生物化學(xué)第21章 氧化磷酸化

1、第21章 氧化磷酸化作用 氧化磷酸化氧化磷酸化是有機(jī)分子在細(xì)胞內(nèi)氧化分是有機(jī)分子在細(xì)胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水，并釋放出能量形成解成二氧化碳和水，并釋放出能量形成ATPATP的過(guò)程的過(guò)程。 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)： 需氧細(xì)胞通過(guò)一系列酶的催化作用實(shí)現(xiàn)的一系需氧細(xì)胞通過(guò)一系列酶的催化作用實(shí)現(xiàn)的一系列以電子傳遞為基礎(chǔ)的氧化還原反應(yīng)。列以電子傳遞為基礎(chǔ)的氧化還原反應(yīng)。概述線粒體的電子傳遞鏈The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of oxidative phosphor

2、ylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies in biological energy transductions.線粒體的電子傳遞鏈（一）電子傳遞過(guò)程 電子傳遞過(guò)程包括電子從還原型輔酶上通過(guò) 一系列按照電子親和力遞增順序排列的電子載體所構(gòu)成的電子傳遞鏈傳遞到氧的過(guò)程。 需氧細(xì)胞內(nèi)糖、脂肪、氨基酸等通過(guò)各自的分解途徑，所形成的還原型輔酶，包括NADH和FADH2通過(guò)電子傳遞途徑被重新氧化。還原型輔酶上的氫原子以質(zhì)子形式脫下， 其電子沿著一系列的電子載體轉(zhuǎn)移，最后轉(zhuǎn)移到分子氧。質(zhì)子和離子型氧結(jié)合

3、成水。在電子傳遞過(guò)程中釋放出的大量自由能則使ADP磷酸化成ATP。線粒體的電子傳遞鏈（二）電子傳遞鏈（二）電子傳遞鏈電子從電子從NADH到到O2的傳遞所經(jīng)過(guò)的途徑形象地被稱為的傳遞所經(jīng)過(guò)的途徑形象地被稱為電子電子鏈鏈，也稱呼吸鏈。由一系列的遞氫體，也稱呼吸鏈。由一系列的遞氫體(hydrogen transfer)和遞電子體和遞電子體(eletron transfer)按一定的順序排列所組成的按一定的順序排列所組成的連續(xù)反應(yīng)體系，它將代謝物脫下的成對(duì)氫原子交給氧生成連續(xù)反應(yīng)體系，它將代謝物脫下的成對(duì)氫原子交給氧生成水，同時(shí)有水，同時(shí)有ATP生成。生成。 線粒體的電子傳遞鏈（三）電子載體：（三）電

4、子載體： 呼吸鏈電子載體主要有：呼吸鏈電子載體主要有：NADNAD+ +、黃素蛋白、黃素蛋白、輔酶輔酶Q Q 、鐵硫蛋白、銅原子、細(xì)胞色素等。、鐵硫蛋白、銅原子、細(xì)胞色素等。 線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈1 1、NADNAD+ + 即煙酰胺嘌呤二核苷酸，是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈。 （NAD：RH，NADP：RPO3H2） 線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈NAD+-linked dehydrogenases remove two hydrogen atoms from their substrates. One of these is transferred a

5、s a hydride ion (:H-) to NAD+; the other is released as H+ in the medium線粒體的電子傳遞鏈2 2、黃素蛋白：、黃素蛋白： 含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子2個(gè)質(zhì)子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的NADH脫氫酶，以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。 線粒體的電子傳遞鏈3 3、輔酶、輔酶Q Q： 是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過(guò)氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式即氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。 線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈4 4、鐵硫蛋白：、鐵硫蛋白： 在其分

6、子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合，通過(guò)Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞，有FeS、2Fe-2S和4Fe-4S三種類型 線粒體的電子傳遞鏈All iron-sulfur proteins participate in one-electron transfers in which one iron atom of the iron-sulfur cluster is oxidized or reduced. At least eight Fe-S proteins function in mitochondrial electron transfer. The reduction poten

