第三節(jié) 電子傳遞和氧化呼吸鏈

1、第三節(jié)第三節(jié) 電子傳遞和氧化呼吸鏈電子傳遞和氧化呼吸鏈 主要內(nèi)容主要內(nèi)容：重點(diǎn)討論線粒體電重點(diǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理。一、生物氧化概述一、生物氧化概述 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成化分解生成CO2和和H2O并釋放出能量的過(guò)程稱為并釋放出能量的過(guò)程稱為生物生物氧化氧化（biological oxidation），），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。（一）生物氧化的特點(diǎn)（一）生物氧化的特點(diǎn)

2、 在活的細(xì)胞中在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過(guò)程中氧化過(guò)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ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過(guò)程中既不會(huì)截獲，再供給機(jī)體所需。在此過(guò)程中既不會(huì)因氧化過(guò)程因氧化過(guò)程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可能得到有效的利用。放的能量盡可能得到有效的利用。v生物氧化生物氧化和有

3、機(jī)物在和有機(jī)物在體外氧化（燃燒）體外氧化（燃燒）的實(shí)質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧的實(shí)質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣，都生成結(jié)合，消耗氧氣，都生成CO2和和H2O，所，所釋放的能量也相同。但二者進(jìn)行的方式釋放的能量也相同。但二者進(jìn)行的方式和歷程卻不同：和歷程卻不同：細(xì)胞內(nèi)溫和條件（常溫、常壓、細(xì)胞內(nèi)溫和條件（常溫、常壓、中性中性pH、水溶液）、水溶液）高溫或高壓、干燥條件高溫或高壓、干燥條件一系列酶促反應(yīng)一系列酶促反應(yīng) 無(wú)機(jī)催化劑無(wú)機(jī)催化劑逐步氧化放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高能量爆發(fā)釋放能量爆發(fā)釋放釋放的能量轉(zhuǎn)化成釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用被利用轉(zhuǎn)換為光和轉(zhuǎn)換為

4、光和 熱，散失熱，散失（二）（二）CO2的生成的生成 方式方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成CO2。 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丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶CH2-NH2R（三）（三）H2O的生成的生成 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（

5、體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶例：例：12 O2NAD+電子傳遞鏈電子傳遞鏈 H2O2eO=2H+脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它單糖其它單糖三羧酸三羧酸循環(huán)循環(huán)電子傳遞電子傳遞（氧化）（氧化）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物分小分子化合物分解成共同的中間解成共同的中間產(chǎn)物（如產(chǎn)物（如丙酮酸丙酮酸、乙酰、乙酰CoA等）等） 共

6、同中間產(chǎn)物進(jìn)共同中間產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)入三羧酸循環(huán),氧氧化脫下的氫由電化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生子傳遞鏈傳遞生成成H2O，釋放出釋放出大量能量，其中大量能量，其中一部分通過(guò)磷酸一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在化儲(chǔ)存在ATP中中。大分子降解成大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位基本結(jié)構(gòu)單位 生物氧化的三個(gè)階段生物氧化的三個(gè)階段二、電子傳遞鏈（呼吸鏈）二、電子傳遞鏈（呼吸鏈）（一）線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）電子傳遞呼吸鏈的概念（二）電子傳遞呼吸鏈的概念（三）呼吸鏈的組成（三）呼吸鏈的組成（四）機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化（四）機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化（五）電子傳遞抑制劑（五）電子傳遞抑制

7、劑（一）線粒體結(jié)構(gòu)（一）線粒體結(jié)構(gòu)嵴嵴線粒體外膜線粒體外膜 自由透過(guò)小分子和離子自由透過(guò)小分子和離子線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜 不能自由透過(guò)大部分小分子和離子不能自由透過(guò)大部分小分子和離子,包括包括H+。 含有：電子傳遞體（復(fù)合體含有：電子傳遞體（復(fù)合體I、II、III、IV） ADP-ATP轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)運(yùn)載體 ATP合酶（合酶（FoF1） 其他載體其他載體線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)含有丙酮酸脫氫酶含有丙酮酸脫氫酶 檸檬酸循環(huán)酶系檸檬酸循環(huán)酶系 脂肪酸脂肪酸-氧化酶系氧化酶系 DNA，核糖體其他酶，核糖體其他酶 ATP、ADP、Pi、Mg2+ 、 Ca2+ 、 K+ 可溶的中間代謝產(chǎn)物可溶的中間代謝產(chǎn)物Cr

