電子傳遞鏈與氧化磷酸化PPT課件

1、1Electron transport and ATP generation: overview- 沿內(nèi)膜結(jié)合的載體鏈沿內(nèi)膜結(jié)合的載體鏈 傳遞傳遞e流流- 放能性的放能性的e流與吸能流與吸能 性的性的H+跨膜轉(zhuǎn)運偶聯(lián)跨膜轉(zhuǎn)運偶聯(lián)- H+順梯度的跨膜回流順梯度的跨膜回流 提供自由能合成提供自由能合成ATPP34-2氧化磷酸化氧化磷酸化 = e傳遞與傳遞與ATP合成偶聯(lián)合成偶聯(lián)Matrix(cf. p324)第1頁/共44頁2- 外膜外膜對小分子和離子通透對小分子和離子通透 (膜孔蛋白跨膜通道膜孔蛋白跨膜通道)- 內(nèi)膜內(nèi)膜不通透不通透(包括包括H+) 含有含有e傳遞鏈組分和傳遞鏈組分和ATP合酶合

2、酶- 丙酮酸等中間代謝物可經(jīng)由特丙酮酸等中間代謝物可經(jīng)由特 殊載體進入殊載體進入基質(zhì)基質(zhì)繼續(xù)氧化繼續(xù)氧化(TAC)- ATP被轉(zhuǎn)運到胞液時被轉(zhuǎn)運到胞液時ADP和和Pi 同時同時進入基質(zhì)進入基質(zhì)19-1氧氧化化磷磷酸酸化化組組分分線線粒粒體體生生化化反反應(yīng)應(yīng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)模模式式膜孔蛋白通道膜孔蛋白通道嵴嵴1. 線粒體中的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)線粒體中的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)第2頁/共44頁3 電子被匯集于通用電子受體電子被匯集于通用電子受體- 煙酰胺核苷酸煙酰胺核苷酸NAD(P)+ ( H)- 黃素核苷酸黃素核苷酸FMN/FAD (12 e)t19-1(usu. as e receptor in catabolism)

3、(usu. as e donor in anabolism)自學(xué)自學(xué)第3頁/共44頁4電子載體電子載體大多是具有輔因子的大多是具有輔因子的整合蛋白整合蛋白， 能夠接受或給出能夠接受或給出12 e： - e直接轉(zhuǎn)移直接轉(zhuǎn)移 (eg. Fe3+ Fe2+) - 以以H (H+ + e) 形式轉(zhuǎn)移形式轉(zhuǎn)移 - 以以 H 形式轉(zhuǎn)移形式轉(zhuǎn)移還原當量還原當量在氧在氧-還反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的還反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的單電子單電子當量當量其他具有電子傳遞功能的分子其他具有電子傳遞功能的分子 (cf. p330) - Fe-S蛋白蛋白 (iron-sulfur proteins) - 泛醌泛醌 (ubiquinone, Q/CoQ

4、) - 細胞色素細胞色素 (cytochromes, Cyt.)LW-3 電子流經(jīng)一系列膜結(jié)合的載體傳遞電子流經(jīng)一系列膜結(jié)合的載體傳遞第4頁/共44頁5 鐵鐵-硫蛋白的硫蛋白的Fe-S中心中心2Fe-2S型型4Fe-4S型型參與單電子轉(zhuǎn)移：參與單電子轉(zhuǎn)移： Fe-S簇中只有簇中只有1個個Fe被氧化或還原被氧化或還原藍細菌藍細菌Anabaena 7120的鐵氧還蛋白的鐵氧還蛋白為為2Fe-2S型型19-5 (3rd)僅指無機僅指無機S自學(xué)自學(xué)第5頁/共44頁6- 完全還原需要完全還原需要2H，經(jīng)由經(jīng)由 半醌基半醌基中間物形式以兩步中間物形式以兩步 反應(yīng)完成反應(yīng)完成- 質(zhì)體醌質(zhì)體醌(葉綠體葉綠體)

5、和和甲基萘甲基萘 醌醌(細菌細菌)也具有類似的在也具有類似的在 膜結(jié)合膜結(jié)合e傳遞鏈中攜帶傳遞鏈中攜帶e 的功能的功能- 為為脂溶性脂溶性小分子，能在小分子，能在 線粒體內(nèi)膜的脂雙層中線粒體內(nèi)膜的脂雙層中 自由擴散自由擴散，從而在內(nèi)膜，從而在內(nèi)膜 上其他移動性較低的上其他移動性較低的e 載體間傳遞還原當量載體間傳遞還原當量- 既能攜帶既能攜帶e也能攜帶也能攜帶H+， 在在e流和流和H+移動的偶聯(lián)移動的偶聯(lián) 中具有關(guān)鍵作用中具有關(guān)鍵作用 泛醌泛醌 (Q/CoQ)19-2泛醌泛醌半醌半醌(自由基自由基)泛泛醇醇= 帶有長異戊二烯側(cè)鏈的苯醌帶有長異戊二烯側(cè)鏈的苯醌自學(xué)自學(xué)第6頁/共44頁7 細胞細胞

