1、生物氧化Biological Oxidation,生物氧化（Biological Oxidation）,一. 生物氧化的概念及意义二. 生物氧化的特点三. 生物氧化的方式四. 生物氧化体系呼吸链五. 能量的释放、转移、储存及利用六. 非线粒体氧化体系,生物氧化Biological Oxidation,生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列的氧化分解作用，最终生成H2O和CO2，同时释放能量的过程，又称细胞呼吸或组织呼吸。相当于分解（异化）作用。,线粒体是生物氧化的场所,1948年，Eugene Kennedy和Albert Lehninger发现线粒体是真核生物生物氧化及氧
2、化磷酸化的场所，开始了生物能研究的新世代。 线粒体有两层膜，外膜对小分子（Mr5000）和离子为自由透过。内膜对大多数小分子及离子不透过（包括H+），只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。内膜上含有呼吸链和ATP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途径、脂肪酸-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。,Albert Lehninger 1917-1986,Eugene Kennedy1919-,线粒体的生物化学,The outer membrane is a relatively simple phospholipid bilayer, containing
3、 protein structures called porins孔(道)蛋白 which render it permeable to molecules of about 10 kilodaltons or less (the size of the smallest proteins). Ions, nutrient molecules, ATP, ADP, etc. can pass through the outer membrane with ease.,The inner membrane is freely permeable only to oxygen, carbon di
4、oxide, and water. Its structure is highly complex, including all of the complexes of the electron transport system, the ATP synthetase complex, and transport proteins. The wrinkles, or folds, are organized into lamillae (layers), called the cristae (脊，嵴). The cristae greatly increase the total surfa
5、ce area of the inner membrane. The larger surface area makes room for many more of the above-named structures than if the inner membrane were shaped like the outer membrane.,The membranes create two compartments. The intermembrane space, as implied, is the region between the inner and outer membrane
6、s. It has an important role in the primary function of mitochondria, which is oxidative phosphorylation.,The matrix contains the enzymes that are responsible for the citric acid cycle, -oxidation, AA oxidation and etc. The matrix also contains dissolved O2, H2O, CO2, the recyclable intermediates tha
7、t serve as energy shuttles, and much more. Because of the folds of the cristae, no part of the matrix is far from the inner membrane. Therefore matrix components can quickly reach inner membrane complexes and transport proteins.,生物氧化的特点,与无机氧化（燃烧）相比，生物氧化与无机氧化从氧化的物质、释放出的总能量及终产物都相同。但两者的表现形式和条件不同。具体表现在：
