生物氧化呼吸鏈和氧化磷酸化

1、生物氧化呼吸鏈和氧化磷酸化第七章第七章 生物氧化生物氧化 序言序言第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的結(jié)構(gòu)與功能線粒體的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈）第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化 生物細(xì)胞將糖、脂、蛋白質(zhì)等燃料分子氧化分解,最終生成CO2和H2O并釋放出能量的作用稱為生物氧化(biological oxidation)。生物氧化的能量是逐步釋放的；生物氧化的能量是逐步釋放的；生物氧化過程中產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在高能化生物氧化過程中產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在高能化合物（合物（主要是主要是ATPATP）中；中；生物氧化具有嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位：生物氧化具有嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位： 原核生物原核生物

2、 細(xì)胞膜細(xì)胞膜 真核生物真核生物 線粒體線粒體節(jié)首章首高能磷酸化合物舉例 生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接形成形成ATP，大部分是以還原型輔酶，大部分是以還原型輔酶NADH和和FADH2形式貯存的；形式貯存的；本章將重點(diǎn)討論這些還原型輔酶被氧化、生本章將重點(diǎn)討論這些還原型輔酶被氧化、生成成ATP的過程，即的過程，即電子傳遞電子傳遞和和氧化磷酸化氧化磷酸化（electrontransport and oxidative phosphorylation）。）。 氧化磷酸化作用：氧化磷酸化作用： 與生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸與生物氧化作用

3、相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移而使化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移而使ADPADP形成高能形成高能ATPATP的作用。的作用。 底物水平磷酸化作用：底物水平磷酸化作用： 從一個(gè)高能化合物（例如從一個(gè)高能化合物（例如1,3-1,3-二磷酸甘油酸），將二磷酸甘油酸），將磷酰基轉(zhuǎn)移給磷?；D(zhuǎn)移給ADPADP形成形成ATPATP的過程稱為底物水平磷酸化的過程稱為底物水平磷酸化作用，即作用，即ATPATP的形成直接與一個(gè)代謝中間物上的磷酰基的形成直接與一個(gè)代謝中間物上的磷?；D(zhuǎn)移相耦聯(lián)。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成轉(zhuǎn)移相耦聯(lián)。底物水平磷酸

4、化不需要氧，是酵解中形成ATPATP的機(jī)制。的機(jī)制。 在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)，相關(guān)的酶嵌入線粒體內(nèi)膜。線粒體中體內(nèi)，相關(guān)的酶嵌入線粒體內(nèi)膜。線粒體中的氧化磷酸化是由兩個(gè)緊密偶聯(lián)的過程構(gòu)成的氧化磷酸化是由兩個(gè)緊密偶聯(lián)的過程構(gòu)成的：的：線粒體的線粒體的NADH和和FADH2通過呼吸電子傳遞通過呼吸電子傳遞鏈（鏈（respiratory electrontransport chain）被氧化；被氧化；質(zhì)子濃度梯度可作為自由能庫(kù)。質(zhì)子濃度梯度可作為自由能庫(kù)。第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的結(jié)構(gòu)與功能線粒體的結(jié)構(gòu)與功能一、線粒體的基本特征一、線粒體的基本特征 真核

5、生物中，氧化磷酸化在線粒體中進(jìn)行。真核生物中，氧化磷酸化在線粒體中進(jìn)行。 u外膜含蛋白相對(duì)較少，容許分子量小于外膜含蛋白相對(duì)較少，容許分子量小于1000010000的離子和水的離子和水溶性代謝物跨膜擴(kuò)散；溶性代謝物跨膜擴(kuò)散；u內(nèi)膜含有豐富的蛋白質(zhì)，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成內(nèi)膜含有豐富的蛋白質(zhì)，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成“嵴嵴”，使得表面積大大增加。內(nèi)膜容許不帶電荷的分子（例如水、使得表面積大大增加。內(nèi)膜容許不帶電荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的極性分子和離子不能自由分子氧和二氧化碳）通透，但大的極性分子和離子不能自由通透，需要特殊的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助才行；通透，需要特殊的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋

6、白協(xié)助才行；u線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為“膜間隙膜間隙”，膜間隙中含，膜間隙中含有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。u執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應(yīng)的復(fù)合物以及執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應(yīng)的復(fù)合物以及ATP合成酶合成酶復(fù)合物都嵌在內(nèi)膜中。復(fù)合物都嵌在內(nèi)膜中。u線粒體基質(zhì)中含有丙酮酸脫氫酶、及催化檸檬酸循環(huán)線粒體基質(zhì)中含有丙酮酸脫氫酶、及催化檸檬酸循環(huán)和脂肪酸氧化的大多數(shù)酶。和脂肪酸氧化的大多數(shù)酶。二、線粒體的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)二、線粒體的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng) 在線粒體外反應(yīng)產(chǎn)生的在線粒體外反應(yīng)產(chǎn)生的NADH不能直接通過呼吸鏈進(jìn)不能直接通過呼吸鏈進(jìn)行氧化