6、色素類輔基色素類輔基 (Cyt)- 鐵原卟啉鐵原卟啉存在于存在于 Cyt b類類，包括，包括 Hb和和Mb- Cyt a類類的的血紅素血紅素A 具有一個連接于五元具有一個連接于五元 環(huán)的類異戊二烯長鏈環(huán)的類異戊二烯長鏈- 血紅素血紅素C通過通過硫醚鍵硫醚鍵 共價結(jié)合于共價結(jié)合于Cyt c類類 的兩個的兩個Cys殘基上殘基上19-3吡咯環(huán)吡咯環(huán)- 由由4個個五元含氮吡咯環(huán)五元含氮吡咯環(huán) 組成組成(卟啉卟啉)，4 N均以均以 配位鍵與中心的配位鍵與中心的Fe (Fe2+/Fe3+)連接連接自學(xué)自學(xué)第7頁/共44頁819-4還原態(tài)還原態(tài)細胞色素細胞色素(Fe2+)都具都具有三條可見光吸收帶，其中有三

7、條可見光吸收帶，其中波長最長的波長最長的 帶帶分別約為：分別約為：- cyt a: 600 nm- cyt b: 560 nm- cyt c: 550 nmCyt的可見光吸收均與的可見光吸收均與其卟啉環(huán)的其卟啉環(huán)的共軛雙鍵共軛雙鍵系統(tǒng)有關(guān)系統(tǒng)有關(guān)自學(xué)自學(xué)第8頁/共44頁9 確定電子載體順序的一般方法確定電子載體順序的一般方法- 測定各載體的測定各載體的Eo- 測定各載體被氧化的速率測定各載體被氧化的速率- 測定各載體的氧測定各載體的氧-還狀態(tài)還狀態(tài)呼吸鏈及其相關(guān)電子載體的呼吸鏈及其相關(guān)電子載體的標準還原電勢標準還原電勢由由Eo推斷的載體順序推斷的載體順序(non-overstep)：NADH

8、Q cyt b cyt c1 cyt c cyt a cyt a3 O2e趨向于自發(fā)趨向于自發(fā)從從Eo較低的載較低的載體流向較高的體流向較高的t19-2在整條載體鏈在整條載體鏈被還原后被還原后測定測定各載體的氧化各載體的氧化速率速率第9頁/共44頁10提供提供O2和和e供體時，供體時，不同阻斷劑不同阻斷劑將導(dǎo)致形成特定的氧化態(tài)將導(dǎo)致形成特定的氧化態(tài)/還原態(tài)還原態(tài)載體組合模式載體組合模式(ie. 吸收光譜變化吸收光譜變化)- 阻斷部位之前均為阻斷部位之前均為還原態(tài)還原態(tài)- 阻斷部位之后均為阻斷部位之后均為氧化態(tài)氧化態(tài) 電子轉(zhuǎn)移阻斷劑對各載體氧電子轉(zhuǎn)移阻斷劑對各載體氧-還狀態(tài)的影響還狀態(tài)的影響魚藤

9、酮魚藤酮抗霉素抗霉素A19-6第10頁/共44頁11 呼吸鏈若干位點的自由能釋放足以推動呼吸鏈若干位點的自由能釋放足以推動H+泵泵P34-6自學(xué)自學(xué)第11頁/共44頁12毛地黃皂苷處理毛地黃皂苷處理滲透破碎滲透破碎去垢劑溶解處理去垢劑溶解處理和離子交換層析和離子交換層析復(fù)合體復(fù)合體& ATP合酶合酶19-7 (3rd)In vitro, ATP synthase = ATPase, no ATP-synthesizing activity 呼吸鏈功能復(fù)合體的分離提純呼吸鏈功能復(fù)合體的分離提純(cf. p333)自學(xué)自學(xué)第12頁/共44頁13- 兩類呼吸鏈組成不同兩類呼吸鏈組成不同- 泛

10、醌是兩類呼吸鏈的泛醌是兩類呼吸鏈的匯合點匯合點- 產(chǎn)生產(chǎn)生ATP的數(shù)量不同的數(shù)量不同(95%)復(fù)合體復(fù)合體(NADH-Q氧化氧化還原酶還原酶) 復(fù)合體復(fù)合體 (琥珀酸琥珀酸-Q還原酶還原酶)復(fù)合體復(fù)合體 (細胞色素細胞色素還原酶還原酶)復(fù)合體復(fù)合體(細胞色素細胞色素氧化酶氧化酶) 電子傳遞電子傳遞/呼吸鏈的主要類型呼吸鏈的主要類型(cf. Fig. 12-6)第13頁/共44頁14e轉(zhuǎn)移能量被有效轉(zhuǎn)移能量被有效保存在保存在H+梯度中梯度中- e經(jīng)由復(fù)合體經(jīng)由復(fù)合體/傳給傳給Q生成生成QH2- 作為作為e和和H+的移動載體，的移動載體，QH2隨即將隨即將e傳遞給復(fù)合體傳遞給復(fù)合體- 復(fù)合體復(fù)合體