8、体外燃烧 ： (CH) +O2H2O+CO2+热能。H2O的生成为氢和氧的直接化合CO2的生成为碳和氧的直接化合能量为骤然释放，以光和热的形式,生物氧化的特点cont.,生物氧化 (CH) +O2H2O+ CO2+热能 H2O的生成在酶的作用下脱氢，H经一系列的递氢和递电子反应，最终与O2接合生成H2O。 CO2为有机物在酶的作用下脱羧形成。 生物氧化要求条件温和，为逐步氧化。能量的释放是一步一步缓慢释放，释放的能量以高能磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害有机体。,反应条件 温 和 剧 烈反应过程 逐步进行的酶促反应 一步完成能量释放 逐步进行 瞬间释放CO2生成方式 有机酸脱羧 碳和
9、氧结合H2O 需 要 不需要,生物氧化和体外燃烧的比较,脱羧 Decarboxylation,CO2的生成方式：有机物在酶的作用下脱羧(decarboxylation)生成。 根据脱羧的部位分为： -decarboxylation -decarboxylation 根据脱羧的性质分为： 简单脱羧（simple decarboxylation） 氧化脱羧 （oxidative decarboxylation）,直接脱羧基作用(Direct decarboxylation),氧化脱羧基作用(Oxidative decarboxylation),丙酮酸脱氢酶复合物,+,几个重要的CO2生成反应,生物
10、氧化中的CO2是由糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物后脱羧产生的。1、丙酮酸直接脱羧 (乙醇发酵）2、丙酮酸氧化脱羧（生成乙酰CoA）3、TCA循环中-酮戊二酸的生成(异柠檬酸氧化脱羧）4、TCA循环中琥珀酰CoA的生成（ -酮戊二酸氧化脱羧）5、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸(直接脱羧）6、苹果酸脱羧生成丙酮酸（氧化脱羧）,氧化（Oxidation),（1）加氧（氧化）（oxidation） RCHO + O2 RCOOH（2）脱氢（dehydrogenation） RCH2OH 2 H RCHO CH3CHO +H2O CH3CH(OH)(OH) CH3COOH+2H（3）脱电子（deel
11、ectronation） Fe2+ -e Fe3+,脱氢酶(Dehydrogenase) 使代谢物的氢活化、脱离，并将之传递给其他受氢体或传递体。氧化酶(Oxidase) 生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。加氧酶(Oxygenase) 催化加氧反应的酶。传递体(Carrier) 生物氧化过程中，起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。,参与生物氧化的酶类,脱氢酶（Dehydrogenase),催化：DH + R D + RH绝大多数脱氢酶需要Co I或Co II作为辅酶。3-磷酸甘油醛 + NAD+ + 磷酸 1, 3-二磷酸甘油酸 + NA
12、DH + H+ 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸 + NAD+也有以黄素核苷酸（FMN或FAD）作为辅酶的。琥珀酸 + FAD 延胡索酸 + FADH2NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2,以烟酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶,以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶,氧化酶(Oxidase),（1）催化：RH + O2 R + H2O2产物是H2O2；需要黄素核苷酸作为辅基。 葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸内酯+H2O2（2）催化：RH + O2 R + H2O作用产物之一是H2O，不是H2O2；包括两种类型：金属蛋白，如抗坏血酸氧化酶，含铜 L-抗坏血酸 + O2 脱氢抗坏血酸
13、+ H2O 另一类是细胞色素氧化酶，催化： 4 Cyt c-Fe2+ + O2 4 Cyt c-Fe3+ + H2O,过氧化物酶（Peroxidase),催化H2O2等作为氧化剂的氧化还原反应，存在于过氧化物酶体，负责H2O2和过氧化物的分解与转化。如： 以血红素为辅基的过氧化物酶和过氧化氢酶； 以FAD为辅基的NAD(P)过氧化物酶； 谷胱甘肽过氧化物酶，有的含硒，有的则不含，但都以 H2O2以外的过氧化物（如脂质过氧化物）为氧化剂。 分别催化的反应包括： 2 H2O2 2 H2O+O2 (过氧化氢酶） RH + H2O2 2 H2O+R (过氧化物酶） 2 GSH + ROOH(H2O2)