7、tial of Fe-S proteins varies from -0.65 V to +0.45 V, depending on the microenvironment of the iron within the protein.線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈5、銅原子： 位于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素氧化酶上，形成類似于鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)，通過(guò)Cu2+、Cu1+的變化傳遞電子。 線粒體的電子傳遞鏈6、細(xì)胞色素： 分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，通過(guò)Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。 線粒體的電子傳遞鏈

8、Typical visible absorption spectra of cytochromes線粒體的電子傳遞鏈（四）呼吸鏈的復(fù)合體 線粒體的電子傳遞鏈（四）呼吸鏈的復(fù)合體 1、復(fù)合體I 1、在NADH脫氫酶的作用下，NADH將一個(gè)氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移給FMN，形成FMNH2。2、FMNH2經(jīng)兩步將2H傳給輔酶Q。輔酶Q一次接受一個(gè)電子，經(jīng)過(guò)半醌陰離子中間物（Q-），最后達(dá)到充分還原態(tài)泛醌醇（QH2）。3、每從NADH轉(zhuǎn)移一對(duì)電子給Q，將有4個(gè)質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到膜間隙。復(fù)合體I中依次進(jìn)行的反應(yīng)線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈2、復(fù)合體II（琥珀酸-Q還原酶）復(fù)合體II至少由4條肽鏈

9、組成，含有一個(gè)FAD，3個(gè)鐵硫蛋白，其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁酕ADFe-SQ。線粒體的電子傳遞鏈3、復(fù)合體III（細(xì)胞色素還原酶）線粒體的電子傳遞鏈二個(gè)QH2參與電子傳遞過(guò)程，使二個(gè)細(xì)胞色素C還原，經(jīng)過(guò)全過(guò)程又產(chǎn)生了一個(gè)QH2。這樣使得攜帶二個(gè)電子的載體QH2經(jīng)過(guò)細(xì)胞色素還原酶后轉(zhuǎn)交給帶一個(gè)電子的細(xì)胞色素C。這有利于電子的有效利用。線粒體的電子傳遞鏈4、復(fù)合體IV（細(xì)胞色素氧化酶）細(xì)胞色素氧化酶接受和傳遞電子的順序是：細(xì)胞色素C CuA 血紅素a血紅素a3 CuB，最后交給分子氧形成水。線粒體的電子傳遞鏈線粒體的電子傳遞鏈A model for

10、 the mechanism of O2 reduction by cytochrome oxidase線粒體的電子傳遞鏈（五）兩條主要的呼吸鏈 復(fù)合物、組成主要的呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化，復(fù)合物、組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化 線粒體的電子傳遞鏈（六）電子傳遞的抑制劑 氧化磷酸化的機(jī)制氧化磷酸化的機(jī)制1、化學(xué)滲透假說(shuō)：電子傳遞鏈像一個(gè)質(zhì)子泵，電子傳遞過(guò)程中所釋放的能量，可促使質(zhì)子由線粒體基質(zhì)移位到線粒體內(nèi)膜外膜間空間形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，即線粒體外側(cè)的H+濃度大于內(nèi)側(cè)并蘊(yùn)藏了能量。當(dāng)電子傳遞被泵出的質(zhì)子，在H+濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)FoF1ATP酶中的特異的H+通道或“孔道”流動(dòng)返

11、回線粒體基質(zhì)時(shí)，則由于H+流動(dòng)返回所釋放的自由能提供FoF1ATP酶催化ADP與Pi偶聯(lián)生成ATP。氧化磷酸化的機(jī)制此假說(shuō)主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：偶聯(lián)需要完整的線粒體內(nèi)膜。膜對(duì)帶電的溶劑是不通透的，否則質(zhì)子濃度梯度將消 失，離子代謝物通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體跨過(guò)膜。通過(guò)電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度，使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間隙）的H濃度升高。位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶在跨膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)反應(yīng)中催化ADP磷酸化氧化磷酸化的機(jī)制氧化磷酸化的機(jī)制2、質(zhì)子梯度的形成電子傳遞使復(fù)合體、推動(dòng)H 跨過(guò)線粒體內(nèi)膜到 線粒體的間隙，線粒體間隙與細(xì)胞溶膠相接觸。H 跨膜流動(dòng)的 結(jié)果造成線粒體內(nèi)膜內(nèi)部基質(zhì)的 H 濃

