第八章電子傳遞體系與氧化磷酸化PPT課件

1、目錄目錄第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的特點和方式生物氧化的特點和方式第二節(jié)第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系線粒體電子傳遞體系第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用第四節(jié)第四節(jié) 其它氧化體系其它氧化體系（自學(xué)）（自學(xué)）第1頁/共48頁第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的特點和方生物氧化的特點和方式式一、生物氧化的一、生物氧化的特點特點二、生物氧化過程中二、生物氧化過程中COCO2 2的生成的生成三三、生物氧化過程中生物氧化過程中H H2 2O O的生成的生成四四、有機物在體內(nèi)氧化釋能的有機物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段三個階段 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成COCO2 2和H H2 2O O并釋放

2、出能量的過程稱為生物氧化（biological oxidationbiological oxidation），其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。第2頁/共48頁生物氧化的特點 在活的細胞中（在活的細胞中（pHpH接近中性、體溫條件下），接近中性、體溫條件下），有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過程中氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATPATP）截獲，再供給機體所需。在此過程

3、中既不會因截獲，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。的能量盡可得到有效的利用。第3頁/共48頁COCO2 2的生成 方式方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成COCO2 2。 類型類型：-脫羧和脫羧和-脫羧脫羧 氧化脫羧和單純脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH

4、-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第4頁/共48頁H2O的生成 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（體（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等）所接受，再通過等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脫氫酶例：12 O2NAD+電子傳遞鏈 H2O2eO=2H+第5頁/共48頁脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi 小分子

5、化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等） 共同中間產(chǎn)物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位 生物氧化的三個階段第6頁/共48頁第二節(jié)第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系線粒體電子傳遞體系 一、線粒體一、線粒體結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點二、電子傳遞呼吸鏈的電子傳遞呼吸鏈的概念概念三、三、呼吸鏈的組成呼吸鏈的組成四、機體內(nèi)四、機體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈兩條主要的呼吸鏈及其及其能量變化能量變化五、五、電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑第7頁/共48頁線粒體結(jié)構(gòu)第8頁/共48頁線粒體呼吸鏈 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧線粒體基質(zhì)是

6、呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的生的NADHNADH和和FADHFADH2 2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給傳遞給O O2 2生成生成H H2 2O O。這種由載體組這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctron transfer chain),eclctron transfer chain),因因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈亦稱為呼吸鏈。第9頁/共48頁呼吸鏈的

7、組成1. 1. 黃素蛋白酶類（flavoproteins, FPflavoproteins, FP）2. 2. 鐵- -硫蛋白類（ironironsulfur proteins)sulfur proteins)3 3. . 輔酶（ubiquinone,ubiquinone,亦寫作CoQCoQ）4 4. . 細胞色素類（cytochromes）NADH輔 酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黃素蛋白（F AD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）第10頁/共48頁NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCyt c1O

8、2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合體 I復(fù)合物 IIINADH脫氫酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈第11頁/共48頁NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成H2O12O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡

9、索酸2e第12頁/共48頁呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADH第13頁/共48頁電子傳遞鏈標準氧化還原自由能變化NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合體 I復(fù)合物 IIINADH脫氫酶細胞色素C還原酶細胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第14頁/共48頁細胞色素還原酶部分結(jié)構(gòu)模式細胞色素氧化酶結(jié)構(gòu)示意圖 線粒體基質(zhì)17KCyt c36KIII21K23K,12K 8K, 4K ,4K 線粒體基質(zhì)(bH)(b566)(bL)(b56

10、2)2Fe-2Sc1鐵-硫蛋白 Cyt b第15頁/共48頁NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應(yīng)總反應(yīng): NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG=-nFE=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦千焦mol-1總反應(yīng)總反應(yīng)：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE = -296.50.82-(-0.18) =-193.0千焦千焦mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化第16頁/共48頁煙酰胺脫氫酶類 特點特點：以：以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +為輔酶，存在于線為輔

11、酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機理傳遞氫機理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +第17頁/共48頁黃素蛋白酶類 特點特點： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白類別類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機理：遞氫機理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第18頁/共48頁鐵硫蛋白 +e 傳遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+ Fe2+ -e 特點特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子

12、，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第19頁/共48頁CoQ 特點：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。 +2H 傳遞氫機理：CoQ CoQH2 2H第20頁/共48頁細胞色素 傳遞電子機理傳遞電子機理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特點特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞

13、體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。第21頁/共48頁CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2H CoQH2第22頁/共48頁鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機理S Fe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+ Fe2+-e+e第23頁/共48頁細胞色素血紅素的結(jié)構(gòu)傳遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+ Fe2+-e+e 波長/nm 還原型Cytc的吸收光譜第24頁/共48頁電子傳遞電子傳遞 抑制劑抑制劑NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt

14、 aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合物 I復(fù)合物 III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素 A的抑制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸鏈的比擬圖解第25頁/共48頁第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、 氧化磷酸化氧化磷酸化和和磷氧比（磷氧比（P/OP/O）的概念的概念二、二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理氧化磷酸化的偶聯(lián)機理三三、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制四、四、線粒體外線粒體外NADHNADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用五、五、葡萄糖徹底氧化生成葡萄糖徹底氧化生成ATPATP的總結(jié)算的總結(jié)算六、六、

15、能荷能荷 第26頁/共48頁氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATPATP）, ,這種氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別類別： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化過程中釋放出的自由能第27頁/共48頁磷氧比（ P/O ）呼吸過程中無機磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子P Pi i ，因此P/O

16、的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATPATP分子數(shù)。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例 實測得NADHNADH呼吸鏈： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP實測得FADHFADH2 2呼吸鏈： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP第28頁/共48頁二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理 1 1、線粒體ATPATP合酶（mitochondrial ATPasemi

17、tochondrial ATPase）2 2、能量偶聯(lián)假說 19531953年 Edward Slater Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說 19641964年 Paul Boyer Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說 19611961年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說3 3、質(zhì)子梯度的形成4 4、ATPATP合成的機制19781978年獲諾貝爾化學(xué)獎第29頁/共48頁線粒體ATP合酶第30頁/共48頁 氧化磷酸化重建示意圖第31頁/共48頁內(nèi)膜內(nèi)膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+

18、+ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基質(zhì)基質(zhì)膜間隙膜間隙電子傳遞鏈電子傳遞鏈 電子傳遞的自由能驅(qū)動電子傳遞的自由能驅(qū)動H H+ +從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成到膜間隙，從而形成H H+ +跨線跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢個梯度的電化學(xué)勢( ( H H+ + ) )驅(qū)動驅(qū)動ATPATP的合成。的合成?；瘜W(xué)滲透假說( (chemiosmotic chemiosmotic hypothasis)hypothasis)第32頁/共48頁化學(xué)滲透假說原理示意圖化學(xué)滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH

19、+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 第33頁/共48頁線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑H H2 2O O2 2H H+ +CytcCytcCytcCytcCytcCytcQ QFMNFMNFeSFeSFeSFeSCytcCytc1 1CytbCytbK KCytbCytbr rCytaCytaFeSFeSCytaCyta3 32 2e e- -2 2e e- -NADH+HNADH+H+ +NADNAD+ +O O2 2 +2H+2H+ + H H2 2O O

20、4 4H H+ +2 2H H+ +2 2H H+ +復(fù)合物 III12第34頁/共48頁Boyer和Walker的工作 英國科學(xué)家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個亞基的確有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了Boyer的假說。 Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。 美國科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認為ATP合成酶亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在AT

21、P合成過程中，三個亞基依次進行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。第35頁/共48頁ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型第36頁/共48頁ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖第37頁/共48頁第38頁/共48頁四、四、 線粒體外線粒體外NADH的氧化磷酸化作的氧化磷酸化作用用 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng)天冬氨酸穿梭系統(tǒng) 酵解（細胞質(zhì)）氧化磷酸化 （線粒體）第39頁/共48頁 -磷酸甘油穿梭（線粒體基質(zhì)）（線粒體基質(zhì)）磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NA

22、DHNAD+線粒體內(nèi)膜（細胞液）（細胞液）第40頁/共48頁蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細胞液細胞液線粒體內(nèi)膜體線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸蘋果酸蘋果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運載體）呼吸鏈第41頁/共48頁2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外第42頁/共48頁五、能五、能 荷荷定義式：能荷

23、定義式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意義意義： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在的相對數(shù)量決定，數(shù)值在01之間，反映細胞能量水平。之間，反映細胞能量水平。 能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP 、 ADP和和AMP作為代謝中某些酶分作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實子的別構(gòu)效應(yīng)物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。現(xiàn)。能荷相對速率ATP的利用途徑 ATP的生成途徑能荷對ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對速率的 影響第43頁/共48頁葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算 葡萄糖分解通過糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或GTP的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計算可以得到明確的答復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分準確，因為質(zhì)子泵、 ATP的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運過程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，根據(jù)當前最新測定， H+經(jīng)NADH-Q還原酶、細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵出到膜外的細胞液側(cè)時，一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和4。合成一個ATP分子是由3個H+通過ATP合酶所驅(qū)動，多余的一個H+ ，可能用于將