1、第 六 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,熱能,* 生物氧化的概念,注 意,嚴(yán)格的說，機(jī)體內(nèi)進(jìn)行的脫氫，加氧等氧化反應(yīng)總稱為生物氧化。按照生理意義不同可分為兩大類： 一類主要是將代謝物或藥物和毒物等通過氧化反應(yīng)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這類反應(yīng)不伴有ATP的生成； 另一類是糖、脂肪和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過氧化反應(yīng)進(jìn)行分解，生成H2O和CO2，同時(shí)伴有ATP生物能的生成，這類反應(yīng)進(jìn)行過程中細(xì)胞要攝取O2，釋放CO2

2、故又形象地稱之為細(xì)胞呼吸(cellular respiration)。我們平常說的生物氧化就是指這一類。,生物氧化中二氧化碳和水的生成,二氧化碳的生成 生物氧化中CO2的生成是由于糖、脂類、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的化合物進(jìn)行脫羧反應(yīng)所致。,水的生成,生物氧化作用主要是通過脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。 生物氧化中所生成的水是代謝物脫下的氫，經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合而成的。 所以生物體主要以生物氧化體系(由脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成)，促進(jìn)水的生成。,生物氧化與體外氧化之相同點(diǎn),生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)外氧化時(shí)所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO

3、2，H2O）和釋放能量均相同。,是在細(xì)胞內(nèi)溫和的環(huán)境中（體溫，pH接近中性），在一系列酶促反應(yīng)逐步進(jìn)行，能量逐步釋放有利于有利于機(jī)體捕獲能量，提高ATP生成的效率。 廣泛的加水脫氫反應(yīng)使物質(zhì)能間接獲得氧，并增加脫氫的機(jī)會(huì)與還原當(dāng)量；脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生H2O，有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2。,生物氧化與體外氧化之不同點(diǎn),生物氧化,體外氧化,能量是突然釋放的。 產(chǎn)生的CO2、H2O由物質(zhì)中的碳和氫直接與氧結(jié)合生成。,生物氧化的一般過程,代謝物在體內(nèi)的氧化可以分為三個(gè)階段 1.糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過分解代謝生成乙酰輔酶A中的乙?；?； 2.乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)脫氫，生成CO2并使NAD+和FAD還原成NAD

4、H+H+、FADH2； 3.NADH+H+和FADH2中的氫經(jīng)呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量用于ATP合成。 從廣義來講，上述三個(gè)階段均為生物氧化，狹義地說只有第三個(gè)階段才算是生物氧化，本章只討論第三個(gè)階段。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,1. 生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，中性pH和常溫）。 2. 氧化進(jìn)行過程中，必然伴隨還原反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。 3. 在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，

5、通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。,生物氧化的特點(diǎn),4. 生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。 5. 生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。,在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細(xì)胞中的氧化型物質(zhì)作為電子受體，將燃料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機(jī)物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機(jī)物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對(duì)NO3-、SO42-的利用)。,無氧氧化,有氧氧化 生物氧化在有氧

6、和無氧條件下都能進(jìn)行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因?yàn)橛醒跹趸紵耆?，產(chǎn)能多，所以，只要有氧氣存在，細(xì)胞都優(yōu)先進(jìn)行有氧氧化。,2010.10.13,第一節(jié) 生成ATP的氧化磷酸化體系The Oxidation System of ATP Producing,概念 代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶稱為呼吸鏈又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。,一、氧化呼吸鏈?zhǔn)且幌盗杏须娮觽鬟f功能的 氧化還原組分,組成 遞氫體和電子傳