8、istae (the infoldings of the inner membrane of mitochondria) is where the respiratory chain is located.（二）線粒體呼吸鏈（二）線粒體呼吸鏈 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生這里氧化所產(chǎn)生的的NADH和和FADH2將質(zhì)子和電子將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給載體的傳遞，最后傳遞給O2生成生成H2O。這種由載這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱體組成的電子傳遞

9、系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（電子傳遞鏈（electron transfer chain),因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦，亦稱為呼吸鏈。稱為呼吸鏈。v電子傳遞鏈在原核生物存在于電子傳遞鏈在原核生物存在于質(zhì)膜質(zhì)膜上，在真上，在真核細(xì)胞存在于核細(xì)胞存在于線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜上。上。呼吸鏈由呼吸鏈由4個(gè)多蛋白的復(fù)合物個(gè)多蛋白的復(fù)合物（I, II, III, 和和 IV;3個(gè)是質(zhì)子泵）和個(gè)是質(zhì)子泵）和2個(gè)移動(dòng)的電子個(gè)移動(dòng)的電子載體，泛醌（載體，泛醌（Q或輔酶或輔酶Q）以及細(xì)胞色素）以及細(xì)胞色素c組組成。成。呼吸鏈中蛋白質(zhì)的輔基包括呼吸鏈中蛋白質(zhì)的輔基包括：黃素類（黃素類（FMN，F(xiàn)

10、AD），），血紅素（血紅素血紅素（血紅素 A，鐵原卟啉，鐵原卟啉IX ，血紅素，血紅素 C），），鐵硫聚簇（鐵硫聚簇（ 2Fe-2S, 4Fe-4S), 和和 銅銅 。呼吸鏈上很多電子載體的順序通呼吸鏈上很多電子載體的順序通過(guò)多種研究得以闡明過(guò)多種研究得以闡明 方法一：測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)還原電位（方法一：測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)還原電位（ E0） 電子傾向于從低還原電位（電子傾向于從低還原電位（ E0）的載）的載體流向還原電位高的載體（不過(guò)在真正體流向還原電位高的載體（不過(guò)在真正的細(xì)胞中可能有偏差）的細(xì)胞中可能有偏差）Electron carriers may have an order of increasing E

11、0方法二：氧化作用動(dòng)力學(xué)研究方法二：氧化作用動(dòng)力學(xué)研究完全的還原伴隨著完全的還原伴隨著O2的突然傳導(dǎo)；的突然傳導(dǎo)；較早的氧化作用更接近呼吸鏈的末端；較早的氧化作用更接近呼吸鏈的末端；使用快速而靈敏的分光光度技術(shù)跟隨細(xì)使用快速而靈敏的分光光度技術(shù)跟隨細(xì)胞色素的氧化作用，發(fā)現(xiàn)最大吸收峰的波胞色素的氧化作用，發(fā)現(xiàn)最大吸收峰的波長(zhǎng)不同。長(zhǎng)不同。方法三方法三: : 各種特異性抑制劑的作用，在阻止步驟各種特異性抑制劑的作用，在阻止步驟之前的處于還原態(tài)而阻止之后的處于氧化態(tài)。之前的處于還原態(tài)而阻止之后的處于氧化態(tài)。魚藤酮魚藤酮 抗霉素抗霉素 A方法四方法四: :分離并鑒分離并鑒定每個(gè)多定每個(gè)多蛋白質(zhì)復(fù)蛋白質(zhì)

12、復(fù)合物：合物：鏈上組分鏈上組分中特有的中特有的電子供體電子供體和受體可和受體可以確定。以確定。（三）呼吸鏈的組成（三）呼吸鏈的組成NADH輔輔 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黃素蛋白黃素蛋白（FAD）黃素蛋白黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類鐵硫蛋白鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白鐵硫蛋白（Fe-S）NADH呼吸鏈呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合體復(fù)合體 I復(fù)合物復(fù)合物 IIINADH脫氫酶脫氫酶細(xì)胞色素

13、細(xì)胞色素還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-輔輔酶酶Q還原酶還原酶FADH2呼吸鏈呼吸鏈兩條主要呼吸鏈兩條主要呼吸鏈1.NADH-Q還原酶還原酶(NADH脫氫酶、復(fù)脫氫酶、復(fù)合體合體） vNADH-Q還原酶是一個(gè)大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，還原酶是一個(gè)大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，F(xiàn)MN和鐵和鐵-硫蛋白硫蛋白（Fe-S）是該酶的輔基，由輔基或輔酶）是該酶的輔基，由輔基或輔酶負(fù)責(zé)傳遞電子和氫。負(fù)責(zé)傳遞電子和氫。 傳遞氫機(jī)理傳遞氫機(jī)理: NAD+ + 2H+ +2e NADH + H+NAD(P)H + H+FMN FMNH2 +NAD（P）+輔酶輔酶Q是呼吸鏈?zhǔn)呛粑滊娮觽鬟f的樞紐電子傳遞的樞紐Ub