11、再將再將e轉(zhuǎn)移給另一移動載體轉(zhuǎn)移給另一移動載體Cyt c- 復(fù)合體復(fù)合體最終將最終將e從從Cyt c傳遞給傳遞給O2生成生成H2O- 伴隨伴隨e流動的同時發(fā)生從基質(zhì)到膜間腔的流動的同時發(fā)生從基質(zhì)到膜間腔的H+凈流動凈流動總矢量反應(yīng)式總矢量反應(yīng)式(NADH型型)NADH + 11HN+ + O2 NAD+ + 10HP+ + H2O Eo = 0.816VEo = 1.14VGo-220 kJ/mol(cf. p335) 呼吸鏈四個復(fù)合體的呼吸鏈四個復(fù)合體的e和和H+流流19-15Eo = -0.32V (Eo = 0.031V)(cf. Fig. 12-11 12-15)Eo = 0.045V

12、第14頁/共44頁15 電子載體以多酶電子載體以多酶 復(fù)合體形式進行反應(yīng)復(fù)合體形式進行反應(yīng)電子從電子從NADH、琥珀酸、琥珀酸、脂酰脂酰-CoA和甘油和甘油-3-P到到泛醌泛醌(Q)的傳遞途徑的傳遞途徑甘油甘油-3-P脫氫酶脫氫酶NADH型型呼吸鏈呼吸鏈(95%)起點為脫氫酶輔酶起點為脫氫酶輔酶NAD+?；；?CoA脫氫酶脫氫酶氧化還原酶氧化還原酶19-8FADH2型型呼吸鏈起點呼吸鏈起點為脫氫酶輔因子為脫氫酶輔因子FAD自學(xué)自學(xué)第15頁/共44頁16 復(fù)合體復(fù)合體(NADH:Q氧化氧化還原酶還原酶)- 催化催化: :H從從NADH轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 至至FMN- FMN經(jīng)由系列經(jīng)由系列Fe-S中中

13、心將心將2e傳遞給傳遞給基質(zhì)臂基質(zhì)臂 上的上的Fe-S蛋白蛋白N-2- 2e沿沿膜臂膜臂從從N-2轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 到到Q后形成后形成QH2- QH2擴散進入膜脂雙擴散進入膜脂雙 層層(III)，同時驅(qū)動，同時驅(qū)動 4H+從基質(zhì)中排出從基質(zhì)中排出- 阿密妥、阿密妥、魚藤酮魚藤酮和殺和殺 粉蝶菌素粉蝶菌素A能抑制該能抑制該 電子流而完全阻斷氧電子流而完全阻斷氧 化磷酸化的進行化磷酸化的進行- NADH的的: :H轉(zhuǎn)移給泛醌轉(zhuǎn)移給泛醌(放能放能)- 基質(zhì)中基質(zhì)中4H+轉(zhuǎn)移到膜間腔轉(zhuǎn)移到膜間腔(吸能吸能)偶聯(lián)偶聯(lián)反應(yīng)反應(yīng)膜間腔膜間腔基質(zhì)臂基質(zhì)臂膜臂膜臂19-9矢量矢量H+流流產(chǎn)生跨內(nèi)膜的電化學(xué)勢能，使產(chǎn)生跨

14、內(nèi)膜的電化學(xué)勢能，使e傳遞中釋出的大部分能量得以儲存，而傳遞中釋出的大部分能量得以儲存，而H+的回流則可用于驅(qū)動的回流則可用于驅(qū)動ATP的合成的合成NADH + 5HN+ + Q NAD+ + QH2 + 4HP+= NADH Q自學(xué)自學(xué)第16頁/共44頁17 復(fù)合體復(fù)合體 (琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶)- 異型四亞基異型四亞基 (五輔基五輔基)膜整合蛋白膜整合蛋白輔基輔基周質(zhì)心磷脂周質(zhì)心磷脂- 從從琥珀酸結(jié)合位點琥珀酸結(jié)合位點 經(jīng)經(jīng)FAD和和Fe-S中心中心 至至Q結(jié)合位點結(jié)合位點的的e 轉(zhuǎn)移通道全長超過轉(zhuǎn)移通道全長超過 40，但每一段均，但每一段均 短于快速短于快速e 轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移的 共振距離

15、共振距離1119-10= 琥珀酸琥珀酸 Qfor E. coli自學(xué)自學(xué)第17頁/共44頁18 復(fù)合體復(fù)合體 (細胞色素細胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體)- 為同型二聚體，各為同型二聚體，各 單體由單體由11個不同的個不同的 亞基組成亞基組成- 單體的功能核心為單體的功能核心為 三個關(guān)鍵亞基：三個關(guān)鍵亞基： 含有含有2 heme的的cyt b 含有含有heme的的cyt c1 含有含有2Fe-2S中心的中心的 Rieske Fe-S蛋白蛋白19-11a= Q cyt c其中其中Fe結(jié)合于結(jié)合于His而不是而不是Cys自學(xué)自學(xué)第18頁/共44頁19 復(fù)合體復(fù)合體的二聚體作用的二聚體作用- 凸出在凸出在