7、遞體（相關(guān)的酶與輔助因子） 部位 在真核生物細(xì)胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上; 原核生物中，它位于細(xì)胞膜上。,注 意,糖類、脂肪、氨基酸等代謝物所含的氫，在一般情況下是不活潑的，必項(xiàng)通過相應(yīng)的脫氫酶將之激活后才能脫落。 進(jìn)人體內(nèi)的氧也必須經(jīng)過氧化酶激活后才能變?yōu)榛钚院芨叩难趸瘎?但激活的氧在一般情況下，尚不能直接氧化由脫氫酶激活而脫落的氫，兩者之間尚需傳遞才能結(jié)合生成水。,1967年，美國(guó)格林(Green)等實(shí)驗(yàn)室成功地在線粒體內(nèi)膜上分離到具有催化活性的四種酶復(fù)合物以及CoQ和Cytc。他們又將這四種復(fù)合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cyt c重組呼吸鏈，基本上恢復(fù)了線粒體原有的生物氧化

8、能力。 目前，呼吸鏈各組分的排列順序已基本明確，但仍有些不一致的看法，其中以CoQ至細(xì)胞色素C這一部分研究得還很不清楚，對(duì)于Fe-S和CoQ的定位和數(shù)量也有爭(zhēng)議。,蛋白質(zhì)-酶復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜氧化呼吸鏈的天然存在形式，所含各組分具體完成電子傳遞過程。復(fù)合體、鑲嵌在內(nèi)膜中；鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。 電子傳遞過程釋放的能量驅(qū)動(dòng)H+移出線粒體內(nèi)膜，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐑?nèi)膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸鏈由4種具有傳遞電子能力的(酶)復(fù)合體組成,人線粒體呼吸鏈復(fù)合體,泛醌和細(xì)胞色素c不包含在上述四種復(fù)合體中。,呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置,Cytc,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),線粒體內(nèi)膜,復(fù)合體

9、又稱NADH-泛醌還原酶。 復(fù)合體電子傳遞： NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ 每傳遞2個(gè)電子可將4個(gè)H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵到胞漿側(cè)，復(fù)合體有質(zhì)子泵功能。,1、復(fù)合體作用是將NADH+H+中的電子傳遞給泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu),NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變,氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。可同時(shí)傳遞氫和電子,屬于雙電子傳遞體。 R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN。在可逆的氧化還原反應(yīng)中顯示3種分子狀態(tài)，可同時(shí)傳遞氫

10、和電子，屬于單、雙電子傳遞體。,鐵硫蛋白中輔基鐵硫中心(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中一個(gè)鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e -反應(yīng)傳遞電子。屬于單電子傳遞體。, 表示無機(jī)硫,注意：不能直接傳遞氫和質(zhì)子。,復(fù)合體I中含7個(gè)鐵硫中心共20-26個(gè)鐵原子，最終將FMNH2的電子傳給泛醌。,鐵硫蛋白,泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。內(nèi)膜中可自由擴(kuò)散，是可移動(dòng)電子載體，由于可同時(shí)傳遞氫和電子，所以在各復(fù)合體間募集并穿梭傳遞還原當(dāng)量和電子。在電子傳遞和質(zhì)子移動(dòng)的偶聯(lián)中起著核心作用。屬于單、雙電子傳遞體。,復(fù)

11、合體的功能,2010.10.18,復(fù)合體是三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-泛醌還原酶。 電子傳遞：琥珀酸FAD幾種Fe-S CoQ,2、復(fù)合體功能是將電子從琥珀酸傳遞到泛醌,復(fù)合體沒有H+泵的功能。,3、復(fù)合體功能是將電子從還原型泛醌傳遞給細(xì)胞色素C,復(fù)合體又叫泛醌-細(xì)胞色素C還原酶或細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體(人)，含有細(xì)胞色素b(b562, b566)、細(xì)胞色素c1和一種可移動(dòng)的鐵硫蛋白(rieske protein)。 泛醌從復(fù)合體、接受還原當(dāng)量和電子并穿梭傳遞到復(fù)合體。,電子傳遞過程：,CoQH2(Cyt b562Cyt b566) Fe-S Cytc1Cytc,概念：細(xì)胞色素（c