12、度低于間隙。線粒體基質(zhì)形成負(fù)電勢(shì)，而間隙形成正電勢(shì)，這樣產(chǎn)生的電化學(xué)梯度即電動(dòng)勢(shì)稱為質(zhì)子動(dòng)勢(shì)或質(zhì)子動(dòng)力。其中蘊(yùn)藏著自由能即是ATP合成的動(dòng)力。氧化磷酸化的機(jī)制質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機(jī)制有兩種假設(shè)：（1） 氧化還原回路機(jī)制 該機(jī)制由Mitchell 提出。他認(rèn)為線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的各個(gè)氧化還原中心即FMN、CoQ、細(xì)胞色素以及鐵硫聚簇的排列可能既能執(zhí)行電子的轉(zhuǎn)移，又能轉(zhuǎn)移基質(zhì)的質(zhì)子。前一個(gè)被還原的氧化還原中心被后一個(gè)氧化還原中心再氧化， 同時(shí)相伴而產(chǎn)生的是質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，包括質(zhì)子由基質(zhì)泵出和在線粒體內(nèi)膜外的質(zhì)子回流到基質(zhì)一邊。氧化磷酸化的機(jī)制（2） 質(zhì)子泵機(jī)制 這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體的構(gòu)像變化。質(zhì)子

13、轉(zhuǎn)移是氨基酸側(cè)鏈PK值變化產(chǎn)生影響的結(jié)果。構(gòu)像變化造成氨基酸側(cè)鏈PK值的改變，結(jié)果發(fā)揮質(zhì)子泵作用的側(cè)鏈暴露在外并交替地暴露在線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，從而是質(zhì)子發(fā)生移位。這種系統(tǒng)即認(rèn)為是質(zhì)子泵的機(jī)制 1960年，年，E.Racker的氧化磷酸化的重組實(shí)驗(yàn)：的氧化磷酸化的重組實(shí)驗(yàn)：超聲波超聲波胰蛋白酶胰蛋白酶或尿素或尿素重組重組亞亞線粒體囊泡線粒體囊泡有電子傳遞能力有電子傳遞能力但不能使但不能使ADPADP磷酸化磷酸化具備氧化磷酸化能力具備氧化磷酸化能力氧化磷酸化的機(jī)制3、ATP合酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理 氧化磷酸化的機(jī)制3、ATP合酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理 ATP合酶（ATP synthetase），分子量

14、500KD。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的Fo（基部），它可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，也可以水解ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子。氧化磷酸化的機(jī)制F1由5種多肽組成33復(fù)合體，具有三個(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)（每個(gè)亞基具有一個(gè)）。和單位交替排列，狀如桔瓣。貫穿復(fù)合體（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子），并與F0接觸，幫助與F0結(jié)合。與F0的兩個(gè)b亞基形成固定復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的定子）。 F0由三種多肽組成ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個(gè)c亞基組成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道，可使質(zhì)子由膜間隙流回基質(zhì)。 氧化磷酸化的機(jī)制ATP的合成機(jī)制構(gòu)象耦聯(lián)假說(shuō)ATP酶利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)，產(chǎn)生構(gòu)象的改變，改變與底物的親和力，催化A

15、DP與Pi形成ATP。F1具有三個(gè)催化位點(diǎn)，但在特定的時(shí)間，三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同、因而與核苷酸的親和力不同。在L構(gòu)象（loose），ADP、 Pi與酶疏松結(jié)合在一起；在T（tight)構(gòu)象底物與酶緊密結(jié)合在一起，在這種情況下可將兩者加合在一 起;在O(open)構(gòu)象ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。質(zhì)子通過(guò)F0時(shí)，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部是高度不對(duì)稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP。氧化磷酸化的機(jī)制ATP的合成機(jī)制構(gòu)象耦聯(lián)假說(shuō)氧化磷酸化的機(jī)制Noji H et al. Nature, 1