7、磷酸化，如行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脫氫反應(yīng)和乳酸脫氫磷酸甘油醛脫氫反應(yīng)和乳酸脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生的NADH； 線粒體外的線粒體外的NADH不能自由通過線粒體內(nèi)膜，必須借助某不能自由通過線粒體內(nèi)膜，必須借助某些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)才能進(jìn)行電子傳遞，這就些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)才能進(jìn)行電子傳遞，這就是所謂穿梭機(jī)制。體內(nèi)主要有兩種穿梭機(jī)制。是所謂穿梭機(jī)制。體內(nèi)主要有兩種穿梭機(jī)制。 在哺乳在哺乳動(dòng)物的肝動(dòng)物的肝臟和其它臟和其它的某些組的某些組織，存在織，存在著活躍的著活躍的蘋果酸蘋果酸-天天冬氨酸穿冬氨酸穿梭 機(jī) 制 。梭 機(jī) 制 。主要存在于哺乳動(dòng)物的肌肉和腦組織中。 第二節(jié)第二節(jié)

8、 電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈）線粒體的內(nèi)膜中有線粒體的內(nèi)膜中有5種與氧化磷酸化有關(guān)的種與氧化磷酸化有關(guān)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，每種復(fù)合物都催化能量轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)復(fù)合物，每種復(fù)合物都催化能量轉(zhuǎn)換過程中的某一部分反應(yīng)。換過程中的某一部分反應(yīng)。I至至IV復(fù)合物含復(fù)合物含有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而復(fù)合物復(fù)合物V是是ATP合成酶。合成酶。標(biāo)準(zhǔn)還原電位（單位為伏特）與標(biāo)準(zhǔn)自由標(biāo)準(zhǔn)還原電位（單位為伏特）與標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化（單位為能的變化（單位為kJ/mol）有直接的關(guān)系：）有直接的關(guān)系： N NADHDH氧化呼吸鏈 是細(xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因?yàn)樯镅趸^程中絕大多

9、數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶：返回琥珀酸氧化呼吸鏈 由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細(xì)胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復(fù)合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細(xì)胞色素b：返回線粒體中某些重要底物氧化時(shí)的呼吸鏈返回?zé)燉０废汆堰识塑账幔燉０废汆堰识塑账幔∟ADNAD）黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸（FMNFMN和和FADFAD）鐵硫蛋白（鐵硫中心）鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（泛醌（CoQCoQ）細(xì)胞色素（細(xì)胞色素（ CytaCyta 、CytbCytb、CytcCytc）節(jié)首章首煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 利用分子中煙酰胺基團(tuán)的可逆性還原而遞氫，還原形成的N

10、ADH即可參與組成呼吸鏈而進(jìn)行電子傳遞。 NAD和NADH結(jié)構(gòu)示意圖返回 返回鐵硫蛋白（鐵硫中心）鐵硫蛋白（鐵硫中心） 分子中常含2或4個(gè)Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個(gè)對(duì)酸不穩(wěn)定硫，其中一個(gè)Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個(gè)不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉(zhuǎn)移到泛醌上。返回泛醌泛醌 是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能進(jìn)行可逆的加氫反應(yīng)，故也屬于遞氫體。返回細(xì)胞色素細(xì)胞色素細(xì)胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下： 2CytFe3+ + 2e 2CytFe2+細(xì)胞色素細(xì)胞色素 是屬于色蛋白類的結(jié)合蛋白質(zhì)，輔基是鐵卟啉

11、的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，故稱為細(xì)胞色素。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與吸收光譜的不同可將細(xì)胞色素分為a、b和c三類。 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖返回第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化一、化學(xué)滲透理論一、化學(xué)滲透理論 Mitchell在在1961年提出了氧化磷酸化的機(jī)制年提出了氧化磷酸化的機(jī)制化學(xué)滲透理論（化學(xué)滲透理論（chemiosmotic theory）。）。Mitchell認(rèn)為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生認(rèn)為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質(zhì)子濃度梯度，而這一質(zhì)跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質(zhì)子濃度梯度，而這一質(zhì)子梯度又可以進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)子梯度又可以進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)ATP的形成

12、。的形成?；瘜W(xué)滲透理論主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：化學(xué)滲透理論主要包括以下幾點(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，離子是不通透的，否則質(zhì)子濃度梯度將消失，離子代謝物通過特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體跨過膜。代謝物通過特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體跨過膜。通過電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度，通過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）的使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間隙）的H濃度升濃度升高。高。位于線粒體內(nèi)膜上的位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶在跨膜的質(zhì)子合成酶在跨膜的質(zhì)子轉(zhuǎn) 移 驅(qū) 動(dòng) 反 應(yīng) 中 催 化轉(zhuǎn) 移 驅(qū) 動(dòng) 反 應(yīng)