12、yt）是一類以鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。 分類：各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同，據(jù)此分為細(xì)胞色素a, b, c 等，每類中又可分多個(gè)亞類。 功能：細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的,為單電子傳遞體。 有時(shí)還需銅離子的參與。 注意：1.均為線粒體呼吸鏈。 2.不能直接傳遞氫和質(zhì)子。,細(xì) 胞 色 素,補(bǔ)充材料：,1926年Keilin首次使用分光鏡觀察昆蟲飛翔肌振動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有特殊的吸收光譜，因此把細(xì)胞內(nèi)的吸光物質(zhì)定名為細(xì)胞色素。 細(xì)胞色素是一類含有鐵卟啉輔基的色蛋白，屬于遞電子體。線粒體內(nèi)膜中有細(xì)胞色素b、c1、c、aa3，肝、腎等組

13、織的微粒體中有細(xì)胞色素P450。 細(xì)胞色素b、c1、c為紅色細(xì)胞素，細(xì)胞色素aa3為綠色細(xì)胞素。 不同的細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，不但其酶蛋白結(jié)構(gòu)不同，輔基的結(jié)構(gòu)也有一些差異。,復(fù)合體的電子傳遞通過“Q循環(huán)”實(shí)現(xiàn)。 復(fù)合體每傳遞2個(gè)電子向內(nèi)膜胞漿側(cè)釋放4個(gè)H+，復(fù)合體也有質(zhì)子泵作用。,補(bǔ)充材料 Q循環(huán),復(fù)合物的電子傳遞比較復(fù)雜，和“Q循環(huán)”有關(guān)。 輔酶Q能在膜中自由擴(kuò)散，在內(nèi)膜C側(cè)，還原型輔酶Q（氫醌） 將一個(gè)電子交給Fe-S細(xì)胞色素c1細(xì)胞色素c，被氧化為半醌，并將一個(gè)質(zhì)子釋放到膜間隙，半醌將電子交給細(xì)胞色素b566b562，釋放另外一個(gè)質(zhì)子到膜間隙。 細(xì)胞色素b566得到的電子為循環(huán)電子

14、，傳遞路線為：半醌b566b562輔酶Q。在內(nèi)膜M側(cè)，輔酶Q可被復(fù)合體（復(fù)合體）或細(xì)胞色素b562還原為氫醌。一對(duì)電子由輔酶Q到復(fù)合物的電子傳遞過程中，共有四個(gè)質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙，其中兩個(gè)質(zhì)子是輔酶Q轉(zhuǎn)移的。 用簡(jiǎn)單的話說，Q是接受呼吸鏈傳耒的電子，然后從基質(zhì)里拿倆氫離子，傳出去，再循環(huán)往復(fù)。,細(xì)胞色素c,細(xì)胞色素c為一外周蛋白，位于線粒體內(nèi)膜的外側(cè)。細(xì)胞色素C比較容易分離提純，其結(jié)構(gòu)已清楚。 Cyt c是呼吸鏈唯一水溶性球狀蛋白，不包含在復(fù)合體中。將獲得的電子傳遞到復(fù)合體。 哺乳動(dòng)物的Cyt c由104個(gè)氨基酸殘基組成，并從進(jìn)化的角度作了許多研究。Cyt c的輔基血紅素(亞鐵原卟啉)通過共價(jià)

15、鍵(硫醚鍵)與酶蛋白相連，其余各種細(xì)胞色素中輔基與酶蛋白均通過非共價(jià)鍵結(jié)合。,復(fù)合體又稱細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 Cyt a3CuB形成活性雙核中心，將電子傳遞給O2。每2個(gè)電子傳遞過程使2個(gè)H+跨內(nèi)膜向胞漿側(cè)轉(zhuǎn)移 。,4、復(fù)合體將電子從細(xì)胞色素C傳遞給氧,電子傳遞：,Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位將電子交給O2。,復(fù)合體的電子傳遞過程,細(xì)胞色素a和a3,細(xì)胞色素a和a3不易分開，統(tǒng)稱為細(xì)胞色素aa3。 細(xì)胞色素aa3可將電子直接傳遞給氧，因此又稱為細(xì)胞色素氧化酶。,鐵卟啉輔基可有Fe2+Fe3+

