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1、 第八章第八章 生物氧化生物氧化 （ Biologic Oxidation ）2015-06-092015-06-09營養(yǎng)物質營養(yǎng)物質基本單位基本單位糖原糖原葡萄糖葡萄糖脂肪脂肪脂肪酸脂肪酸蛋白質蛋白質氨基酸氨基酸CO22HH2O呼吸鏈呼吸鏈ADP+Pi ATP階段階段 乙酰乙酰CoACoA階段階段階段階段 TAC 線粒體線粒體 呼吸鏈 呼吸鏈最重要的功能是傳遞電子和質子，同呼吸鏈最重要的功能是傳遞電子和質子，同時合成時合成ATP。生物氧化的特點及其酶類生物氧化的特點及其酶類一、特點一、特點二、二、CO2的生成的生成由物質代謝產生的有機酸脫羧產生。由物質代謝產生的有機酸脫羧產生。方式：方式：C
2、OOHCHR氨基酸氨基酸H2N胺胺 HCHRH2NCO2氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶NAD+ NADH+H+丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系HS-CoA +COOHC=OCH 3丙酮酸丙酮酸CH3COSCoA +CO2乙酰輔酶乙酰輔酶A丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶COOHC=OCH 3CH2草酰乙酸草酰乙酸COOHC=OCH 3+CO2丙酮酸丙酮酸2. -氧化脫羧氧化脫羧：NADP+ NADPH+H+蘋果酸酶蘋果酸酶+CO2COOHC=OCH 3丙酮酸丙酮酸COOH CH-OH COOHCH2蘋果蘋果酸酸三、生物氧化的酶類三、生物氧化的酶類H2OSH2 2Cu 2+(2Fe 3+) 2eS 2Cu+(2F
3、e2+)O2212eO2-2H+ 特點特點 直接激活氧分子直接激活氧分子 通常為含通常為含CuCu2+2+ 和和FeFe3+3+的結合蛋白質的結合蛋白質 （二）脫氫酶（二）脫氫酶1. 需氧脫氫酶需氧脫氫酶(aerobic dehydrogenase) SFMNH2或或FADH2SH2 FMN或或 FAD2HO2H2O22H 特點特點 輔基為輔基為FMNFMN或或 FADFAD 產物為產物為H H2 2O O2 2 如黃嘌呤氧化酶、單胺氧化酶等如黃嘌呤氧化酶、單胺氧化酶等 2. 不不需氧脫氫酶需氧脫氫酶(anaerobic dehydrogenase) FMNH2或或FADH2 （NADH+H+
4、或或 NADPH+H+）S2H遞氫體遞氫體SH2 FMN或或 FAD （NAD+或或 NADP+）2H2H遞氫體遞氫體-2H-2HO221H2O特點：特點： 輔酶或輔基為輔酶或輔基為FMN( NADHFMN( NADH脫氫酶脫氫酶) )或或 FAD(FAD(琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶) )、NADNAD+ +( (乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶) )或或 NADPNADP+ + ( (葡萄糖葡萄糖-6-6-磷羧脫氫酶磷羧脫氫酶); ); 是生物氧化最主要的酶類是生物氧化最主要的酶類 功用：呼吸鏈組分或受氫體功用：呼吸鏈組分或受氫體、 （三）加氧酶（三）加氧酶(oxygenase)催化向底物加催化向底物加氧
5、原子或氧分子氧原子或氧分子的酶類，主要存在于微粒體。的酶類，主要存在于微粒體。 1. 1. 加單氧酶加單氧酶(monooxygenase): (monooxygenase): 催化氧分子中的一個氧原子加進底物分子，催化氧分子中的一個氧原子加進底物分子，另一個氧原子被還原生成水，又稱羥化酶另一個氧原子被還原生成水，又稱羥化酶(hydroxylase)(hydroxylase)、混合功能氧化酶、混合功能氧化酶(mixed function (mixed function oxidase)oxidase)。RH+O2+NADPH+H+ ROH+NADP+H2O加單氧酶加單氧酶CytP4502. 加雙