16、P側(cè)的側(cè)的cyt c1 和和Rieske Fe-S蛋白蛋白 可以和膜間腔中的可以和膜間腔中的 游離游離cyt c 相互作用相互作用- 2個獨立的個獨立的Q結(jié)合點結(jié)合點 QN和和QP分別與能阻分別與能阻 斷氧化磷酸化的兩種斷氧化磷酸化的兩種 藥物抑制作用有關(guān)藥物抑制作用有關(guān)- Q中間代謝物的移動中間代謝物的移動 發(fā)生在單體之間形成發(fā)生在單體之間形成 的空隙中的空隙中抗霉素抗霉素A可與之結(jié)可與之結(jié)合而阻斷電子從合而阻斷電子從血紅素血紅素bH Q黏噻唑菌醇黏噻唑菌醇可與之可與之結(jié)合而阻斷電子從結(jié)合而阻斷電子從QH2 F-S中心中心19-11b自學(xué)自學(xué)第19頁/共44頁20 Q cycle1st e2

17、nd e 19-12= 完成雙完成雙/單電子單電子載體之間的轉(zhuǎn)換載體之間的轉(zhuǎn)換可溶性蛋白，可溶性蛋白，還原后即可向還原后即可向復(fù)合體復(fù)合體移動移動膜間腔膜間腔H+凈增凈增自學(xué)自學(xué)第20頁/共44頁21G21.12泛醌泛醌-泛醇庫泛醇庫半醌不解脫半醌不解脫自學(xué)自學(xué)第21頁/共44頁2219-13 復(fù)合體復(fù)合體(細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶) = cyt c O210個亞基中以個亞基中以構(gòu)建復(fù)合體核心構(gòu)建復(fù)合體核心- 亞基亞基含含血紅素血紅素a & a3和銅離子和銅離子 CuB，形成雙核形成雙核Fe-Cu中心中心- 亞基亞基含含有有2個個銅離子，分別與銅離子，分別與 2 Cys-SH連接連

18、接成雙核中心成雙核中心CuA- 雙核中心雙核中心CuA的的2個個銅銅離子離子 均等共享均等共享1e： 還原態(tài)還原態(tài)為為Cu1+Cu1+ 氧化態(tài)氧化態(tài)為為Cu1.5+Cu1.5+- 亞亞基基為復(fù)合體功能所必需，為復(fù)合體功能所必需， 但作用不詳?shù)饔貌辉擬etHisAspCys自學(xué)自學(xué)第22頁/共44頁23以底物方式消耗以底物方式消耗- O2的的還原需要還原需要4e + 4H+ (= 2 NADH當量當量)- cyt cO2的的e傳遞分兩輪傳遞分兩輪 進行：進行： 1st輪輪的的2e將將O2還原成還原成O22- 2nd輪輪的的2e再將再將O22-還原成還原成 H2O (消耗基質(zhì)中的消耗基質(zhì)中的4H

19、+)- 每個每個e通過時還可泵出通過時還可泵出1H+ 復(fù)合體復(fù)合體的作用機制的作用機制 19-14- 總反應(yīng)：總反應(yīng)：4 cyt c(還原態(tài)還原態(tài)) + 8HN+ + O2 4 cyt c(氧化態(tài)氧化態(tài)) + 4HP+ + 2H2OCN, N3, CO可抑制可抑制自學(xué)自學(xué)第23頁/共44頁24只有只有還原態(tài)還原態(tài)雙核中心雙核中心Fea32+-CuB+ 才能接受才能接受O2，并分別由并分別由Fea32+和和CuB+ 各提供各提供e將其還原為過氧化中間物將其還原為過氧化中間物cyt c提供的提供的3rd e將將 CuB2+再再還原成還原成CuB+靠近靠近CuB+的的O被質(zhì)子化被質(zhì)子化 而引起而引起

20、e重新分布重新分布加上加上2nd H+和和4th e后，導(dǎo)致后，導(dǎo)致 O-O鍵斷裂并形成羥化中間物鍵斷裂并形成羥化中間物再加上再加上2 H+后釋出后釋出2 H2O， 雙核中心返回氧化態(tài)雙核中心返回氧化態(tài)氧化態(tài)雙核中心氧化態(tài)雙核中心Fea33+-CuB2+ 被被來自來自cyt c的的2e分步還原分步還原P34-8 復(fù)合體復(fù)合體還原還原O2的的假設(shè)機制假設(shè)機制尚未完全還原的過氧化態(tài)中間尚未完全還原的過氧化態(tài)中間物始終與復(fù)合體緊密結(jié)合，直物始終與復(fù)合體緊密結(jié)合，直到完全還原成到完全還原成H2O才釋出才釋出O22自學(xué)自學(xué)第24頁/共44頁2519-16線粒體內(nèi)膜將兩個不同的線粒體內(nèi)膜將兩個不同的H+區(qū)