16、e的互變，因此起到傳遞電子的作用。 鐵原子可以和酶蛋白及卟啉環(huán)形成6個(gè)配位鍵。細(xì)胞色素aa3和P450輔基中的鐵原子只形成5個(gè)配位鍵，還能與氧再形成一個(gè)配位鍵，將電子直接傳遞給氧，也可與CO、氰化物、H2S或疊氮化合物形成一個(gè)配位鍵。細(xì)胞色素aa3與氰化物結(jié)合就阻斷了整個(gè)呼吸鏈的電子傳遞，引起氰化物中毒。,標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 拆開和重組 特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧,（二）氧化呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高的順序排列,由以下實(shí)驗(yàn)確定:,呼吸鏈中各種氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位,可以這樣認(rèn)為：,質(zhì)子或電子是按照氧化還原電位在一系列輔助因子中傳遞，最終激活氧生成水。而酶(酶蛋白)就是催化

17、質(zhì)子或電子與輔助因子的結(jié)合或解離，即在不同輔助因子間的轉(zhuǎn)移。 因此，狹義的呼吸鏈(電子傳遞鏈)的組成僅有這些輔助因子即可！,接受還原性輔酶上的氫原子對(duì)(2H+2e)，并將電子對(duì)順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負(fù)離子(O2-)與質(zhì)子對(duì)(2H+)結(jié)合，生成水。 電子對(duì)在傳遞過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動(dòng)ADP和無機(jī)磷發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成ATP。,呼吸鏈的作用,細(xì)胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心有強(qiáng)氧化性中間物始終和雙核中心緊密結(jié)合，不會(huì)引起細(xì)胞損傷，并最終使O2還原成H2O。,2H,H2O,1. NADH氧化呼吸鏈 NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈

18、琥珀酸 復(fù)合體 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2,NADH氧化呼吸鏈,FADH2氧化呼吸鏈,注意：此呼吸鏈成分的排列順序是以輔助因子為主。目前多 采用。,電子傳遞鏈與電子遷移方向,二、氧化磷酸化將氧化呼吸鏈釋能與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián),氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation)與脫氫反應(yīng)偶聯(lián)，生成底物分子的高能鍵，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的過程。不經(jīng)電子傳遞。,ATP生成方式,（一）氧化磷酸

19、化偶聯(lián)部位在復(fù)合體、 、內(nèi),根據(jù)P/O比值 自由能變化: G = -nFE,氧化磷酸化偶聯(lián)部位：復(fù)合體、,線,粒,體,離,體,實(shí),驗(yàn),測(cè),得,的,一,些,底,物,的,P/O,比,值,底,物,呼,吸,鏈,的,組,成,P/O,比,值,可,能,生,成,的,ATP,數(shù),-,羥,丁,酸,NAD,+,復(fù),合,體,CoQ,復(fù),合,體,2.5,2.5,Cyt,c,復(fù),合,體,O,2,琥,珀,酸,復(fù),合,體,CoQ,復(fù),合,體,1.5 1.5,Cyt,c,復(fù),合,體,O,2,抗,壞,血,酸,Cyt,c,復(fù),合,體,O,2,0.88,1,細(xì),胞,色,素,c (Fe,2+,),復(fù),合,體,O,2,0.61-0.68