6、氧酶加雙氧酶(dioxygenase): 催化向底物分子中加進兩個氧原子，催化向底物分子中加進兩個氧原子，又稱氧轉移酶又稱氧轉移酶(oxygen transferase)。色氨酸加雙氧酶色氨酸加雙氧酶O2NHCH2CH-COOHNH2色氨酸色氨酸NH-C-HC-CH2CH-COOHNH2OON-N-甲酰犬尿氨酸甲酰犬尿氨酸 （三）氫過氧化物酶（三）氫過氧化物酶(hydroperoxidase)(hydroperoxidase)1.1.過氧化物酶（過氧化物酶（peroxidaseperoxidase）GSH過氧化物酶過氧化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+
7、H+ NADP+ GSH 有抗氧化劑的作用，可還原細胞產生的有抗氧化劑的作用，可還原細胞產生的H2O22. 2. 過氧化氫酶（觸酶，過氧化氫酶（觸酶，catalasecatalase）2H2O2 過氧化氫酶過氧化氫酶2H2O O2+ +(The Oxidation System of ATP Producing)一、線粒體內膜的轉運作用一、線粒體內膜的轉運作用（一）線粒體的結構（一）線粒體的結構（structure of mitochondria)structure of mitochondria)（二）（二） 線粒體外線粒體外NADH的轉運的轉運1. 蘋果酸蘋果酸-天冬酸穿梭作用（天冬酸穿梭
8、作用（malate-aspartate shuttle） 可生成可生成2.5分子分子ATP 主要存在于肝和心肌主要存在于肝和心肌2. -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle） 可生成可生成1.5分子分子ATP 主要存在于腦和骨骼肌主要存在于腦和骨骼肌蘋果酸蘋果酸-天冬酸穿梭天冬酸穿梭：酸性氨基酸載體；：酸性氨基酸載體；：-酮戊二酸載體；酮戊二酸載體； ：天冬氨酸轉氨酶；：蘋果酸脫氫酶：天冬氨酸轉氨酶；：蘋果酸脫氫酶 內膜內膜 外膜外膜膜間隙膜間隙 基質基質磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶 琥珀酸琥珀
9、酸氧化氧化呼吸鏈呼吸鏈 磷酸二磷酸二羥丙酮羥丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 NADH+H+ -磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶磷酸二磷酸二羥丙酮羥丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 二、氧化呼吸鏈二、氧化呼吸鏈(oxidative respiratory chain) 線粒體內膜中由一系列電子傳遞復合體按線粒體內膜中由一系列電子傳遞復合體按一定順序排列成的鏈鎖性氧化還原體系稱為一定順序排列成的鏈鎖性氧化還原體系稱為氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈, ,又稱又稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈(electrotranfer chain).(electrotranfer chain).氧化呼吸鏈各傳遞體排列順序：氧化呼吸鏈各傳遞體排列順序：
10、1. 復合體復合體I（NADH-泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶, NADHubiquinone oxidoreductase) “L”型型豎臂豎臂(vertical arm): 突入基質突入基質;含含NADH脫氫酶脫氫酶(輔基輔基FMN)、 鐵硫蛋白鐵硫蛋白(2Fe-2S)臥臂臥臂(horizontal arm): 內膜中內膜中;含鐵硫蛋白含鐵硫蛋白(4Fe-4S)與內膜中與內膜中Q/QH2池接觸池接觸(1) 結構：結構：“L”型型輔基遞電子的機理輔基遞電子的機理 FMN或或FAD中的異咯嗪接受中的異咯嗪接受1e、1個個H+成半醌型成半醌型FMN 或或FAD，再接受，再接受1個個e、1個個H+成