14、 ROH + GSSG,超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase, SOD),一种与阻断过氧化物生成有关的特殊氧化酶。生物体的自由基清除剂。分为CuZn-SOD、Mn-SOD 和Fe-SOD 三种。 2 O= +2 H+ H2O2 + O2 作用是清除超氧负离子自由基。超氧自由基是带有不配对电子的氧分子，十分活跃，可与多种生物分子反应，引发脂质过氧化，造成膜损伤；使DNA断裂，导致基因突变；与炎症、衰老、肿瘤等密切相关。,自由基（Free Radical),自由基是一类非常活跃的化学物质，是个有不成对（奇数）电子的原子、原子团、分子和离子。其中最重要的是氧自由基，它可聚集体表、
15、心脏、血管、肝脏和脑细胞中。使血管发生纤维性病变，导致动脉管硬化，高血压，心肌梗塞；引起老年人神经官能不全，导致记忆、智力障碍以及抑郁症，甚至老年性痴呆等，是造成人类衰老和疾病的元凶。(1)无机氧自由基：超氧自由基、羟基自由基 (2)有机氧自由基：过氧自由基、烷氧自由基、多元不饱和脂肪酸自由基RUFA、半醌自由基。,氧合酶（Oxygenase),与氧化酶不同，氧合酶催化氧原子直接参入有机分子。（1）作用于一种氢供体，包括: (A) 催化两个氧原子参入dioxygenase，需要铁离子或NADP作为辅助因子，往往伴随开环。 儿茶酚 + O2 顺，顺-己二烯二酸 (B) 催化一个氧原子参入(mon
16、ooxygenase) L-乳酸 + O2 乙酸 + CO2 + H2O 这类酶有的是黄素蛋白，反应过程包含脱羧。,氧合酶（cont.）,（2）作用于两种氢供体，包括： （A）催化两个氧原子参入，如邻氨基苯甲酸1, 2-双氧合酶 邻氨基苯甲酸 + NADPH + O2 + 2 H2O 儿茶酚 + CO2 + NADP+ + NH3。 这类酶有的是黄素蛋白，反应可能伴随羟化、脱氨、脱羧或开环。（B）催化一个氧原子参入，如胆固醇7-单氧合酶 胆固醇 + NADPH + O2 7-胆固醇 + NADP+ + H2O 由于这类酶反应中伴随羟基的形成，又称羟化酶；因多含P-450，又称P-450羟化体系
17、。,(中间)电子传递体（Electron Transfer）,它们通过自身的还原和氧化，将脱氢酶和氧化酶连接起来组成呼吸链，在生物氧化和氧化磷酸化过程中发挥重要作用，主要包括黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素复合物。,生物氧化体系呼吸链(Respiratory Chain),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ATP的问题。 整个氢的传递和电子的传递过程以及参与这一系列催化反应的酶与辅酶及其他中间递体一个接一个，组成链状反应体系，如同接力棒一样，这种形式的反应呼吸链。递氢体:呼吸链中参与传递
18、H的辅酶或辅基。递电子体:呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。,人体最普遍最重要的呼吸链,以: NAD+ (CoI)或NADP+ (CoII)为辅酶的脱氢酶、黄素蛋白（黄酶yellow enzyme, flavoprotein, FP）、辅酶Q (CoQ, 泛醌，ubiquinone)及 细胞色素复合物 (cytochrome complex)组成两条呼吸链：S. NAD+ FP1 CoQ bc1c(a+a3) 1/2O2 FP2 S.,SH2,S,NAD+,NADH+H+,FMNH2Fe-S,FMNFe-S,CoQ,CoQH2,2Cyt- Fe2+,2Cyt- Fe3+,1/2O2,O,H2O
19、,NADH氧化呼吸链,2H,2H,2H,2e2H+,2e,电子传递链的类型,FAD呼吸链,FADH2,CoQ,Ctyb,c1,c,aa3,O2,电子传递链的类型,呼吸链的组成及作用机理,1、烟酰胺脱氢酶类 nicotinamide dehydrogenases 或称吡啶脱氢酶类，pyridine dehydrogenases，以NAD+及NADP+为辅酶。2、黄素酶类 flavoprotein, flavin-linked dehydrogenase, NADH dehydrogenase黄素单核苷酸 (FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)3、辅酶Q (coenzyme Q, CoQ) (泛
20、醌 ，ubiquinone)4、 细胞色素类 cytochromesCytb, Cytc1, Cytc, Cyta1a3,两条重要的氧化呼吸链,(I),(II),电子载体以多酶复合物起作用,呼吸链上的电子载体被组装为膜包埋的超分子复合物，可以被分离开来，线粒体内膜用去污剂温和处理，分离后可以得到四个独立的电子载体复合物，每个部分可以催化电子通过呼吸链的一部分转移。复合物I和II催化电子由不同的供体（NADH-复合物I、琥珀酸-复合物II）转移到泛醌；复合物III把电子由泛醌传递给Cyt C；复合物IV完成电子由Cyt C到O2的传递过程。,呼吸链功能复合物的分离,线粒体电子传递链蛋白质组成,烟
21、酰胺吡啶脱氢酶类,许多代谢（中间）物的脱氢都通过脱氢酶的作用，是催化底物脱氢的一类酶，辅酶大多相同，有两种：NAD+（Co I）（nicotinamide adenine dinucleotide）、 NADP+ (Co II): (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)。 还原型代谢物 + NAD+氧化型代谢物 + NADH+H+ 还原型代谢物+NADP+氧化型代谢物+NADPH+H+ 这些脱氢酶有些分布在胞质中，有些分布在线粒体中，有些则胞质和线粒体中兼有。,NAD(P)相关的脱氢酶,烟酰胺可通过反复的还原和氧化，起到接受氢和提供氢的作用而