20、,1,1、P/O 比值,指氧化磷酸化過程中，每消耗1/2摩爾O2所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對(duì)電子通過氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。,2、自由能變化,n為傳遞電子數(shù)；F為法拉第常數(shù) (96.5kJ/molV), G0= -nF E0,根據(jù)熱力學(xué)公式，pH7.0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化 ( G0)與還原電位變化 ( E0)之間有以下關(guān)系：,電子傳遞鏈自由能變化,ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方，例如，NADH呼吸鏈E0值在三個(gè)部位有大的“跳動(dòng)”，基本在0.2伏以上。,氧化磷酸化偶聯(lián)部位,09.10.14,(二)氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制是產(chǎn)生跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度,化學(xué)滲透假說(chemios

21、motic hypothesis),電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。,歷 史,英國(guó)生物化學(xué)家P.Mitchell 于1961年提出了化學(xué)滲透偶聯(lián)假說（chemiosmotic coupling hypothesis）解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理。該學(xué)說認(rèn)為：在電子傳遞過程中， 伴隨著質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜的里層向外層轉(zhuǎn)移， 形成跨膜的氫離子梯度，這種勢(shì)能驅(qū)動(dòng)了氧化磷酸化反應(yīng)（提供了動(dòng)力）， 合成了ATP.這一學(xué)說具有大量的實(shí)驗(yàn)支持，得到公認(rèn)并獲得了1978年諾貝爾獎(jiǎng)?；瘜W(xué)滲透學(xué)說可

22、以很好地說明線粒體內(nèi)膜中電子傳遞、質(zhì)子電化學(xué)梯度建立、ADP磷酸化的關(guān)系。,氧化磷酸化依賴于完整封閉的線粒體內(nèi)膜； 線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH、K、Cl離子是不通透的； 電子傳遞鏈可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子移出線粒體，形成可測(cè)定的跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度； 增加線粒體內(nèi)膜外側(cè)酸性可導(dǎo)致ATP合成，而線粒體內(nèi)膜加入使質(zhì)子通過物質(zhì)可減少內(nèi)膜質(zhì)子梯度，結(jié)果電子雖可以傳遞，但ATP生成減少。,化學(xué)滲透假說已經(jīng)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。,化學(xué)滲透假說簡(jiǎn)單示意圖,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),電子傳遞過程復(fù)合體 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有質(zhì)子泵功能。,（三）質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：親水部分 （動(dòng)物：

23、33亞基復(fù)合體，OSCP、IF1 亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道 。,ATP合酶結(jié)構(gòu)組成,OSCP:寡霉素敏感蛋白,a、b2和33、亞基組成穩(wěn)定的定子部分,c亞基環(huán)、和亞基組成轉(zhuǎn)子部分,F0的2個(gè)b亞基的一端錨定F1的亞基，另一端通過和33穩(wěn)固結(jié)合，使a、b2和33、亞基組成穩(wěn)定的定子部分。 部分和亞基共同形成穿過33間中軸，還與1個(gè)亞基疏松結(jié)合作用，下端與嵌入內(nèi)膜的c亞基環(huán)緊密結(jié)合。c亞基環(huán)、和亞基組成轉(zhuǎn)子部分。 質(zhì)子順梯度向基質(zhì)回流時(shí)，轉(zhuǎn)子部分相對(duì)定子部分旋轉(zhuǎn)，使AT

24、P合酶利用釋放的能量合成ATP。,F1-ATP合酶作用機(jī)理,F1是酶的膜外部分，3個(gè)亞基與3個(gè)亞基交替排列，形成一個(gè)對(duì)稱的橘瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。 F0嵌在膜上，a亞基和b亞基二聚體排列在12個(gè)c亞基形成的環(huán)的外側(cè)。 F0和F1主要由b和等幾個(gè)小亞基組在一側(cè)連接起來。 c亞基環(huán)、和亞基組成轉(zhuǎn)子部分。 和亞基組成的位于酶的中央部位,類似于“軸”。 a、b和33、亞基組成穩(wěn)定的定子部分。,簡(jiǎn)單說：,ab33組成了“定子（stator）” c組成“轉(zhuǎn)子（rotor）” 當(dāng)H+質(zhì)子穿過a和c之間的通道時(shí)產(chǎn)生了力矩，從而推動(dòng)了轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在F1中合成了ATP. ATP合酶組成可旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)樣結(jié)構(gòu),結(jié)

