内而消除跨膜的电位梯度通道形成体：如：短杆菌肽(gramicin)A，含有D-型氨基酸的15肽，使一价阳离子顺梯度通过短杆菌肽双分子膜通道，vali

43、nomycinGramicin ANMR 衍射图糖代谢生物氧化医学知识81（3）离子载体抑制剂 （ionophores) ：脂溶性，运 解偶联的生理意义： 人类、新生哺乳动物、冬眠动物褐色脂肪组织(brown fat)中的线粒体，含有产热素(thermogenin，蛋白激素，质子返回通道)，可利用质子梯度产生热量，维持体温。解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体）糖代谢生物氧化医学知识82 解偶联的生理意义： 人类、新生哺乳动物、产热素：只存在于褐色脂肪组织的线粒体，作用是解偶联，产生热量。产热素被脂肪酸激活，被嘌呤核苷酸抑制。嘌呤核苷酸(ATP,ADP,GTP)正肾上腺素cAMP-依赖性蛋白

44、激酶甘油三酯酶游离脂肪酸产热素甘油三酯+-氧化磷酸化解偶联从而产生热量+糖代谢生物氧化医学知识83产热素：只存在于褐色脂肪组织的线粒体，作用是解偶联，产生热量糖代谢生物氧化医学知识84糖代谢生物氧化医学知识84苍术苷金轮霉素黑星菌素糖代谢生物氧化医学知识85苍术苷金轮霉素黑星菌素糖代谢生物氧化医学知识85黑星菌素糖代谢生物氧化医学知识86黑星菌素糖代谢生物氧化医学知识86糖代谢生物氧化医学知识87糖代谢生物氧化医学知识87（四） 氧化磷酸化的调控1. 线粒体呼吸功能的5种状态: I V状态I：无底物，无ADP状态II：无底物，有ADP状态III：有底物、ADP状态IV：有底物，无ADP状态V：

45、有底物、ADP， O2耗尽糖代谢生物氧化医学知识88（四） 氧化磷酸化的调控1. 线粒体呼吸功能的5种状态: 正常线粒体呼吸状态在状态III和状态IV之间往复变化糖代谢生物氧化医学知识89 正常线粒体呼吸状态在状态III和状态IV之间往复变化糖代谢2. 呼吸控制 (respiratory control)指ADP对氧化磷酸化（呼吸）作用的调节。呼吸控制率（比值） P141 (RCR, Respiratory Control Ratio)： 有ADP存在时氧的利用速度（状态） 没有ADP存在时氧的利用速度（状态） 完整 mit: 可达10以上； 受损伤或衰老的 mit：可低至14. 磷氧比（P/

46、O） 物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数(或ADP mol数)，或每消耗1mol氧原子所生成的ATP的mol数. 反映了ATP合成与电子传递的偶联关系。RCR=反映线粒体完整程度和线粒体功能的指标:RCR 与 P/O 呼吸控制 糖代谢生物氧化医学知识902. 呼吸控制 (respiratory control)指磷氧比（ P/O ） 丙酮酸，2.5； 抗坏血酸细胞色素c，0.5(ADP+Pi) ATP例 实测得NADH呼吸链： P/O 2.5NADHFADH2O212H2OH2OADP+Pi ATP实测得FADH2呼吸链： P/O 1.5O2122e-2e-ADP+Pi A

47、TPADP+Pi ATP(ADP+Pi) ATP12121212糖代谢生物氧化医学知识91磷氧比（ P/O ） 丙酮酸，2.5；(ADP+Pi) 糖代谢生物氧化医学知识培训课件线粒体外NADH的氧化磷酸化 1. 甘油磷酸穿梭机制: 存在于骨骼肌，神经细胞。 NADH FADH2 1分子NADH 1.5分子ATP。糖代谢生物氧化医学知识93线粒体外NADH的氧化磷酸化 1. 甘油磷酸穿梭机制: 存苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶天冬氨酸氨基移换酶天冬氨酸氨基移换酶2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制: NADH NADH 存在于肝脏，心肌， 1分子NADH 2.5分子ATP。糖代谢生物氧化医学知识94苹果酸脱

48、氢酶苹果酸脱氢酶天冬氨酸氨基移换酶天冬氨酸氨基移换酶NADH两种氧化途径的比较氧化途径主要存在的组织主要承担酶胞液中主要承担酶的辅基线粒体内主要承担酶的辅基被完全氧化时经过的呼吸链完全氧化时产生的ATP量3-磷酸甘油穿梭骨骼肌、神经细胞3-磷酸甘油脱氢酶NAD+FAD琥珀酸氧化呼吸链1.5ATP苹果酸-天冬氨酸穿梭肝、心肌组织苹果酸脱氢酶NAD+NAD+NADH氧化呼吸链2.5ATP复习阅读糖代谢生物氧化医学知识95NADH两种氧化途径的比较氧化途径主要存在的组织主要承担酶胞糖代谢生物氧化医学知识96糖代谢生物氧化医学知识96（六） 葡萄糖氧化的能量结算方法:EMP途径生成的2分子NADH,若

49、经历苹果酸-Asp穿梭途径则共产生32个ATP。5个ATP25个ATP课后复习糖代谢生物氧化医学知识97（六） 葡萄糖氧化的能量结算方法:EMP途径生成的2分子N掌握能斯特方程及相关计算。掌握生物氧化、电子传递链、Q循环、氧化磷酸化、呼吸控制、RCR、P/O等概念。掌握线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。掌握化学渗透理论的要点，以及电子传递链与ADP的磷酸化相偶联的部位。掌握ATP合酶的结构和催化机制。掌握与电子传递链和氧化磷酸化相关的抑制剂、解偶联剂及抑制部位。掌握细胞溶胶中的NADH的再氧化途径要点回顾糖代谢生物氧化医学知识98掌握能斯特方程及相关计算。要点回顾糖代谢生物氧化医学知识98不要忘了好好复习哟！糖代谢生物氧化医学知识99不要忘了好好复习哟！糖代谢生物氧化医学知识991. 作业:P146: 4,7,11.2. P145-146: 1, 3, 8, 9.3. 氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息