11、成還原型還原型FMN或或FAD 。 氧化型氧化型FMN或或FAD還原型還原型FMN或或FAD半醌型半醌型FMN或或FADFe泛醌（輔酶泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）R：脂溶性多異戊烯側鏈，即：脂溶性多異戊烯側鏈，即 -(CH2-CH=C-CH2)nH，在人體，在人體n=10 CH3泛醌的氧化還原反應泛醌的氧化還原反應經經FMN、2Fe-2S、Q、4Fe-4S傳遞傳遞NADH+H+的的兩個電子到兩個電子到Q，使之攝取基質，使之攝取基質2個個H+轉變?yōu)檗D變?yōu)镼H2。(2) (2) 復合體復合體I I傳遞電子的機理傳遞電子的機理2. 2. 復合體復合體（琥珀酸（琥珀酸泛醌氧化還原酶，泛醌氧化還原酶，
12、 succinate-ubiquinone oxidoreductasesuccinate-ubiquinone oxidoreductase）(1) (1) 結構：結構：從基質鑲嵌入內膜的酶蛋白從基質鑲嵌入內膜的酶蛋白( (輔基輔基FADFAD、鐵硫蛋白、鐵硫蛋白) )(2) (2) 功能：功能： 催化琥珀酸脫氫，交給催化琥珀酸脫氫，交給FAD變?yōu)樽優(yōu)镕ADH2，后者經鐵硫蛋白，后者經鐵硫蛋白 遞氫給遞氫給Q，生成，生成QH2。 經經-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭生成的生成的FADH2，也在此，也在此 遞氫給遞氫給Q生成生成QH2。3. 復合體復合體（泛醌（泛醌細胞色素氧化還原酶細胞色素氧化還原
13、酶（ubiquinone- cytochrome oxidoredutaseubiquinone- cytochrome oxidoredutase）(1) (1) 結構：結構： 同二聚體跨膜酶蛋白同二聚體跨膜酶蛋白 組分：組分： Cyt b562(bH)Cyt b562(bH) Cyt b566(bL) Cyt b566(bL) Cyt c1(b1) Cyt c1(b1) 2Fe-2S 2Fe-2S QH2 QH2結合位點（結合位點（QoQo） Q Q結合位點（結合位點（QiQi）輔基輔基 在內膜外表面可移動的親水性球蛋白在內膜外表面可移動的親水性球蛋白 單肽鏈單肽鏈, ,分子量分子量 13
14、 KDa 輔基血紅素輔基血紅素C C 單電子傳遞體單電子傳遞體 Cyt C：Fe3+ + e Fe2+ Q循環(huán)循環(huán)：復合體復合體III把把2分子分子QH2的的2個個e傳給傳給CytC ，另另2個個e傳給傳給Q生成生成1分子分子Q和和1分子分子QH2，并偶聯(lián)泵出，并偶聯(lián)泵出 4個個H+到膜間隙的過程。到膜間隙的過程。(2) 功能：功能：通過通過Q循環(huán)循環(huán)傳遞電子、泵出質子傳遞電子、泵出質子3.3.復合體復合體IV(IV(細胞色素細胞色素C C氧化酶氧化酶,Cytochorome c oxidase),Cytochorome c oxidase)(1) 結構：結構： 13個亞基組成的跨膜酶蛋白；亞
15、基個亞基組成的跨膜酶蛋白；亞基I、II、 為功能所必需；為功能所必需； I：Cyta、Cyta3-CuB2+活性中心活性中心, II ：2個個CuA2+組成的銅中心，組成的銅中心， ：結構不詳；：結構不詳；4Cyt c4e 銅中心傳遞銅中心傳遞4個個Cyt C的的4e給給4個個Cyt a 4個個Cyt a再傳此再傳此4e到到Cyt a3-CuB2+中心，使中心，使1個個O2還原為還原為2個個O2- ，結合，結合4H+生成生成 2H2O，同時把基質中，同時把基質中4H+泵入膜間隙。泵入膜間隙。 1QH2只能傳只能傳2e，故上述過程只生成，故上述過程只生成1H2O，泵出，泵出2個個H+(2) ：功