16、997,386:299-302氧化磷酸化的機(jī)制P/O比（每對(duì)電子沿傳遞鏈轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的ATP數(shù)）取決于跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子數(shù)。每分子ATP的合成大約需要4個(gè)質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，NADH沿傳遞鏈傳遞伴隨10個(gè)質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，因此產(chǎn)生2.5ATP，F(xiàn)ADH2沿傳遞鏈傳遞只伴隨6個(gè)質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，故產(chǎn)生1.5ATP。 氧化磷酸化的機(jī)制4、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制（1）解偶聯(lián)劑(uncoupler)解偶聯(lián)劑使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可以進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行，解偶聯(lián)劑作用的本質(zhì)是增大線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而無(wú)ATP生成，解偶聯(lián)劑只影響氧化磷酸化而不干擾底物水平磷酸化，解偶聯(lián)劑的作用使氧化釋

17、放出來(lái)的能量全部以熱的形式散發(fā)。動(dòng)物棕色脂肪組織線粒體中有獨(dú)特的解偶聯(lián)蛋白，使氧化磷酸化處于解偶聯(lián)狀態(tài)，這對(duì)于維持動(dòng)物的體溫十分重要。常用的解偶聯(lián)劑有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，過(guò)量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。 氧化磷酸化4、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制（2）磷酸化抑制劑）磷酸化抑制劑與F0結(jié)合結(jié)合，阻斷H+通道，從而抑制ATP合成。如：寡霉素（oligomycin）、二環(huán)己基碳化二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide，DCC) 氧化磷酸化5、細(xì)胞溶

18、膠內(nèi)NADH的再氧化穿梭機(jī)制（1）甘油磷酸穿梭機(jī)制首先，在胞液甘油-3-磷酸脫氫酶催化下，NADH使磷酸二羥丙酮還原生成甘油-3-磷酸然后，甘油-3-磷酸被跨膜的甘油-3-磷酸脫氫酶復(fù)合物轉(zhuǎn)換回二羥丙酮磷酸。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，兩個(gè)電子被轉(zhuǎn)移到跨膜酶的FAD輔基上生成FADH2。FADH2將兩個(gè)電子轉(zhuǎn)給可移動(dòng)的電子載體Q，然后再轉(zhuǎn)給泛醌-細(xì)胞色素c氧化還原酶（復(fù)合物III）。 胞液中的NADH通過(guò)這一途徑轉(zhuǎn)換成QH2后氧化所產(chǎn)生的能量（1.5個(gè)ATP）比線粒體內(nèi)NADH氧化的能量（2.5個(gè)ATP）少。氧化磷酸化5、細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化穿梭機(jī)制氧化磷酸化5、細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化穿梭機(jī)制（2）蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制首先，在蘋果酸脫氫酶的催化下，胞液NADH將草酰乙酸還原為蘋果酸。其次，蘋果酸經(jīng)二羧酸轉(zhuǎn)位酶進(jìn)入線粒體基質(zhì)。在基質(zhì)中，線粒體蘋果酸脫氫酶催化蘋果酸重新氧化為草酰乙酸，使線粒體內(nèi)的NAD還原為NADH，經(jīng)呼吸鏈氧化。草酰乙酸在線粒體天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的催化下，與谷氨酸反應(yīng)生成a-酮戊二酸和天冬氨酸。a-酮戊二酸經(jīng)二羧酸轉(zhuǎn)位酶運(yùn)出線粒體。氧化磷酸化5、細(xì)胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化穿梭機(jī)制（2）蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制天冬氨酸經(jīng)谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)位酶與谷氨酸交換運(yùn)出線粒體。在胞液中，天冬氨酸和a-酮戊二酸在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的作用下生成谷氨酸和草酰乙酸，谷氨酸在與天冬氨酸的交換中重