14、iquinone (Q)accepts electronsfrom both NADHand FADH2 in therespiratory chainFMN can accept one electron or FMNH2 can donate one electron to form a semiquinoneradical intermediate.鐵硫蛋白鐵硫蛋白 +e 傳遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理：Fe3+ Fe2+ -e 特點(diǎn)特點(diǎn)：含有含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，原子，F(xiàn)e和和S常以等摩爾量存在（常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成構(gòu)成FeS中心，中心，

15、Fe與蛋白質(zhì)分子中的與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)個(gè)Cys殘殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)?；膸€基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。2Fe-2SDifferent types of iron-sulfur centers2Fe-2S4Fe-4SFerredoxin（鐵氧還蛋白鐵氧還蛋白）Iron atoms cycle between Fe2+ (reduced) and Fe3+(oxidized).2. CoQ 特點(diǎn)特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，是是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由自由擴(kuò)

16、散。擴(kuò)散。 功能基團(tuán)是苯醌，通過(guò)醌功能基團(tuán)是苯醌，通過(guò)醌/酚的互變傳遞氫，酚的互變傳遞氫，Q (醌型結(jié)構(gòu)醌型結(jié)構(gòu)) 很容易接受很容易接受2個(gè)電子和個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，還原個(gè)質(zhì)子，還原成成QH2（還原型）；（還原型）；QH2也容易給出也容易給出2個(gè)電子和個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，。因此，它在線粒體呼吸它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。 泛醌是一個(gè)移動(dòng)泛醌是一個(gè)移動(dòng)的電子的電子/ /質(zhì)子載體質(zhì)子載體脂溶性的苯醌有一個(gè)脂溶性的苯醌有一個(gè)很長(zhǎng)的異戊二烯側(cè)鏈，很長(zhǎng)的異戊二烯側(cè)鏈，可以接受可以接受1或或2個(gè)電子，個(gè)電子，形成半醌或還原型輔形成

17、半醌或還原型輔酶酶Q。（。（QH2）；）； QH2擴(kuò)散到下一個(gè)復(fù)擴(kuò)散到下一個(gè)復(fù)合物（合物（III）；是唯一）；是唯一的一個(gè)不結(jié)合于一種的一個(gè)不結(jié)合于一種蛋白的電子載體。蛋白的電子載體。3. 琥珀酸琥珀酸- -Q還原酶（復(fù)合體還原酶（復(fù)合體）v琥珀酸脫氫酶也是此復(fù)合體的一部分，其輔基琥珀酸脫氫酶也是此復(fù)合體的一部分，其輔基包括包括FAD和和Fe-S聚簇。聚簇。v琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時(shí)其輔基時(shí)其輔基FAD還原為還原為FADH2，然后，然后FADH2又將又將電子傳遞給電子傳遞給Fe-S聚簇。聚簇。v最后電子由最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀

18、酸聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的還原酶的輔酶輔酶CoQ。 琥珀酸琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ4. .細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶（細(xì)胞色素（細(xì)胞色素bcbc1 1復(fù)合體、復(fù)合體復(fù)合體、復(fù)合體）v含有兩種細(xì)胞色素（細(xì)胞色素含有兩種細(xì)胞色素（細(xì)胞色素b、細(xì)胞色、細(xì)胞色素素c1）和一鐵硫蛋白（）和一鐵硫蛋白（ 2Fe-2S ）。）。v細(xì)胞色素細(xì)胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體的作用是將的作用是將電子電子從從QH2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素cQH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c細(xì)胞色素細(xì)胞色素（ 傳遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特

19、點(diǎn)特點(diǎn)：以血紅素（以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。成份為鐵卟啉。 類別類別: 根據(jù)吸收光譜分成根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中三類，呼吸鏈中含含5種（種（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在呼在呼吸鏈中為電子傳遞體，吸鏈中為電子傳遞體，a和和a3以復(fù)合物存在，稱以復(fù)合物存在，稱細(xì)胞細(xì)胞色素氧化酶色素氧化酶，其分子中除含，其分子中除含F(xiàn)e外還含有外還含有Cu ，可將電，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶末端氧化酶。細(xì)胞色素細(xì)胞色素=血紅素血紅素+蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)血紅素有血紅素有a,b和和cCy