16、能功能 復合體復合體把把4個個Cyt c傳來的傳來的4個個e給給O2生成生成2H2O，并把并把4H+由基質泵出到膜間隙。由基質泵出到膜間隙。 過程：過程：5. 質子泵（質子泵（proton pump）： 氧化呼吸鏈中在傳遞電子的同時氧化呼吸鏈中在傳遞電子的同時能能把質子從基質泵出到膜間隙的電子傳遞把質子從基質泵出到膜間隙的電子傳遞復合體，有復合體復合體，有復合體、。酶復合體酶復合體分子分子(kD) 亞基亞基 輔酶輔酶/輔基輔基 主要功能主要功能復合體復合體(NADH-泛醌氧泛醌氧 化還原酶化還原酶)1000 40 FMN、Fe-S傳遞傳遞NADH+H+中中2個個e到到Q，并由基質向膜間隙泵出并
17、由基質向膜間隙泵出4個個H+復合體復合體(琥珀酸琥珀酸-泛醌氧泛醌氧 化還原酶化還原酶)140 4 FAD、Fe-S傳遞琥珀酸中傳遞琥珀酸中2個電子、個電子、2個個質子到質子到Q復合體復合體(泛醌泛醌-細胞色素細胞色素 氧化還原酶氧化還原酶)250 11 血紅素血紅素bH、bL、c1 Fe-S通過通過Q循環(huán)傳遞循環(huán)傳遞QH2中中2個個e到到細胞色素細胞色素C，并把，并把4H+ 由由基質泵出到膜間隙基質泵出到膜間隙 細胞色素細胞色素C*13 1 血紅素血紅素C傳遞復合體傳遞復合體中中2個電子到復個電子到復合體合體復合體復合體(細胞色素細胞色素C氧氧 化酶化酶)200 13 血紅素血紅素a、a3
18、CuA2+、CuB2+把把4個個Cyt c傳來的傳來的4個個e轉交給轉交給O2，在攝取基質中，在攝取基質中4H+與與O2生成生成2H2O的同時，把的同時，把基質中另外基質中另外4H+ 泵出到膜泵出到膜間隙間隙哺乳動物氧化呼吸鏈的組成及功能哺乳動物氧化呼吸鏈的組成及功能 （二）氧化呼吸鏈各傳遞體排列順序：（二）氧化呼吸鏈各傳遞體排列順序：由以下實驗確定由以下實驗確定: 標準氧化還原電位標準氧化還原電位 ; 拆開和重組拆開和重組; 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷; 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧1. NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈每對氫通過此呼吸鏈生成每對氫通過此呼吸鏈生成 2.5mol
19、 ATP;又稱主要呼吸鏈又稱主要呼吸鏈;以以NADH的方式進入的方式進入;NADH復合體復合體 Q 復合體復合體 Cyt c 復合體復合體 O22. 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸復合體復合體 Q 復合體復合體 Cyt c 復合體復合體 O2 三、氧化磷酸化（三、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 概念概念 營養(yǎng)物質脫氫生成的營養(yǎng)物質脫氫生成的NADH+H+或或FADH2，經氧化呼吸鏈，經氧化呼吸鏈傳遞電子、泵出質子形成質子梯度而蘊藏的電化學勢能，被傳遞電子、泵出質子形成質子梯度而蘊藏的電化學勢能，被ADP利用、磷酸化生成利用、磷酸化生成AT
20、P的過程，的過程，是體內生成是體內生成ATPATP的主要方式。的主要方式。底物水平磷酸化底物水平磷酸化 底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP（或（或GDP）磷酸化生成）磷酸化生成ATP（或（或GTP）的）的 過程。過程。氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈氧化釋能氧化釋能和和ADP磷酸化儲能磷酸化儲能的偶聯(lián)的偶聯(lián)實質實質（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位（一）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位線線粒粒體體離離體體實實驗驗測測得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼 吸吸鏈鏈 組組成成P/O 比比 值值生生成成 ATP 數(shù)數(shù)-羥羥丁丁酸酸NAD + 復復合合體體CoQ