21、室區(qū)室分開，形成跨膜的化學(xué)濃度差分開，形成跨膜的化學(xué)濃度差(pH)和電位差和電位差( )，其凈效應(yīng)即是其凈效應(yīng)即是PMF 質(zhì)子動勢質(zhì)子動勢(PMF: proton motive force)= e傳遞中釋出的大部分能量的暫時儲存形式傳遞中釋出的大部分能量的暫時儲存形式生理條件下泵出生理條件下泵出H+的的G20 kJ/molG21.22(cf. p341)第25頁/共44頁26Eastern skunk cabbage 植物線粒體氧化植物線粒體氧化 NADH的不同機制的不同機制- 低照明時可通過類似于非光合物種的低照明時可通過類似于非光合物種的 e流流傳遞機制以合成傳遞機制以合成ATP- 光照下

22、光照下其線粒體的其線粒體的NADH主要來自于主要來自于 光呼吸產(chǎn)生的光呼吸產(chǎn)生的Gly縮合成縮合成Ser 2 Gly + NAD+ Ser + NADH + H+ + CO2 + NH4+ 不受不受CN抑制抑制b19-1繞過繞過、和和及其及其H+泵，泵，將能量直接以熱形式耗散以將能量直接以熱形式耗散以再生出再生出光呼吸所需的光呼吸所需的NAD+自學(xué)自學(xué)第26頁/共44頁2719-16 (3rd)- 來自于來自于NADH等可氧等可氧 化底物的化底物的e通過內(nèi)膜通過內(nèi)膜 上的載體而傳遞上的載體而傳遞- e流伴隨有流伴隨有H+的跨膜的跨膜 轉(zhuǎn)移而形成轉(zhuǎn)移而形成化學(xué)梯度化學(xué)梯度 和電位梯度和電位梯度(

23、=PMF)- 內(nèi)膜對內(nèi)膜對H+不通透，只不通透，只 能經(jīng)由特異通道能經(jīng)由特異通道(Fo) 返回基質(zhì)返回基質(zhì)- 驅(qū)動驅(qū)動H+返回的返回的PMF為為 ATP的合成提供能量，的合成提供能量， 該偶聯(lián)反應(yīng)由結(jié)合于該偶聯(lián)反應(yīng)由結(jié)合于 Fo的的F1復(fù)合體所催化復(fù)合體所催化內(nèi)內(nèi)堿堿外外酸酸在與在與e傳遞相偶聯(lián)所形成的傳遞相偶聯(lián)所形成的PMF驅(qū)驅(qū)動下，泵入膜間腔的動下，泵入膜間腔的H+經(jīng)由特殊通經(jīng)由特殊通道回流至基質(zhì)，而由此產(chǎn)生的道回流至基質(zhì)，而由此產(chǎn)生的G被用于將被用于將ADP + Pi ATP內(nèi)內(nèi)負負外外正正ATP合酶合酶chemiosmotic hypothesis (1961)2. ATP合成合成19

24、78 NP in Chem.第27頁/共44頁28- 只添加只添加ADP和和Pi時，時， 呼吸呼吸(O2耗耗)和和ATP 合成都很小合成都很小- 添加添加e供體如琥珀酸供體如琥珀酸 則立即顯著增加則立即顯著增加- 加入加入氰化物氰化物后又隨即后又隨即 被抑制被抑制 電子傳遞和電子傳遞和ATP合成合成相偶聯(lián)相偶聯(lián)19-18- 已加入琥珀酸的線粒體，其呼吸已加入琥珀酸的線粒體，其呼吸 和和ATP合成只有在添加合成只有在添加ADP和和Pi 之后才能進行之后才能進行- 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑殺黑星霉素殺黑星霉素/寡寡 霉素可因阻斷霉素可因阻斷ATP的合成而抑制的合成而抑制 呼吸的進行呼吸的進

25、行- 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP) 使呼吸繼續(xù)進行但不能合成使呼吸繼續(xù)進行但不能合成ATP干擾干擾ATP合酶使其合成受阻合酶使其合成受阻 H+不能返回基質(zhì)不能返回基質(zhì) H+梯度加梯度加大導(dǎo)致大導(dǎo)致H+泵停轉(zhuǎn)泵停轉(zhuǎn) e流停止流停止Cyt (a+a3) O2第28頁/共44頁29G21.312,4-二硝基苯酚二硝基苯酚 (DNP)- 疏水性小分子疏水性小分子(弱酸弱酸)- 具有可解離具有可解離H+- 不影響不影響e傳遞和傳遞和H+泵泵- 可攜帶可攜帶H+跨越內(nèi)膜而跨越內(nèi)膜而 破壞其跨膜梯度，進破壞其跨膜梯度，進 而抑制而抑制ATP合成合成使使e傳遞和傳遞和ATP合成相互分

