電子傳遞與氧化磷酸化new課件

電子傳遞與氧化磷酸化new電子傳遞與氧化磷酸化new本章重點、難點重點:（1）呼吸鏈的概念、組成，常見的電子傳遞抑制劑的作用部位（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑，磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比難點:氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透學說ATP合酶的旋轉催化理論本章重點、難點重點:

一、生物氧化的概念和特點二、生物氧化過程中CO2的生成三、生物氧化過程中H2O的生成四、有機物在體內氧化釋能的三個階段第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念和特點第一節(jié)生物氧化（一）生物氧化的概念概念：糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程，稱為生物氧化。（biologicaloxidation）。實質：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過程，又稱為細胞呼吸。一、生物氧化的概念和特點（一）生物氧化的概念概念：糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞返回1.反應由酶催化，反應條件溫和；2.反應分步進行，順序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化學能的方式儲存于ATP中，能量利用率高。注：真核細胞，生物氧化多在線粒體內進行，在不含線粒體的原核細胞中，生物氧化在細胞膜上進行。（二）生物氧化的特點返回1.反應由酶催化，反應條件溫和；（二）生物氧化的特點二、生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。類型：分為單純脫羧和氧化脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R二、生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成三、H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體（NAD+、FAD、FMN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H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2

O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO2-2H+三、H2O的生成代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAH+e-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。

共同中間物進入三羧酸循環(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構單位。

四、生物氧化的三個階段脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、第二節(jié)線粒體的結構與功能第二節(jié)線粒體的結構與功能

線粒體的結構特點

線粒體有兩層膜。中間有膜間隙。1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白質含有線粒體孔道蛋白,外膜的主要功能：保持線粒體的形態(tài)2.內膜:含有許多生物活性蛋白質，包括電子傳遞鏈和氧化磷酸化的有關組分及許多轉運蛋白，是線粒體功能的主要承擔者.內膜形成了許多向內褶疊的嵴，嵴的存在大大增加了內膜的面積，擴大了它產生ATP的能力。3.基質(matrix)：在嵴和嵴之間構成分隔的區(qū)室，內部充滿膠狀的基質,基質內含有大量的酶及線粒體DNA和核糖體線粒體的結構特點線粒體有兩層膜。中間有膜間隙。線粒體是生物氧化的發(fā)生場所線粒體是生物氧化的發(fā)生場所

線粒體的功能

線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位。真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化都是在細胞的線粒體內膜發(fā)生的。

線粒體的功能

線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生第三節(jié)電子傳遞鏈定義:線粒體基質是底物氧化的場所，底物在這里氧化所產生的NADH和FADH2將質子和電子轉移到內膜的載體上，經過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。由遞氫體和遞電子體按一定順序排列構成的電子傳遞系統稱為電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關，亦稱為呼吸鏈。第三節(jié)電子傳遞鏈定義:線粒體基質是底物氧化的場所，底物在一、呼吸鏈的種類返回一、呼吸鏈的種類返回二.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(2)NADH-Q還原酶(復合物Ⅰ）(3)鐵硫蛋白(4)輔酶Q(5)細胞色素c還原酶(復合物Ⅲ）(6)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）(7)琥珀酸-Q還原酶(復合物Ⅱ

）呼吸鏈由一系列的遞氫體和遞電子體組成。返回二.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NADP+的結構NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+OR(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NAD(1)NAD+或NADP+(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)

以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶將底物上的兩個氫原子激活脫下，其中一個氫原子以氫陰離子(hydrideion)(H-)的形式轉移到NAD+或NADP+上，另外一個則以氫離子(H+)形式游離到溶液中。每一個氫陰離子(H-)攜帶著兩個電子，即

NAD++2e-+2H+

NADH+H+NADP++2e-+2H+

NADPH+H+

大多數脫氫酶以NAD+

為輔酶，所以NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。(1)NAD+或NADP+(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）

NADH-Q還原酶是一個大的蛋白質復合體，以FMN和鐵-硫聚簇（Fe-S）為輔基，以輔酶Q為輔酶，由輔基或輔酶負責傳遞電子和氫。

以FMN或FAD為輔基的蛋白質統稱黃素蛋白。FMN通過氧化還原變化可接收NADH+H+的氫以及電子。

FMN(FAD)+2H

FAD(FMN)H2(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）NADH-Q還原酶是一

NADH-Q還原酶先與(NADH+H+)結合并將(NADH+H+)

上的兩個氫轉移到FMN輔基上，電子經鐵硫蛋白的鐵硫中心傳遞給輔酶Q。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+鐵硫蛋白復合物CoQeeNADH-Q還原酶先與(NADH+H+)結合并將((3)鐵硫蛋白

含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子,Fe和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構成鐵硫中心（鐵硫聚簇），Fe通過蛋白質分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質相連結。稱為鐵硫蛋白（非血紅素鐵蛋白）。一次可傳遞一個電子至CoQ。(3)鐵硫蛋白含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子,Fe和S常以