21、 復復合合體體2.42.8 2.5Cytc復復合合體體O2琥琥珀珀酸酸復復合合體體CoQ 復復合合體體1.7 1.5Cytc復復合合體體O2抗抗壞壞血血酸酸Cytc復復合合體體O20.88 1細細胞胞色色素素復復合合體體O20.61 -0.68 1ATPATP ATP 氧化磷酸化偶聯(lián)部位氧化磷酸化偶聯(lián)部位電子傳遞鏈自由能變化電子傳遞鏈自由能變化 氧化磷酸化中每消耗氧化磷酸化中每消耗1mol氧原子時，所氧原子時，所消耗無機磷的摩爾數(shù)，表示氧化呼吸鏈產生消耗無機磷的摩爾數(shù)，表示氧化呼吸鏈產生ATP的效率（或者產生幾個的效率（或者產生幾個ATP）。）。磷氧比值（磷氧比值（P/O）第三節(jié)第三節(jié) 非供能
22、氧化體系非供能氧化體系RH+O2+NADPH+H+ ROH+NADP+H2O羥化酶羥化酶 NADP-細胞色素還原酶細胞色素還原酶 細胞色素細胞色素P450 鐵氧還蛋白鐵氧還蛋白組成組成參與類固醇激素、膽汁酸等生物合成及生物轉化參與類固醇激素、膽汁酸等生物合成及生物轉化催化發(fā)應催化發(fā)應功能功能細胞色素細胞色素P450循環(huán)循環(huán) 二、二、超氧陰離子超氧陰離子自由基等活性氧的產生與消除自由基等活性氧的產生與消除（一）概念：（一）概念：1. 自由基（自由基（free radical）： 帶未成對電子的原子帶未成對電子的原子、分子或基團分子或基團, 如超氧陰離子如超氧陰離子自由基自由基(O2-. ) 、羥
23、自由基羥自由基(HO. ) 、烷自由基烷自由基(RO. ) 、脂質過氧化自由基脂質過氧化自由基(LOO. )等。等。2. 活性氧（活性氧（reactive oxygen species, ROS）：）： 由氧不完全還原反應所產生的含氧化合物由氧不完全還原反應所產生的含氧化合物,主要主要有有O2-. 、HO、單線態(tài)氧（、單線態(tài)氧（1O2）、）、H2O2等。等。（二）體內（二）體內O2-. 等的產生、影響及消除：等的產生、影響及消除：體內體內O2-. 細菌感染細菌感染(刺激巨噬細胞、刺激巨噬細胞、微粒體、線粒體微粒體、線粒體胞漿酶系胞漿酶系(需氧脫氫酶需氧脫氫酶) 中性粒細胞等中性粒細胞等) 生理
24、量生理量參與生物轉化、需氧參與生物轉化、需氧脫氫反應、殺菌作用等脫氫反應、殺菌作用等 過量過量破壞不飽和脂肪酸、破壞不飽和脂肪酸、含含-SH基酶及蛋白、基酶及蛋白、DNA變性、突變等變性、突變等 酶性消除：酶性消除： SOD/過氧化氫酶過氧化氫酶/ 過氧化物酶過氧化物酶 抗氧化物：抗氧化物： VitE/VitC/ 泛醌泛醌/ -胡蘿卜素胡蘿卜素補充內容補充內容 概念概念nDNAmt DNA存在部位存在部位細胞核細胞核細胞質細胞質形態(tài)形態(tài)雙螺旋雙螺旋閉環(huán)雙鏈閉環(huán)雙鏈堿基數(shù)堿基數(shù)(bp)3.1 x 10916 569編碼基因數(shù)編碼基因數(shù)3-3.5 萬個萬個37 個個基因拷貝數(shù)基因拷貝數(shù)單拷貝單拷貝
25、成千上萬成千上萬間隔順序間隔順序有有無無突變頻率突變頻率低低高高（自身無修復機制）（自身無修復機制）線粒體基因線粒體基因病病系譜系譜 l 自由基的生理學意自由基的生理學意義義l 自由基損傷自由基損傷l 自由基相關的疾病自由基相關的疾病(1)(1)氧張力感受氧張力感受(2)(2)黃嘌呤脫氫酶向黃嘌呤氧化酶的轉化黃嘌呤脫氫酶向黃嘌呤氧化酶的轉化l自由基的生理學意義自由基的生理學意義(1) (1) 轉錄因子轉錄因子AP-1的激活的激活1) FOX/JUN蛋白可逆氧化蛋白可逆氧化-還原態(tài)的轉化調控還原態(tài)的轉化調控AP-1的活性的活性2) Ca2+依賴的依賴的AP-1蛋白的轉錄誘導蛋白的轉錄誘導3) 通