22、传递氢。 底物分子上脱下的两个氢原子，一个以氢阴离子(:H-)的形式转移到NAD(P)+上形成NAD(P)H，另一个则以H+形式游离到溶液中。每一个:H-携带两个电子，其中1e使氢以原子形式结合到吡啶环的C-4上，另1e与吡啶环上的N结合，N由+5价变为+3价。 NADPH上的氢可借助吡啶核苷酸转氢酶（pyridine nucleotide transhydrogenase)的作用转移到NAD+上形成NADH。,NAD(P)+受氢还原,MH2 M + 2 H,dHE,还原的Co I有340 nm光吸收,NADH+H+与NADPH +H+,NADH和NADPH参与不同的代谢途径,还原生物合成产物
23、,氧化前体,生物合成反应,分解代谢,氧化磷酸化,还原燃料,氧化产物,NAD（P）H相连的脱氢酶催化的一些重要反应,黄素酶类NADH脱氢酶,这类酶是与黄素相关的脱氢酶或称为黄素蛋白，辅基中因含核黄素得名，线粒体中可能与一种铁硫蛋白（Iron-sulfur protein，Fe-S）组成复合体。 种类多，酶蛋白不同，但辅基只有两种： 黄素单核苷酸FMN是NADH脱氢酶（FP1）的辅基。NADH+H+E-FMNNAD+E-FMNH2 黄素腺嘌呤二核苷酸FAD是琥珀酸脱氢酶（FP2）的辅基，此类酶催化由NADH、琥珀酸、脂酰CoA或3-磷酸甘油分子上脱氢，生成FMNH2或FADH2。,FMN(FAD)
24、的氧化还原,铁-硫中心Iron-sulfur Center,最早由Helmut Beinert发现，铁与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。铁硫中心（Fe-S）最简单的是单个铁原子与4个Cys的-SH相连，更复杂的是有2个或4个铁原子。Rieske铁硫蛋白则为1个铁原子与两个His残基相连。 所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移，其中的铁原子或被氧化、或被还原，线粒体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递。,铁-硫中心Iron-sulfur Centers,辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ）,又称泛醌(Ubiquinone)，脂溶性醌类化合物，有一个长的异戊二烯侧链，因广泛存在得名。呼吸链
25、中是参入到线粒体内膜的电子载体。 CoQ在呼吸链中接受黄素酶的H，本身被还原为氢醌，再把电子传递给Cyt体系被氧化，接受1e变为自由基半醌，接受2e变为氢醌（QH2）。 CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H，还接受线粒体其他脱氢酶的H，如琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶及其他黄素脱氢酶脱下的H，在电子传递链中处于中心地位。,辅酶Q的氧化还原,氧化型泛醌,自由基半醌,氢（质）醌,底物到辅酶Q的电子流动,ETF:electron-transferring flavoprotein,Complex I：NADH到CoQ,也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FM
26、N黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。复合物I催化两个同时发生的偶联过程：（1）NADH+H+QNAD+QH2（2）4个质子由基质转到内膜外因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。,复合物 I (Complex I):,NADH + H+,NAD+,FMN,FMNH2,Fe2+-S,Fe3+-S,CoQ,CoQH2,NADPH + NAD+ NADP+ + NADH,其Fe-S复合物有三种形式：FeS, Fe2S2, Fe4S4,NADPH可将电子传递给NAD+,电子传递的方向为：NADH
27、FMNFe-SQ,NADH：CoQ氧化还原酶,总的反应结果为：NADH + 5H+（M） + QNAD+ + QH2 + 4H+（C）,Complex II：琥珀酸到泛醌,也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶，虽比复合物I小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白质，1个蛋白质与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II，如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等。,Complex II,Succinate,Fumarate,FAD,FADH2,Fe2+-S,Fe3