鐵硫聚簇借Fe2+和Fe3+的互變傳遞電子，每次傳遞一個電子.(Fe3+

Fe2+

)

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-+e-鐵硫聚簇借Fe2+和Fe3+的互變傳遞電子，每次傳遞一個(4)輔酶Q(泛醌,CoQ，是許多酶的輔酶)輔酶Q（泛醌,CoQ,Q）是電子傳遞鏈中的唯一的一種非蛋白質組分，功能基團是苯醌，在電子傳遞過程中可在醌型（氧化型）與氫醌型（還原型）之間相互轉變。NADH和FADH2上的H和電子都必須經過輔酶Q最終傳遞到氧分子，因此，它是電子傳遞鏈的中心和電子集中點。(4)輔酶Q(泛醌,CoQ，是許多酶的輔酶)輔酶Q（泛醌,細胞色素類(cytochrome,cyt）

是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質，鐵原子處于卟啉的結構中心，構成血紅素。細胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2的專一酶類。

高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素,b、c、c1、a、a3等。細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子(細胞色素為單電子傳遞體)。細胞色素類(cytochrome,cyt）是以鐵卟啉（(5)細胞色素C還原酶（細胞色素bc1復合體，即復合物Ⅲ）

含有兩種細胞色素（細胞色素b、細胞色素c1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細胞色素bc1復合體的作用是將電子從QH2轉移到細胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc1(5)細胞色素C還原酶（細胞色素bc1復合體，即復合物Ⅲ）（6）細胞色素C

細胞色素C是唯一能溶于水的、可被分離出來的獨立蛋白質成分，在復合體III和Ⅳ之間傳遞電子（細胞色素C

交互地與細胞色素還原酶的C1以及細胞色素氧化酶接觸）.

（6）細胞色素C細胞色素C是唯一能溶于水的、可被分離出來(7)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）

由cyt.a和a3

組成。復合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個銅原子（CuA，CuB）。cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當電子傳遞時，在細胞色素的Fe3+Fe2+間循環(huán)，同時在Cu2+Cu+間循環(huán)，將電子直接傳遞給O2,也叫末端氧化酶。(7)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）由cyt.a和a3組成(8)琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）

琥珀酸脫氫酶也是此復合體的一部分，其輔基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。(8)琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）琥珀酸脫氫酶也是此復合*泛醌和Cytc

不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體*泛醌和Cytc不包含在上述四種復合體中。人線粒體兩條呼吸鏈的組成兩條呼吸鏈的組成⑴NADH呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸(FADH2)呼吸鏈琥珀酸→復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑴NADH呼吸鏈NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合體I復合物IIINADH-Q還原酶細胞色素c還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2C

氧化還原電位由低高★E0’越低，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越高，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。

★當電子從E0’值低的物質傳到E0’值高的物質時，伴隨著自由能的降低，即釋放能量:

△G0’=－nF△E0’=－nF

（E0’受體－E0’供體）

其中：n是轉移的電子數，F是法拉第常數。

三、呼吸鏈各組分的排列順序氧化還原電位由低高★呼吸鏈中電子流動方向與ATP的生成FADH22e-NADHATPATPATP呼吸鏈中電子流動方向與ATP的生成FADH22e-NADH四.電子傳遞抑制劑

返回

凡能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質，稱為呼吸鏈電子傳遞抑制劑.四.電子傳遞抑制劑返回凡能夠阻斷呼琥珀酸FANAD+FMNCoQbc1caa3O2魚藤酮安密妥殺粉蝶菌素抗霉素AH2SCOCNN3D魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：阻斷電子從NADH到輔酶Q傳遞；

抗霉素A：阻斷細胞色素b到c1之間的電子傳遞;

氰化物、疊氮化物、硫化氫、一氧化碳：阻斷電子從細胞色素aa3到氧的傳遞。各種抑制劑的作用位點琥珀酸FANAD+FMNCoQ第四節(jié)氧化磷酸化作用

一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式

二、氧化磷酸化的作用機制

三、磷氧比值五、氧化磷酸化的調控四、氧化磷酸化的解偶聯和抑制返回第四節(jié)氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成

1、概念：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的過程，由于代謝物的氧化反應與ADP的磷酸化反應偶聯進行，故稱為氧化磷酸化。呼吸鏈AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯H2O一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式1、概念：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的AH2A2H代謝物氧化產物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸鏈線粒體胞液AH2A2H代謝物氧化2、ATP的生成方式光合磷酸化底物水平磷酸化返回氧化（電子傳遞水平）磷酸化2、ATP的生成方式光合磷酸化底物水平磷酸化返回氧化（電子傳是植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體在光下催化ADP與Pi）形成ATP的反應。光合磷酸化是植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體在光下催化ADP底物水平磷酸化

由底物分子因脫氫或脫水而使分子內部能量分配產生的高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），在激酶作用下將高能鍵上的鍵能直接轉移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應。底物水平磷酸化由底物分子因脫氫或脫水而使分子內部能量分配