26、離合成相互分離 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑 (uncoupler)Dinitrophenol電子離域作電子離域作用使負電荷用使負電荷相應(yīng)分散，相應(yīng)分散，導(dǎo)致該陰離導(dǎo)致該陰離子表現(xiàn)為弱子表現(xiàn)為弱脂溶性的脂溶性的雙雙(羥羥)香豆素香豆素第29頁/共44頁30通過提供通過提供H+重返基質(zhì)的另一條重返基質(zhì)的另一條途徑，途徑，褐色脂肪組織褐色脂肪組織線粒體的線粒體的解偶聯(lián)蛋白解偶聯(lián)蛋白/產(chǎn)熱素蛋白產(chǎn)熱素蛋白使質(zhì)使質(zhì)子泵保存的能量以熱量形式發(fā)子泵保存的能量以熱量形式發(fā)散出來散出來 解解偶聯(lián)線粒體的偶聯(lián)線粒體的產(chǎn)熱反應(yīng)產(chǎn)熱反應(yīng)19-30自學(xué)自學(xué)第30頁/共44頁31- 將線粒體懸浮于將線粒體懸浮于0.1M KCl的的

27、pH 9 緩沖液，經(jīng)由滲透作用最終使基質(zhì)緩沖液，經(jīng)由滲透作用最終使基質(zhì) 與環(huán)境達到平衡與環(huán)境達到平衡- 將線粒體移至將線粒體移至pH 7緩沖液，后者緩沖液，后者 含有含有K+載體載體纈氨霉素纈氨霉素但不含但不含KCl- 緩沖液的改變使線粒體內(nèi)膜兩側(cè)緩沖液的改變使線粒體內(nèi)膜兩側(cè) 形成形成2 pH單位差單位差(內(nèi)堿外酸內(nèi)堿外酸)- K+在纈氨霉素載運下順其梯度外泄在纈氨霉素載運下順其梯度外泄 導(dǎo)致跨膜電荷不平衡導(dǎo)致跨膜電荷不平衡(內(nèi)負外正內(nèi)負外正)- 兩者形成的電化學(xué)勢即為兩者形成的電化學(xué)勢即為質(zhì)子動勢質(zhì)子動勢 PMF，足以在，足以在缺乏缺乏可氧化底物提供可氧化底物提供 e流的條件下使流的條件下使

28、ATP的合成進行的合成進行 ATP合成中合成中質(zhì)子梯度質(zhì)子梯度作用的證實作用的證實人工模擬的電化學(xué)梯度能夠在缺乏人工模擬的電化學(xué)梯度能夠在缺乏可氧化底物作為電子供體的條件下可氧化底物作為電子供體的條件下驅(qū)動驅(qū)動ATP的合成的合成19-20自學(xué)自學(xué)第31頁/共44頁32F1= 3 3 (膜周蛋白膜周蛋白)Fo= ab2c1012 (膜整合蛋白膜整合蛋白)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 ATP合酶結(jié)構(gòu)合酶結(jié)構(gòu) (= FoF1復(fù)合體復(fù)合體)- Fo是跨內(nèi)膜疏水蛋白組成的是跨內(nèi)膜疏水蛋白組成的H+孔孔 道，道，2b2亞基亞基與與F1的的 及及 亞基亞基緊緊 密結(jié)合而使之相對固定在內(nèi)膜上密結(jié)合而使之相對固定在內(nèi)膜上- 嵌合在

29、膜內(nèi)的嵌合在膜內(nèi)的c亞基亞基柱狀體環(huán)繞柱狀體環(huán)繞 由由F1的的 及及 亞基亞基所組成的主莖所組成的主莖- H+經(jīng)由經(jīng)由Fo從從P側(cè)跨膜流向側(cè)跨膜流向N側(cè)時，側(cè)時， 柱狀體和主莖即發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，柱狀體和主莖即發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)， 使使F1的的 亞基亞基依次與依次與 亞基亞基接觸接觸 而改變其構(gòu)象而改變其構(gòu)象19-23f自學(xué)自學(xué)(cf. Fig. 12-17)第32頁/共44頁33松散構(gòu)象松散構(gòu)象開放構(gòu)象開放構(gòu)象緊密構(gòu)象緊密構(gòu)象每個每個 亞基在與其相鄰亞基在與其相鄰的的 亞基交界處都有一亞基交界處都有一個對催化活性極為關(guān)鍵個對催化活性極為關(guān)鍵的的腺苷酸腺苷酸結(jié)合位點，但結(jié)合位點，但在任一給定時刻均分別在