26、過花生四烯酸代謝介導的通過花生四烯酸代謝介導的AP-1的表達的表達4) 經絲裂原激活的蛋白激酶經絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)介導的介導的AP-1的激活和的激活和FOS、JUN基因的基因的表達表達(2) 對核轉錄因子對核轉錄因子KappaB(NF-kB)的調控的調控(1) (1) 內皮依賴的血管松弛因子內皮依賴的血管松弛因子(2) (2) 神經信使分子神經信使分子(3) (3) 免疫效應分子免疫效應分子4. 4. 免疫保護效應中的自由基機制免疫保護效應中的自由基機制一、自由基對核酸的損傷一、自由基對核酸的損傷1. DNA骨架損
27、傷骨架損傷2. 堿基修飾堿基修飾3. DNA-DNA、DNA-蛋白交聯(lián)蛋白交聯(lián)(cross-links)二、自由基對蛋白的損傷二、自由基對蛋白的損傷1. 蛋白質活性部位的修飾蛋白質活性部位的修飾2. 蛋白質分子的聚合、斷裂蛋白質分子的聚合、斷裂 三、自由基對脂質的損傷三、自由基對脂質的損傷1. 1. 膜結構的破壞膜結構的破壞2. 2. 脂自由基對蛋白質分子的進攻脂自由基對蛋白質分子的進攻3. 3. 過氧化脂質羰基產物對蛋白質分子過氧化脂質羰基產物對蛋白質分子 的交聯(lián)作用的交聯(lián)作用白內障白內障視視網網膜損害膜損害退化性黃斑癥退化性黃斑癥心臟病心臟病牙周炎牙周炎幅射幅射老化老化癌癥癌癥糖尿病糖尿病
28、阿滋罕默癥阿滋罕默癥帕金森氏癥帕金森氏癥癡呆癡呆氣氣喘喘呼吸窘迫癥呼吸窘迫癥牙牙齒齒腸腸胃道胃道眼眼腎腎皮皮膚膚心心關節(jié)關節(jié)肺肺腦腦血管血管器官衰器官衰竭竭腎腎小球性小球性腎腎炎炎燒傷燒傷皮炎皮炎肝炎肝炎肝肝損傷損傷潰潰瘍瘍性性腸腸炎炎等等 血管血管痙攣痙攣 動脈動脈硬化硬化類風濕性關節(jié)炎類風濕性關節(jié)炎科學家的故事科學家的故事 整個生命過程都在不斷地從外界攝取營整個生命過程都在不斷地從外界攝取營養(yǎng)物質，排出廢物。其重要意義之一就是不養(yǎng)物質，排出廢物。其重要意義之一就是不斷地從外界攝取的營養(yǎng)物質中獲得斷地從外界攝取的營養(yǎng)物質中獲得能量能量，以，以供生命活動需用。供生命活動需用。 ATPATP是體
29、內能量轉移、儲存和直接利用的是體內能量轉移、儲存和直接利用的最主要形式。最主要形式。機體如何把營養(yǎng)物質所攜帶的機體如何把營養(yǎng)物質所攜帶的能量轉換為能量轉換為ATPATP，是人們很感興趣的課題。，是人們很感興趣的課題。 生于英格蘭博德明。生于英格蘭博德明。23歲獲劍橋大歲獲劍橋大學學士學位，學學士學位，30歲獲博士學位。先后歲獲博士學位。先后在劍橋大學生物化學系和愛丁堡在劍橋大學生物化學系和愛丁堡 大學大學動物系任教。動物系任教。 1961年提出年提出 “化學滲化學滲透學說透學說”，1963年建立私人實驗室，年建立私人實驗室，后實驗室擴大為后實驗室擴大為Glynn研究所，任所研究所，任所長。長。
30、1966年發(fā)表了著名的年發(fā)表了著名的“在氧化和在氧化和光合磷酸化中的化學滲透偶聯(lián)光合磷酸化中的化學滲透偶聯(lián)”。 1978年獲諾貝爾獎金年獲諾貝爾獎金 Petel Denni Mitchell （1920. 9.1992.4） Mitchell認為認為線粒體內膜有能量轉化功能線粒體內膜有能量轉化功能。完。完整整線粒體內膜中的氧化呼吸鏈在傳遞電子過程中，線粒體內膜中的氧化呼吸鏈在傳遞電子過程中，像像“泵泵”一樣能把基質中的質子泵出到內膜外的一樣能把基質中的質子泵出到內膜外的膜間隙。膜間隙。 他認為他認為電子傳遞體電子傳遞體在傳遞氫的過程中，把氫原在傳遞氫的過程中，把氫原子中子中H+釋放入膜間隙，以