28、+-S,CoQ,CoQH2,电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ 反应结果为：琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,琥珀酸脱氢酶琥珀酸到泛醌：复合物II,ETF: Electron- transferring Flavoprotein,Complex III：CoQ to Cyt c,又称Cyt bc1复合物或泛醌：细胞色素c氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。复合物III和IV结构的确定（1995-1998，X-射线晶体学）是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物III是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。,Complex III:
29、Ubiquinone to Cyt c,复合物III的功能核心有三部分：Cyt b（有两个血红素bH和bL ）、含2Fe-2S的铁硫蛋白和带血红素的Cyt c1。 有功能的二聚体单位中，Cyt c1和铁硫蛋白突出P面，与膜间空间的Cyt c作用，复合物有两个泛醌结合位点QN和QP（两个阻止氧化磷酸化作用的药物作用位点-可阻止QN面电子由bH流向Q以及QP的电子由QH2流向铁硫蛋白）。单体间的界面形成两个口袋，每个口袋含来自1个单体的QP和另一个单体的QN。泛醌在这些掩蔽的袋中移动。,Complex III ：泛醌到CytC（Cyt bc1Complex或泛醌：CytC氧化还原酶）,单体,二聚体
30、功能单位,Antimycin A,粘色唑Myxothizol,Q循环（The Q Cycle),根据复合物III的结构和氧化还原反应详细的生物化学研究，有人提出了电子经复合物的流动模型-Q循环的反应为： QH2+2cyt c1（氧化型）+2HN+Q+2cyt c1(还原型）+4Hp+ 膜的N侧，2QH2被氧化为2Q，释放4H+到内膜外空间，每个QH2提供1e到cyt c1（通过Fe-S中心），另1e到Q分子（通过cyt b），两步还原成QH2，还原反应还从基质中利用掉2H+。转移的净效应：QH2被氧化成Q，2cyt c被还原。,Q循环,电子：Qbc1c,细胞色素类(Cytochromes),细
31、胞色素是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉结构中心，构成血红素(heme)。细胞色素类都以血红素作为辅基，使这类蛋白质呈现红色或褐色。细胞色素类在呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2。 D. Kailin根据吸收光谱将它们分成a、b、c三类。线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、 c1、 c、a1、a3。,细胞色素,细胞色素b、c、a,Complex IV：Cyt c to O2,又称细胞色素氧化酶，呼吸链的最后一步，把Cyt c的电子转移给O2，生成H2O。 一个大的酶复合物线粒体内膜上,13个亚基，Mr204000，作用是电子传递和质子泵。三个亚基对于功能至关重要。亚基II有2个Cu
32、离子CuA（与Cys的-SH相连)、2个血红素基团（分别为a1、a3）和另一个Cu离子（CuB）。 电子传递为：cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。 4 cyt c(reduced)+8H+N+O24 cyt c(oxidized)+4H+P+2H2O,复合物IV的电子流向,电子和质子通过呼吸链四个复合物流动的总结,电子从复合物I或II到达辅酶Q，承担了电子和质子的流动载体。再将电子传递给复合物III，后者将它们传递给流动的连接器细胞色素c。然后复合物IV由还原的
33、细胞色素c将电子传递给O2。电子流经复合物I、III和IV的过程伴随质子从基质流向膜外空间。 脂肪酸-氧化产生的电子也可以通过辅酶Q进入呼吸链。,呼吸链四个复合物的电子和质子流动,电子传递顺序的证据,1、从NADH到O2，每一电子传递体的氧化还原电势逐步增加。 -0.32 -0.06 0.00 +0.26 +0.28 +0.82 NAD+FP1CoQbc1 c aa3 O2 数值愈低（负值愈大、正值愈小），失去电子的倾向愈大，愈易成为还原剂而处于呼吸链的前面。电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物、都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙。,电子传递顺序的证据,2、用分离