25、合變構(gòu)模型（binding-change model）,ATP合酶合成ATP的分子機(jī)理的研究一直是研究的熱點(diǎn)， 為多數(shù)人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“結(jié)合變構(gòu)模型”。 該模型認(rèn)為F1中的亞基作為C亞基旋轉(zhuǎn)中心中固定的轉(zhuǎn)動(dòng)桿， 旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起復(fù)合物構(gòu)型的改變。有三種不同的構(gòu)型，對(duì)ATP和ADP具有不同的結(jié)合能力： O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結(jié)合； L型同ADP和Pi的結(jié)合較強(qiáng)； T型與ADP和Pi的結(jié)合很緊，能自動(dòng)形成ATP，并能與ATP牢牢結(jié)合。當(dāng)亞基旋轉(zhuǎn)并將復(fù)合物轉(zhuǎn)變成O型則會(huì)釋放ATP（見圖）。,美國(guó)Boyer（1989）提提出了結(jié)合變構(gòu)模型來解釋ATP合成過程，并因此于1997

26、年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,Paul D Boyer,當(dāng)H+順濃度遞度經(jīng)F0中a亞基和c亞基之間回流時(shí)，亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。,ATP合酶的工作機(jī)制,ATP合成的結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(binding change mechanism),三、氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素影響,（一）有3類氧化磷酸化抑制劑,1、呼吸鏈抑制劑阻斷氧化磷酸化的電子傳遞過程,復(fù)合體抑制劑：魚藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌 。 復(fù)合體的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。,復(fù)合體抑制劑：抗霉素A(antimycin A)阻斷C

27、yt bH傳遞電子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)。 復(fù)合體 抑制劑：CN、N3緊密結(jié)合中氧化型Cyt a3，阻斷電子由Cyt a到CuB- Cyt a3間傳遞。CO與還原型Cyt a3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。,魚藤酮 粉蝶霉素A 異戊巴比妥,抗霉素A 二巰基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn),2、解偶聯(lián)劑破壞電子傳遞建立的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度,解偶聯(lián)劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯(lián)相互分離，基本作用機(jī)制是破壞電子傳遞過程建立的跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，使電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量以熱能形式釋放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitr

28、ophenol, DNP) ；解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,不同底物和抑制劑對(duì)線粒體氧耗的影響,解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制（棕色脂肪組織線粒體）,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),解偶聯(lián) 蛋白,3、ATP合酶抑制劑同時(shí)抑制電子傳遞和ATP的生成,這類抑制劑對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可結(jié)合F0單位，二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共價(jià)結(jié)合F0的c亞基谷氨酸殘基，阻斷質(zhì)子從F0質(zhì)子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度增高影響呼吸鏈質(zhì)子泵的功能，繼而抑制電子傳遞。,

29、寡霉素(oligomycin),寡霉素,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成。,Na+，K+ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加。,（二）ADP 是調(diào)節(jié)正常人體氧化磷酸化速率的主要因素。,呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR),（三）甲狀腺激素刺激機(jī)體耗氧量和產(chǎn)熱同時(shí)增加。,（四）線粒體DNA(mtDNA)突變可影響機(jī)體氧化磷酸 化功能。,電子傳遞鏈及氧化磷酸化系統(tǒng)概貌,H+ 跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；H+m內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)H+；H+c 內(nèi)膜胞液側(cè)H+,四、ATP在能量的生成、利用、轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存中起核心作用,高能磷酸化合物 含有高能磷酸鍵的化合物。 高能磷酸鍵 水解時(shí)釋放的能量大于21kJ/mol的磷酸酯鍵