20、t c是水溶性的，存在于是水溶性的，存在于內(nèi)外膜之間，在復(fù)合體內(nèi)外膜之間，在復(fù)合體III和和IV間傳遞電子間傳遞電子血紅素中的鐵得失電子而血紅素中的鐵得失電子而還原和氧化還原和氧化Cyt a: 600 nmCyt b: 560 nmCyt c: 550 nmReduced cytochromeshas three absorptionbands in the visible wavelengthsCytochrome bc1 complex (Complex III)5. .細(xì)胞色素細(xì)胞色素c cv在復(fù)合體在復(fù)合體III和和之間傳遞電子。之間傳遞電子。（細(xì)胞色素（細(xì)胞色素c 交互地與細(xì)胞色素還

21、原酶的交互地與細(xì)胞色素還原酶的C1和細(xì)胞色素氧化酶接觸）和細(xì)胞色素氧化酶接觸）v是唯一能溶于水的細(xì)胞色素。是唯一能溶于水的細(xì)胞色素。v相對(duì)分子質(zhì)量為相對(duì)分子質(zhì)量為13000，由，由104個(gè)氨個(gè)氨基酸構(gòu)成的單一肽鏈?；針?gòu)成的單一肽鏈。1 2345678半胱氨酸6. 細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體（復(fù)合體、細(xì)胞色素細(xì)胞色素c氧化酶氧化酶 ）v由由 cyta和和a3 組成。復(fù)合物中除了含有鐵卟組成。復(fù)合物中除了含有鐵卟啉外，還含有啉外，還含有2個(gè)銅原子（個(gè)銅原子（CuA，CuB）。）。Cyta與與CuA相配合，相配合，cyta3與與CuB相配合，當(dāng)相配合，當(dāng)電子傳遞時(shí)，細(xì)胞色素的電子傳遞時(shí)，

22、細(xì)胞色素的Fe3+ 、 Fe2+間循環(huán)，間循環(huán)，同時(shí)同時(shí)Cu2+ 、 Cu+間循環(huán)，將電子從間循環(huán)，將電子從cytc直接直接傳遞給傳遞給O2，也叫末端氧化酶。，也叫末端氧化酶。The three critical subunits of cytochrome oxidase (Complex IV)A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure determined in 1996CuBHeme aHeme a32CuACuACuAThe electronpath in Complex IVNADH呼吸鏈呼吸鏈NADHFMNCoQFe-S

23、Cyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合體復(fù)合體 I復(fù)合物復(fù)合物 IIINADH脫氫酶脫氫酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶Q還原酶還原酶FADH2呼吸鏈呼吸鏈（四）機(jī)體內(nèi)兩條主要呼（四）機(jī)體內(nèi)兩條主要呼吸鏈和能量的變化吸鏈和能量的變化電電子子傳傳遞遞鏈鏈標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)氧氧化化還還原原自自由由能能變變化化NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合體復(fù)合體

24、I復(fù)合物復(fù)合物 IIINADH脫氫酶脫氫酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶Q還原酶還原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/VThe chemiosmoticmodel by Mitchell（五）電子傳遞（五）電子傳遞 抑制劑抑制劑概念：概念：能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。 電子傳遞抑制劑的使用是研究電子傳遞抑制劑的使用是研究呼吸鏈呼吸鏈中電子傳遞體順序的有效方法。（阻斷中電子傳遞體順序的有效方法。（阻斷部位物質(zhì)的氧化部位物質(zhì)的氧化-還原狀態(tài)可以測(cè)出

25、）還原狀態(tài)可以測(cè)出）電子傳遞電子傳遞 抑制劑抑制劑NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合物復(fù)合物 I復(fù)合物復(fù)合物 III魚藤酮魚藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO抗霉素抗霉素 A的的抑制部位抑制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸鏈的比擬圖解呼吸鏈的比擬圖解第四節(jié)第四節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 一、氧化磷酸化一、氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于合成合成ATP（即即ADP

26、+PiATP）,這種氧化放能和這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)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 + H2O生物氧化過(guò)程中生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能釋放出的自由能磷氧比磷氧比（ P/O ）呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消