34、的电子传递体重组，NADH可使NADH脱氢酶还原，但不能直接使cyt b、c或aa3还原。还原型NADH脱氢酶不能直接与cyt c起作用，必须经过辅酶Q和cyt b和c1后才能再与cyt c起作用。3、分离到的线粒体传递体复合物，在传递功能上都是有顺序地联在一起的。如cyt b、c1和一个铁-硫蛋白等。4、用分光光度法通过吸收光谱的变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化-还原状态。,电子传递的抑制剂,能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质为电子传递抑制剂。利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断某个传递过程，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，是研究电子传递顺序的有效的重要方法。1、鱼藤酮(
35、rotenone)、安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素(piericidin)，阻断电子由NADH向CoQ的传递。2、抗霉素A (antimycin A)，抑制b到c1的电子传递。3、氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等，阻断电子由cyt aa3到氧的传递。,决定电子载体顺序的方法,电子传递、质子梯度及ATP合成,呼吸链中ATP的产生,高能磷酸键的形成,生物氧化所释放的能量并不是完全以热量的形式散发，除一部分以热能形式用于维持体温外，其余部分则以高能磷酸键的形式转移和储存，一旦需要，则由ATP再水解释放能力供机体需要，以免浪费。异养生物体高能磷酸键的形成方式有两种：底物水平（底物）磷酸化、电子传递
36、水平（氧化）磷酸化。,底物水平磷酸化 （Substrate Level Phosphorylation),代谢物质分解过程中，底物分子因脱氢、脱水等作用，能量在分子内部重排（重新分布）形成高能磷酸酯键，并转移给ADP形成ATP。,高能磷酸键的形成及转移,底物水平磷酸化,ATP,ADP + Pi,氧化磷酸化（Oxidative Phosphorylation),生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP过程（磷酸化作用）两种作用的偶联反应。,高能磷酸键的形成及转移,氧化磷酸化（Coupled o
37、xidative phosphorylation),氧化磷酸化偶联的部位,磷氧比（P/O）,1940，S. Ochoa提出，代谢物脱下的氢经呼吸链氧化生成水，一对电子（2H）经呼吸链传递到O2生成水所产生的ATP分子的数目（即消耗1个原子氧所产生ATP的数目）称为磷氧比(P/O)。 代谢物脱下的2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成3ATP（P/O3），而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成2ATP（P/O2）。 现在普遍认为，2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时，生成2.5ATP；而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时，生成1.5ATP 。,影响氧化磷酸化作用的因素,（1）ADP-Pi、ATP的调
38、节作用 ADP/ATP 小，减缓、表现为抑制作用；ADP/ATP 大，加快、表现为促进作用.（2）激素的调节作用Thyroxine(+)Na+、K+-ATPase, 加快 ATPADP+Pi, ADP进入线粒体的数量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及产热增多甲状腺机能亢进(hyperthyroidism)，患者BMR(basal metabolic rate)增高。,影响氧化磷酸化作用的因素（续）,（3）抑制剂（inhibitors)的作用A. 解偶联剂uncoupler的作用2,4-dinitrophenol, DNP，解除偶联作用。B. 寡霉素oligomycin，抑制氧的利用和ATP的形成。C
39、. CO的作用，与还原型Cyt 氧化酶结合。D. CN-的作用，与氧化型Cyt 氧化酶结合，生成高铁Cyt 氧化酶,酶失活，电子不能传给O2，呼吸中断。E. 异巴比妥和鱼藤酮的作用，抑制FP1CoQ 的传递。F. Antimycin(antitoxin)A的作用，抑制Cyt bc的传递。G. 离子载体抑制剂（ionophores),解偶联剂的作用机理,pH为7时，DNP以解离形式存在，脂不溶性，不能过膜。,接受质子成为非解离形式，脂溶性，可过膜。,质子被带入膜内，打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用于ATP形成，P/O下降。,2，4-二硝基苯酚的作用机理,解偶联蛋白（Uncoupling prot
40、eins, UCPs),解偶联蛋白是线粒体内膜上参与机体产热的重要转运蛋白质。UCPs被激活时，形成质子通道，可引起线粒体内膜上的质子转运速度加快，使ATP合成依赖的线粒体内膜上的电化学梯度改变，氧化磷酸化被解偶联，不能合成ATP，产能转化为产热。UCPs被认为是参与能量代谢的重要靶蛋白。机体产热与能量平衡、代谢、体重调节有着密不可分的关系，推测UCPs可能与肥胖、胰岛素抵抗及糖尿病的发生发展相关。但对于UCPs生理功能的组织特异性及其主要的体内的调控因素仍不十分清楚。目前作为肥胖药物研究的靶蛋白非常热门。,Uncoupling Protein,An uncoupling protein (t