31、傳遞電子，之后又從基釋放入膜間隙，以傳遞電子，之后又從基質中吸收質中吸收H+，再與電子形成氫而傳遞氫。，再與電子形成氫而傳遞氫。 結果結果, 使使內膜內內膜內H+減少而成負電性空間減少而成負電性空間，內膜外，內膜外H+增加而成正電性空間增加而成正電性空間, 形成形成H+電化學梯度，蘊藏電化學梯度，蘊藏著電化學自由能（質子推動力）。著電化學自由能（質子推動力）。 在在H+從內膜外側回流到內膜內側的過程中，釋從內膜外側回流到內膜內側的過程中，釋出自由能，推動出自由能，推動F1-F0ATP酶（即酶（即ATP合酶）利用合酶）利用此能量把此能量把ADP和和Pi轉變?yōu)檗D變?yōu)锳TP。 化學滲透學說化學滲透學
32、說曾受到不少質疑。但他繼續(xù)堅持曾受到不少質疑。但他繼續(xù)堅持研究，研究，1966年發(fā)表論文年發(fā)表論文“在氧化與光合磷酸化中的在氧化與光合磷酸化中的化學滲透偶聯(lián)化學滲透偶聯(lián)”，進一步闡明自己的觀點。進一步闡明自己的觀點。 其它研究結果的支持，其它研究結果的支持，如：如： 氧化磷酸化必需線粒體內膜完整才能進行；氧化磷酸化必需線粒體內膜完整才能進行； ATP的形成伴隨著的形成伴隨著H+向內膜內轉移；向內膜內轉移； 2，4-二硝基酚使二硝基酚使H+回流到線粒體基質，則回流到線粒體基質，則ATP不不 能合成，并使動物發(fā)熱等；能合成，并使動物發(fā)熱等；他在獲獎典禮上他在獲獎典禮上的講演的講演“Keillins
33、 呼吸鏈概念及其化呼吸鏈概念及其化學滲透結果學滲透結果”中說中說“我們可以預期課題的結果，但不我們可以預期課題的結果，但不易拿到研究的成果易拿到研究的成果”，表達了，表達了化學滲透學說化學滲透學說從從個人假個人假說說到得到到得到公認的理論公認的理論是個艱辛過程。是個艱辛過程。人們終于接受了人們終于接受了化學滲透學說，化學滲透學說，Mitchell終于獲得了諾貝爾獎。終于獲得了諾貝爾獎。Boyer生于美國猶他州的普羅沃；生于美國猶他州的普羅沃；25歲獲美國威斯康星大學生化博士學位；歲獲美國威斯康星大學生化博士學位；19631989年在美國加利福尼亞大學化學與生化系任年在美國加利福尼亞大學化學與生
34、化系任教授教授 ，19651983年兼任分子生物學研究所所長。年兼任分子生物學研究所所長。 1970年當選為美國國家科學院院士。年當選為美國國家科學院院士。1974年獲瑞典斯德哥爾摩大學榮譽博士。年獲瑞典斯德哥爾摩大學榮譽博士。1989年提出年提出“結合變構機制結合變構機制”?，F(xiàn)仍在洛杉機分校任教授?，F(xiàn)仍在洛杉機分校任教授。 Walker生于英國哈里法克斯。在牛津大生于英國哈里法克斯。在牛津大學獲碩士和博士學位。學獲碩士和博士學位。19821982年至今在英國劍年至今在英國劍橋分子生物學醫(yī)學研究委員會實驗室任高級實橋分子生物學醫(yī)學研究委員會實驗室任高級實驗員。驗員。19951995年當選為年當
35、選為倫敦皇家學會會員。倫敦皇家學會會員。 后來，人們分離到了后來，人們分離到了ATP合酶的合酶的F1和和F0兩個結兩個結構域，并證明構域，并證明F1的頭部由的頭部由336個亞基構成，個亞基構成，亞基亞基可能是有催化活性的亞基，可能是有催化活性的亞基，F(xiàn)0可能有質子通道，可能有質子通道，質子可從膜間隙經此通道回流釋能。質子可從膜間隙經此通道回流釋能。 Boyer于于1964年提出呼吸鏈年提出呼吸鏈傳遞電子釋能傳遞電子釋能可可使線粒使線粒體內膜產生含高能構象的蛋白質，后者可體內膜產生含高能構象的蛋白質，后者可催化合成催化合成ATP，之后再，之后再變構成原來構象變構成原來構象，但一直未能得到證實，但