13、中 催 化 A D P 磷 酸 化 。磷 酸 化 。二、二、ATPATP合成機(jī)制合成機(jī)制 1979年年P(guān)aul Boyer提出了提出了ATP合成的結(jié)合合成的結(jié)合-變換機(jī)制（變換機(jī)制（binding-change mechanism），），他認(rèn)為：他認(rèn)為： ATP合成酶含有合成酶含有3個(gè)催化部位，在任一給定時(shí)個(gè)催化部位，在任一給定時(shí)間，每一部位處于不同的構(gòu)象：開、松弛、或緊間，每一部位處于不同的構(gòu)象：開、松弛、或緊縮。所有縮。所有3個(gè)催化部位都依次經(jīng)歷上述個(gè)催化部位都依次經(jīng)歷上述3種構(gòu)象變種構(gòu)象變化?；TP 的形成和釋放主要涉及以下幾個(gè)步驟：的形成和釋放主要涉及以下幾個(gè)步驟： 一分子的一分子

14、的ADP和和Pi結(jié)合在開部位。結(jié)合在開部位。質(zhì)子跨過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，引起質(zhì)子跨過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，引起3個(gè)催個(gè)催化部位發(fā)生構(gòu)象變化。開構(gòu)象（含有新結(jié)化部位發(fā)生構(gòu)象變化。開構(gòu)象（含有新結(jié)合的合的ADP和和Pi）轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙诓课唬驯唬┺D(zhuǎn)變?yōu)樗沙诓课?，已被ADP和和Pi填充的松弛部位轉(zhuǎn)變?yōu)榫o縮部位，填充的松弛部位轉(zhuǎn)變?yōu)榫o縮部位，載有載有ATP的緊縮部位轉(zhuǎn)變?yōu)殚_部位。的緊縮部位轉(zhuǎn)變?yōu)殚_部位。ATP從開部位被釋放出來，同時(shí)在緊縮部從開部位被釋放出來，同時(shí)在緊縮部位位ADP和和Pi縮合形成縮合形成ATP。三、三、P/OP/O比比 指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生

15、的ATP分分子數(shù)。子數(shù)。 ATP合成與質(zhì)子濃度梯度緊密偶聯(lián)，即ATP合成伴隨著質(zhì)子濃度梯度的下降。三個(gè)電子復(fù)合物I、III和IV傳遞大約導(dǎo)致線粒體內(nèi)的10個(gè)H轉(zhuǎn)移到膜間隙（復(fù)合物I轉(zhuǎn)移4個(gè)H ；復(fù)合物III轉(zhuǎn)移4個(gè)H ；復(fù)合物IV轉(zhuǎn)移2個(gè)H ）。經(jīng)ATP合成酶流回線粒體基質(zhì)可以驅(qū)動(dòng)2.5個(gè)ATP的合成。 而象那樣從支路復(fù)合物而象那樣從支路復(fù)合物II進(jìn)入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復(fù)合物進(jìn)入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復(fù)合物III傳傳遞到復(fù)合物遞到復(fù)合物IV，只能驅(qū)動(dòng)，只能驅(qū)動(dòng)6個(gè)質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。而象對(duì)二（二甲氨個(gè)質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。而象對(duì)二（二甲氨基）苯二胺那樣直接提供基）苯二胺那樣直接提供2個(gè)電子給復(fù)合物個(gè)電子給復(fù)合物IV

16、可以使可以使2個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙。移到膜間隙。四、四、氧化磷酸化抑制劑 氧化磷酸化抑制劑可分為三類，即呼吸抑呼吸抑制劑、磷酸化抑制劑制劑、磷酸化抑制劑和解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑。一、呼吸抑制劑 這類抑制劑抑制呼吸鏈的電子傳遞，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基礎(chǔ)，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸鏈某一特定部位被抑制后，其底物一側(cè)均為還原狀態(tài)，其氧一側(cè)均為氧化態(tài)，這很容易用分光光度法(雙波長(zhǎng)分光光度計(jì))檢定，重要的呼吸抑制劑有以下幾種：1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：專一抑制NADHCoQ的電子傳遞。2、抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分離得到，專一抑制CoQCyt c的電子傳遞。3

17、、氰化物、疊氮化物、CO、H2S：抑制細(xì)胞色素c氧化酶。二、磷酸化抑制劑 這類抑制劑抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定會(huì)抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可與F0的OSCP(p189)結(jié)合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。 三、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)劑的作用使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發(fā)。新生兒和動(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

18、解偶聯(lián)狀態(tài)，這對(duì)于維持他們的體溫十分重要。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。習(xí)題習(xí)題 1. 化學(xué)滲透學(xué)說要點(diǎn)是什么？化學(xué)滲透學(xué)說要點(diǎn)是什么？ 2. 2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)機(jī)制是什么？二硝基苯酚的解偶聯(lián)機(jī)制是什么？ 3. 注射注射2,4-二硝基苯酚到動(dòng)物體內(nèi)可能引起二硝基苯酚到動(dòng)物體內(nèi)可能引起什么現(xiàn)象？為什么？什么現(xiàn)象？為什么？ 4. 簡(jiǎn)述簡(jiǎn)述ADP對(duì)呼吸鏈的調(diào)控作用。對(duì)呼吸鏈的調(diào)控作用。 5. 比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制劑和解偶