30、任一給定時刻均分別處于不同構(gòu)象處于不同構(gòu)象- 緊密構(gòu)象緊密構(gòu)象結(jié)合有結(jié)合有 已合成的已合成的ATP- 松散構(gòu)象松散構(gòu)象與與 ADP & Pi結(jié)合結(jié)合- 開放構(gòu)象開放構(gòu)象為空載為空載 F1的的晶體結(jié)構(gòu)頂視圖晶體結(jié)構(gòu)頂視圖(膜膜N側(cè)側(cè))轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 亞基亞基19-23c自學(xué)自學(xué)第33頁/共44頁34- F1復(fù)合體具有復(fù)合體具有3個個不同的腺苷酸結(jié)合不同的腺苷酸結(jié)合 位點，分別對應(yīng)于一對位點，分別對應(yīng)于一對亞基亞基， 但在任一給定時刻分別呈現(xiàn)但在任一給定時刻分別呈現(xiàn)緊密、緊密、 松散和空載構(gòu)象松散和空載構(gòu)象- PMF使主莖帶動使主莖帶動 亞基亞基轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動(120 跳躍式跳躍式)，依次與各對，依次

31、與各對亞基亞基 接觸，導(dǎo)致相互協(xié)調(diào)的接觸，導(dǎo)致相互協(xié)調(diào)的構(gòu)象變化：構(gòu)象變化： -ATP位點轉(zhuǎn)化成位點轉(zhuǎn)化成空載空載構(gòu)象而構(gòu)象而 釋出釋出ATP(需要需要3 H+進入基質(zhì)進入基質(zhì)) -ADP位點變?yōu)槲稽c變?yōu)榫o密緊密構(gòu)象，促進構(gòu)象，促進 松散結(jié)合的松散結(jié)合的ADP和和Pi縮合成縮合成ATP -empty位點轉(zhuǎn)變成位點轉(zhuǎn)變成松散松散構(gòu)象，構(gòu)象， 使進入的使進入的ADP和和Pi松散結(jié)合松散結(jié)合- 3個催化位點中個催化位點中至少有至少有2個個交替處于交替處于 活性狀態(tài)活性狀態(tài)( = 只有當某個位點結(jié)合了只有當某個位點結(jié)合了 ADP和和Pi時，另一位點才能釋出時，另一位點才能釋出ATP) ATP合酶作用的

32、結(jié)合合酶作用的結(jié)合-變換機制變換機制- 旋轉(zhuǎn)催化旋轉(zhuǎn)催化(1979), NP in Chem. 199719-241918(cf. Fig. 12-19)第34頁/共44頁35- 腺苷酸移位酶是腺苷酸移位酶是逆向逆向轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運 載體載體，而外正內(nèi)負的跨膜，而外正內(nèi)負的跨膜 電位差有利于該逆向主動電位差有利于該逆向主動 轉(zhuǎn)運的進行轉(zhuǎn)運的進行(ADP3取代取代 ATP4意味著負電荷的意味著負電荷的 凈流出凈流出)- 磷酸移位酶是磷酸移位酶是同向同向轉(zhuǎn)運載轉(zhuǎn)運載 體體，僅對，僅對H2PO4專一，后專一，后 者與者與H+的同向內(nèi)流不會造的同向內(nèi)流不會造 成凈電荷移動，但基質(zhì)內(nèi)成凈電荷移動，但基質(zhì)內(nèi) 的低

33、的低H+有助于同向轉(zhuǎn)運有助于同向轉(zhuǎn)運 質(zhì)子動勢亦可驅(qū)動主動轉(zhuǎn)運質(zhì)子動勢亦可驅(qū)動主動轉(zhuǎn)運(腺苷酸腺苷酸及磷酸移位酶及磷酸移位酶)19-26PMF既可為既可為ATP合成提供能量，也合成提供能量，也能促進將底物能促進將底物ADP+Pi和產(chǎn)物和產(chǎn)物ATP分別轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出基質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運分別轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出基質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運(cf. Fig. 12-5)第35頁/共44頁3619-27 胞液胞液NADH的再氧化：穿梭機制的再氧化：穿梭機制蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(肝、腎及心肌細胞肝、腎及心肌細胞)(= 將胞液中產(chǎn)生的將胞液中產(chǎn)生的NADH 當量轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì)當量轉(zhuǎn)入線粒體基質(zhì))胞液胞液NADH 將將2個

34、還原當個還原當量轉(zhuǎn)給草酰乙量轉(zhuǎn)給草酰乙酸生成蘋果酸酸生成蘋果酸蘋果酸在蘋果酸蘋果酸在蘋果酸- -酮戊二酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白作用下跨越內(nèi)膜酸轉(zhuǎn)運蛋白作用下跨越內(nèi)膜蘋果酸在蘋果酸在基質(zhì)中將還基質(zhì)中將還原當量轉(zhuǎn)移原當量轉(zhuǎn)移給給NAD+、生成生成NADH并經(jīng)由呼吸并經(jīng)由呼吸鏈繼續(xù)氧化鏈繼續(xù)氧化蘋果酸脫蘋果酸脫氫生成的草氫生成的草酰乙酸不能酰乙酸不能直接返回胞直接返回胞液，需經(jīng)由液，需經(jīng)由轉(zhuǎn)氨反應(yīng)生轉(zhuǎn)氨反應(yīng)生成成AspAsp經(jīng)由經(jīng)由Glu-Asp轉(zhuǎn)運蛋白返回胞液轉(zhuǎn)運蛋白返回胞液Asp再通過轉(zhuǎn)氨再通過轉(zhuǎn)氨反應(yīng)再生草酰乙酸反應(yīng)再生草酰乙酸(cf. Fig. 12-3)第36頁/共44頁37- 在胞液在胞液甘油甘