27、耗消耗一分子一分子Pi ，因此，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。分子數(shù)。NADHFADH2O O2 212H2OH2O例例 實(shí)測(cè)得實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈呼吸鏈： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP實(shí)測(cè)得實(shí)測(cè)得FADHFADH2 2呼吸鏈呼吸鏈： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理1.線

28、粒體線粒體ATP合酶（合酶（mitochondrial ATPase）2.能量偶聯(lián)假說(shuō)能量偶聯(lián)假說(shuō) 1953年年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 1964年年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 1961年年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說(shuō)化學(xué)滲透假說(shuō)3.質(zhì)子梯度的形成質(zhì)子梯度的形成4.ATP合成的機(jī)制合成的機(jī)制1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)H+被吸引到膜的被吸引到膜的Fo通道的基質(zhì)側(cè)，在通道的基質(zhì)側(cè)，在Fo和和F1連接處形成高濃連接處形成高濃度的度的H+通過(guò)通過(guò)ATP合酶每傳合酶每傳送送4H+引導(dǎo)引導(dǎo)1個(gè)個(gè)ATP的的生成生成線粒體線粒體

29、ATP合酶復(fù)合體組分合酶復(fù)合體組分亞基亞基相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)分子質(zhì)量作用作用定位定位F1378000含有合成含有合成ATP的催化部位的催化部位線粒體內(nèi)膜向基線粒體內(nèi)膜向基質(zhì)側(cè)的球狀體質(zhì)側(cè)的球狀體560005300034000140006000F025000、21000、12000、8000含有質(zhì)子通道含有質(zhì)子通道跨膜部位跨膜部位IF110000調(diào)節(jié)質(zhì)子流及調(diào)節(jié)質(zhì)子流及ATP的合成的合成F0F1之間的柄之間的柄OSCP23000F68000 氧化磷酸化重建示意圖氧化磷酸化重建示意圖內(nèi)膜內(nèi)膜F0F1 ATP酶酶e e- -ADP+Pi底物底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)基質(zhì)膜間隙膜間隙電子傳遞鏈電子傳

30、遞鏈 電子傳遞的自電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)由能驅(qū)動(dòng)H+從線從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成，從而形成H+跨跨線粒體內(nèi)膜的電線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個(gè)化學(xué)梯度，這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)梯度的電化學(xué)勢(shì)( H+ )驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)ATP的合成。的合成。三、化學(xué)滲透假說(shuō)三、化學(xué)滲透假說(shuō)( (chemiosmotic hypothasis) )化學(xué)滲透假說(shuō)原理示意圖化學(xué)滲透假說(shuō)原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高高質(zhì)質(zhì)子子濃濃度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流質(zhì)子流線粒體

31、內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 線粒體電子傳遞和線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑排出的數(shù)目和途徑H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2 +2H+ H2O4H+2H+2H+復(fù)合物復(fù)合物 III12 美國(guó)科學(xué)家美國(guó)科學(xué)家Boyer為解釋為解釋ATP酶作用機(jī)理，提出酶作用機(jī)理，提出旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)，認(rèn)為ATP合成酶合成酶亞基有三種不同的亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于有利于ADP和和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的可使結(jié)合的AD

32、P和和Pi合成合成ATP，第三種構(gòu)象第三種構(gòu)象(O)使合成的使合成的ATP容易被釋放出來(lái)。在容易被釋放出來(lái)。在ATP合成過(guò)程中合成過(guò)程中，三個(gè)，三個(gè)亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜所需能量由跨膜H+提供。提供。 英國(guó)科學(xué)家英國(guó)科學(xué)家Walker通過(guò)通過(guò)x光衍射獲得高分辯率的光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，酶晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在證明在ATP酶酶合成合成ATP的催化循環(huán)中三個(gè)的催化循環(huán)中三個(gè)亞基的確有不同構(gòu)象，亞基的確有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了從而有力地支持了Boyer的假說(shuō)。的假說(shuō)。 ATP合酶結(jié)構(gòu)示意

33、圖合酶結(jié)構(gòu)示意圖 旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過(guò)為質(zhì)子流通過(guò)Fo引引起亞基起亞基III 寡聚體和寡聚體和 及及 亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng)亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置這種旋轉(zhuǎn)配置 / 亞亞基之間的不對(duì)稱的基之間的不對(duì)稱的相互作用相互作用,引起催化引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變, 亞基的中心亞基的中心 -螺旋螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基亞基I和和II與與 亞基組合在亞基組合在一起組成定子一起組成定子,它壓它壓住住 / 異質(zhì)六聚體異質(zhì)六聚體.Rotation of the subunit and the ring of c subunitsin the F0F1 complexwas obs