41、hermogenin，产热素) is produced in brown adipose tissue of newborn mammals and hibernating冬眠mammals. This protein of the inner mitochondrial membrane functions as a H+carrier. The uncoupling protein blocks development of a H+ electrochemical gradient, thereby stimulating respiration. DG of respiration i
42、s dissipated as heat. This non-shivering thermogenesis“（非战慄产热） is costly in terms of respiratory energy unavailable for ATP synthesis, but provides valuable warming of the organism.,苍术苷,影响氧化磷酸化和光合磷酸化作用的化合物,阿米妥,敌草隆,二环己基碳二亚胺,羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼,氧化磷酸化作用的机理 I,(1)化学偶联假说（chemical coupling hypothesis）， 认为电子传递和A
43、TP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个高能的共价中间物，被用于ATP的形成。 (2)构象偶联假说（conformational coupling hypothesis），认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化而形成一种高能形式，进一步使F0F1-ATP酶高能化，用于ATP的生成。,氧化磷酸化作用的机理 II,(3) 化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis），认为电子传递的结果把H+从线粒体内膜基质泵到膜外空间形成一个跨内膜的H+梯度，这种H+梯度渗透能（质子推动力，质力）用于驱动ATP的生成。由英国科学家P. Michell (1961) 提出，
44、获1978年诺贝尔化学奖 。,Chemiosmotic Hypothesis,电子传递的结果把H+从线粒体内膜基质泵到膜外空间，形成一个跨线粒体内膜的H+梯度，其中所含的化学渗透能正是促进ATP合成所需能量，这种能量被称为质子推动力或质力(Proton-motive force)。有三个实验事实支持这一假说的科学性：底物被氧化（琥珀酸生成延胡索酸）、O2被消耗、有ATP合成（依赖于可氧化底物和ADP和Pi）。,化学渗透假说模式图（Chemiosmotic hypothesis）,化学渗透假说示意图,化学渗透模型（Chemiosmotic Model),线粒体中电子传与ATP的合成偶联,阻断细胞
45、色素氧化酶到O2的电子传递，抑制呼吸和ATP合成,杀黑星菌素或寡霉素抑制ATP合成酶，阻断ATP合成和呼吸作用,ATP合成酶ATP synthase ,位于线粒体内膜的内表面，又称F1/F0-ATP合成酶。F1由5种亚基组成，为酶复合物的球状头部，也是活性中心，位于内膜基质表面。F0横贯内膜，含有质子通道，由4种亚基组成。茎部有寡霉素敏感蛋白（OSCP），有调节F0、F1的功能。,ATP合成酶,ATP合成酶及ATP合成,线粒体ATP合成酶复合物,F1复合物,F1结晶,ATP结合位点,ADP结合位点,侧视,俯视,线粒体ATP合成酶复合物（续）,F0F1结构,酵母F0F1结构,F0F1复合物结构,
46、能量的转移、贮存和利用,代谢物氧化最终都将能量转移给ADP形成ATP才能被生命活动所利用。ATP水解释放的能量除供机体活动外，有一部分能量可通过高能键的形式转移给肌酸生成磷酸肌酸(phosphocreatine),是肌肉及脑组织中的能量贮存形式。生物体内有诸多合成反应所需能量分子并非直接为ATP，如糖元合成所需能量物质为UTP，磷脂合成则需CTP，而蛋白质合成需要GTP。究其根源，这些高能化合物还是来源于ATP, ATP+NDPADP+NTP。,磷酸肌酸作为能量储存形式,能量的产生转移及利用,穿梭系统（Shuttle System),有些NADH是在胞液中产生的，而呼吸链位于线粒体的内膜上，线粒体的内膜对NADH不能透过，必须通过一定的转运机制才能保证底物分子脱下的H可以通过呼吸链递氢和递电子被彻底氧化，释放能量。这种转运机制即为穿梭系统，经过穿梭系统把胞液中的NADH转变为线粒体内的NADH等再经呼吸链被氧化。包括磷酸甘油穿梭、苹果酸-草酰乙酸穿梭。,磷酸甘油穿梭(Phosphoglycerol Shuttle),磷酸甘油穿梭,苹果酸-草酰乙酸穿梭（Malate-oxaloacetate shuttle),