36、一直未能得到證實。 Boyer用用同位素同位素18O參入實驗參入實驗證實：證實： 在無線粒體內膜在無線粒體內膜質子梯度質子梯度存在的情況下，存在的情況下，亞基結合在亞基結合在ATP和和ADP上是等量的，處于平衡上是等量的，處于平衡狀態(tài)，但狀態(tài)，但ATP不能從不能從亞基脫落下來亞基脫落下來。 當有膜間隙的當有膜間隙的質子通過質子通過ATP合酶回流到基合酶回流到基質時，質時，ATP即可脫落下來。即可脫落下來。 Boyer發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)： ADP和和Pi結合結合1個個亞基，亞基， ATP結合在另結合在另1個個亞基，亞基， 還有還有1個個亞基未結合核苷酸。亞基未結合核苷酸。 并且并且1個個亞基新結合亞基新
37、結合ADP和和Pi可促進另一可促進另一亞基亞基 釋放釋放ATP。 1989年他的論文中闡明年他的論文中闡明F1頭部中頭部中3個個亞基實質是相亞基實質是相同的，但在特定時機三者功能不同。同的，但在特定時機三者功能不同。 推論三個推論三個亞基有三種構象：亞基有三種構象：疏松結合疏松結合ADP和和Pi的的L型型（loose型）；型）；緊密結合緊密結合ATP的的T型型（tight型）；型）；釋放釋放ATP的的O型型（open型）構象。型）構象。 L型對型對APD和和Pi親和力高，結合它們后利用質子所釋能量親和力高，結合它們后利用質子所釋能量轉變?yōu)檗D變?yōu)門型，催化型，催化ATP合成，之后轉變?yōu)楹铣?，之?/p>
38、轉變?yōu)镺型，釋出型，釋出ATP。 ATP釋出后再自動轉變?yōu)獒尦龊笤僮詣愚D變?yōu)長型。如型。如LTOL周而周而復始，往復循環(huán)變構，每循環(huán)一次合成復始，往復循環(huán)變構，每循環(huán)一次合成1分子分子ATP。 1994年年Walker在在0.28nm分辯力的水平上闡明了分辯力的水平上闡明了小牛心肌線粒體小牛心肌線粒體ATP合酶合酶F1的結構，證明的結構，證明亞基存亞基存在在3種構象，各構象與種構象，各構象與ADP+Pi、 ATP結合力不同結合力不同。在完整。在完整ATP合酶催化合酶催化ADP+PiATP的過程中，的過程中，3種構象輪回變化，這種輪回變構由種構象輪回變化，這種輪回變構由亞基在亞基在F1頭頭部中央
39、轉動而輪番接觸部中央轉動而輪番接觸亞基所引起。亞基所引起。 驅使驅使亞基變構的動力：亞基變構的動力：是質子經內膜回流所釋的能量是質子經內膜回流所釋的能量 Walker的研究成果支持的研究成果支持Boyer的結合變構機制。的結合變構機制。 體外熒光顯微鏡觀察到體外熒光顯微鏡觀察到亞基在亞基在F1頭部中央轉動頭部中央轉動。 含含ATP合酶的生物膜和有泵質子作用的細菌組合合酶的生物膜和有泵質子作用的細菌組合 模型，證明了質子順梯度經模型，證明了質子順梯度經ATP合酶流動，使合酶流動，使ADP+Pi合成合成ATP等，結合變構機制得到承認。等，結合變構機制得到承認。Boyer和和Walker在在1997
40、年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎 從從Mitchll到到Boyer和和Walker的研究看出，科的研究看出，科學研究是為全人類服務的，是全人類共同的事學研究是為全人類服務的，是全人類共同的事業(yè)，是一個艱苦奮斗的歷程。業(yè)，是一個艱苦奮斗的歷程。啟示啟示 科學的發(fā)展、創(chuàng)新科學的發(fā)展、創(chuàng)新是是全世界各個有關學科的全世界各個有關學科的學者潛心鉆研、長期積累、不斷推陳出新的結學者潛心鉆研、長期積累、不斷推陳出新的結果，果，是是在有關學科的現(xiàn)有理論和技術水平上的在有關學科的現(xiàn)有理論和技術水平上的不斷革新和發(fā)展，相互促進的結果。不斷革新和發(fā)展，相互促進的結果。 只有只有掌握掌握相關學科理論和技術發(fā)展的最前相關學科理論和技術發(fā)展的最前沿，再通過科學家深入思考，認真實驗，才沿，再通過科學家深入思考，認真實驗，才有可能在科學某一領域進行突破，提出新理有可能在科學某一領域進行突破，提出新理論、證實新理論，作出新貢獻。論、證實新理論，作出新貢獻。啟示啟示
生物化學：第八章 生物氧化-06-091