34、erved byin vitro studies using fluorescencemicroscopy 肌動(dòng)蛋白肌動(dòng)蛋白 L態(tài)態(tài)：低親和力低親和力態(tài)，態(tài)，ATP合成合成O態(tài)態(tài)：開放態(tài)，：開放態(tài)，親和力極低，親和力極低，ATP釋放釋放T態(tài)態(tài)：緊密結(jié)緊密結(jié)合態(tài)，合態(tài)，ATP合合成成當(dāng)當(dāng)H+通過(guò)通過(guò)Fo時(shí)，時(shí)， Fo旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致F13個(gè)個(gè)亞基構(gòu)象的改變亞基構(gòu)象的改變F1 構(gòu)象的變化促構(gòu)象的變化促使使ADP+Pi合成合成ATP并釋放并釋放ATP酶作用機(jī)理酶作用機(jī)理有利于有利于ADP與與Pi結(jié)合的構(gòu)象結(jié)合的構(gòu)象有利于有利于ADP與與Pi生成的構(gòu)象生成的構(gòu)象有利于有利于ATP釋放釋放的

35、構(gòu)象的構(gòu)象Oxidative Phosphorylation(on inner membraneof mitochondria)四、四、 線粒體外線粒體外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用 1.磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 2.蘋果酸蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng)天冬氨酸穿梭系統(tǒng) 酵解酵解（細(xì)胞質(zhì)）（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化氧化磷酸化 （線粒體）（線粒體）胞漿胞漿NADH不能直接進(jìn)入線粒體不能直接進(jìn)入線粒體胞漿胞漿NADH不能直接進(jìn)不能直接進(jìn)入線粒體入線粒體穿梭系統(tǒng)：穿梭系統(tǒng)：3-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭NADH FADH2腦、骨骼肌等（速度快）腦、骨骼肌等（速度快）蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭天冬

36、氨酸穿梭NADH NADH心、骨骼肌等心、骨骼肌等 -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（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 O2NADHNAD+線線粒粒體體內(nèi)內(nèi)膜膜（細(xì)胞液）（細(xì)胞液）蘋果酸蘋果酸- -草酰乙酸穿梭作用草酰乙酸穿梭作用（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）細(xì)胞液細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜體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

37、+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)蘋果酸蘋果酸脫氫酶脫氫酶NADH+H+蘋果蘋果酸脫酸脫氫酶氫酶谷草轉(zhuǎn)谷草轉(zhuǎn)氨酶氨酶谷草轉(zhuǎn)谷草轉(zhuǎn)氨酶氨酶呼吸鏈呼吸鏈NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜內(nèi)內(nèi)外外v在酸性環(huán)境中接受在酸性環(huán)境中接受H+,成為不解離形式，是脂溶性的，成為不解離形式，是脂溶性的，很容易過(guò)膜，同時(shí)將很容易過(guò)膜，同時(shí)將H+帶入膜內(nèi)，起消除質(zhì)子濃度梯帶入膜內(nèi)，起消除質(zhì)子濃度梯度的作用，亦稱度的作用，亦稱質(zhì)子載體。質(zhì)子載體。離子載體離子載體（離子載體抑制劑離子載體抑制劑）v是一類脂溶性物質(zhì)，是一類脂溶性物質(zhì)，能與能與H

38、+以外的其他以外的其他一價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合，一價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合，并作為他們的載體使并作為他們的載體使它們能夠穿過(guò)膜，消除跨膜的電位梯度。它們能夠穿過(guò)膜，消除跨膜的電位梯度。v纈氨霉素（纈氨霉素（K+）v短桿菌肽（短桿菌肽（K+ Na+）五、葡萄糖徹底氧化生成五、葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算的總結(jié)算 葡萄糖分解通過(guò)糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的葡萄糖分解通過(guò)糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或或GTP的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計(jì)算可以得到明確的答的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計(jì)算可以得到明確的答復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分準(zhǔn)分子數(shù)并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)橘|(zhì)子泵、確，因?yàn)橘|(zhì)子泵、 ATP的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，根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(dāng)前最新測(cè)定，據(jù)當(dāng)前最新測(cè)定， H+經(jīng)經(jīng)NADH-Q還原酶、細(xì)胞色還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵出素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)時(shí)，到膜外的細(xì)胞液側(cè)時(shí)，一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為為4、2和和4。合成合成一個(gè)一個(gè)ATP分