35、油-3-P脫氫酶脫氫酶 (輔酶輔酶NADH)作用下，作用下， 二羥丙酮磷酸接受二羥丙酮磷酸接受2個個 還原當量生成還原當量生成甘油甘油-3-P- 結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外表結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外表 面的面的甘油甘油-3-P脫氫酶脫氫酶 (輔因子為輔因子為FAD的線粒體的線粒體 同工酶同工酶)隨即將這隨即將這2個還個還 原當量轉(zhuǎn)移給泛醌并繼原當量轉(zhuǎn)移給泛醌并繼 續(xù)經(jīng)由呼吸鏈傳遞續(xù)經(jīng)由呼吸鏈傳遞- 該穿梭使胞液該穿梭使胞液NADH 還原當量的傳遞因繞還原當量的傳遞因繞 過呼吸鏈的復(fù)合體過呼吸鏈的復(fù)合體 而少泵出而少泵出4 H+甘油甘油-3-P穿梭穿梭(骨骼肌及腦細胞骨骼肌及腦細胞)19-28(cf. Fig

36、. 12-4)第37頁/共44頁38t19-5- 復(fù)合體復(fù)合體、和和 在傳遞在傳遞2e時分別時分別 從基質(zhì)泵出從基質(zhì)泵出4/4/2H+ 即即NADH型鏈和型鏈和 FADH2型鏈總共可型鏈總共可 分別泵出分別泵出10/6 H+- 每合成每合成1 ATP需要需要 回流回流4 H+：3個用于個用于 合成，合成，1個用于與個用于與 ATP等轉(zhuǎn)運有關(guān)的等轉(zhuǎn)運有關(guān)的 反應(yīng)反應(yīng)- NADH型和型和FADH2 型鏈每傳遞型鏈每傳遞2e給給 O2可以分別合成可以分別合成 2.5/1.5 ATPP/O比比(cf. p344)：通過呼吸鏈通過呼吸鏈e傳遞而發(fā)生的傳遞而發(fā)生的ADP磷酸化分子數(shù)與被還原的氧原子數(shù)之比磷

37、酸化分子數(shù)與被還原的氧原子數(shù)之比 ( = 2e經(jīng)由呼吸鏈傳遞至經(jīng)由呼吸鏈傳遞至O2所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)分子數(shù))細胞條件下細胞條件下ATP水解的水解的Go-50 kJ/mol，合成，合成32個個ATP將保存將保存Glc完全氧化釋放完全氧化釋放總能量的總能量的54% 葡萄糖徹底氧化時的葡萄糖徹底氧化時的ATP合成總結(jié)算合成總結(jié)算第38頁/共44頁3919-31= ATP、ADP/AMP和和NADH 相對濃度的變化對糖酵解、相對濃度的變化對糖酵解、 丙酮酸氧化脫羧、檸檬酸循丙酮酸氧化脫羧、檸檬酸循 環(huán)和氧化磷酸化的環(huán)和氧化磷酸化的連鎖調(diào)節(jié)連鎖調(diào)節(jié) - 高能態(tài)抑制高能態(tài)抑制 - 低能態(tài)促進低能

38、態(tài)促進3. 氧化磷酸化調(diào)節(jié)氧化磷酸化調(diào)節(jié)第39頁/共44頁40G21.30 電子傳遞及氧化磷酸化的常見抑制劑作用部位電子傳遞及氧化磷酸化的常見抑制劑作用部位二環(huán)己基碳二亞胺二環(huán)己基碳二亞胺寡霉素寡霉素解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚雙雙(羥羥)香豆素香豆素氟羰氰苯腙氟羰氰苯腙魚藤酮魚藤酮蝶啶蝶啶阿密妥阿密妥汞制劑汞制劑地美露地美露噻吩甲酰三氟丙酮噻吩甲酰三氟丙酮萎銹靈萎銹靈 抗霉素抗霉素氰化物氰化物疊氮化物疊氮化物CO自學(xué)自學(xué)(cf. p338, 342 & 344)第40頁/共44頁41小結(jié)：電子傳遞鏈與氧化磷酸化小結(jié)：電子傳遞鏈與氧化磷酸化 化學(xué)滲透假說為氧化磷酸化的能量偶聯(lián)機制研究化學(xué)滲透假說為氧化磷酸化的能量偶聯(lián)機制研究 提供了框架：提供了框架：e流流能量以同