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP（2）丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP（3）琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP3-磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化見于下列三個反應（1）1,3-二磷酸甘油酸+ADP實驗證明，電子由NADH到氧的傳遞過程中，ATP是在三個不連續(xù)的部位生成的:

部位I是在NADH和輔酶Q之間；

部位II是在輔酶Q和細胞色素c之間；

部位III是在細胞色素aa3和氧之間。自由能變化與ATP的生成部位實驗證明，電子由NADH到氧的傳遞過程中，ATP是在三個不連合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。FAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82↓ATP↓ATP↓ATP合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位。（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑，磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比CH3COSCoA+CO2二、氧化磷酸化的作用機制(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶將底物上的兩個氫原子激活脫下，其中一個氫原子以氫陰離子(hydrideion)(H-)的形式轉移到NAD+或NADP+上，另外一個則以氫離子(H+)形式游離到溶液中。FMNH2QG’-55.(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶⑵琥珀酸(FADH2)呼吸鏈一、生物氧化的概念和特點★E0’越低，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越高，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。CysSSSCys在NADH氧化過程中：有三個反應的G’<-30.5kJ/molFMNH2

QG’-55.6kJ/molcyt.bcyt.c-34.7kJ/molcyt.aa3

O2-102.1kJ/mol這三個反應分別與ADP的磷酸化反應偶聯。這些部位稱為呼吸鏈的偶聯部位。線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位二、氧化磷酸化的作用機制1953年EdwardSlater

化學偶聯假說1964年PaulBoyer構象偶聯假說1961年PeterMitchell化學滲透假說（1978年獲諾貝爾化學獎）二、氧化磷酸化的作用機制1953年EdwardSlate內膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質膜間隙電子傳遞鏈

電子傳遞的自由能驅動H+從線粒體基質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內膜的電化學梯度，這個梯度的電化學勢(ΔH+)驅動ATP的合成。(一)化學滲透假說

(chemiosmotichypothasis)內膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+化學滲透假說的基本要點：該學說認為線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵，在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，驅動線粒體內膜內側（基質側）的H+遷移到內膜外側（膜間空間），這樣，在膜的內側與外側就產生了跨膜質子梯度(pH)和跨膜電位梯度（）；當質子順濃度梯度回流到基質側時，這種跨膜的梯度差形成的質子驅動力被存在于線粒體內膜上的ATP合酶利用，使ADP磷酸化成ATP。化學滲透學說的關鍵：電子傳遞與ATP的合成是通過跨膜的質子梯度相偶聯的。化學滲透假說的基本要點：該學說認為線粒體內膜的電子傳遞鏈是一

化學滲透學說化學滲透學說質子梯度的形成質子梯度的形成ATP酶如何利用質子推動力催化ADP+Pi合成ATP?Boyer創(chuàng)立“結合變化學說”，后得到Walker的研究證實，二人獲得1997年諾貝爾化學獎。ATP酶如何利用質子推動力催化ADP+Pi合成ATP?嵌于線粒體內膜上，由親水部分F1(33亞基)和疏水部F0(a1b2c9~12亞基)組成。其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內膜的基質側。膜間腔基質ATP合酶(F0F1ATP合酶)的結構:H+通道嵌于線粒體內膜上，由親水部分F1(33亞基)和疏電子傳遞與氧化磷酸化new課件

英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結構，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個β亞基的確有不同構象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學獎。

美國科學家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出結合變化學說，認為ATP合酶β亞基有三種不同的構象，一種構象(L)有利于ADP和Pi結合，一種構象(T)可使結合的ADP和Pi合成ATP，第三種構象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進行上述三種構象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體結合變化學說的要點當質子推動力驅使H+經F0質子通道流回基質時，F1組分因質子化而發(fā)生構象的改變，從而推動ATP合酶旋轉至一種特殊構象，使得與ATP合酶緊密結合的ATP被釋放。（二）ATP合酶的結合變化學說(bindingchangehypothesis)結合變化學說的要點當質子推動力驅使H+經F0質子通道流回基質ATP合酶作用機理

ADP+PiProtenFluxH+ATPATPADP+PiProtenFlux有利于ADP與Pi結合的構象有利于ADP與Pi生成ATP的構象有利于ATP釋放的構象ATP合酶作用機理

ADP+PiProtenFluxH+A三、磷氧比值（P/O）

P/O值：是指某物質氧化時每消耗1mol氧所消耗

無機磷的mol數，即產生的ATP的mol數。實質：每消耗1mol氧原子所產生的ATP的mol數。兩類呼吸鏈的磷氧比（真核細胞）：

NADH呼吸鏈：3（產生3分子ATP）

FADH2呼吸鏈：2（產生2分子ATP）返回三、磷氧比值（P/O）P/O值：是指某物質氧化時每消耗1m

四、氧化磷酸化的解偶聯和抑制

用特殊的試劑可將氧化磷酸化過程分解成若干個反應，是研究氧化磷酸化中間步驟的有效方法。根據試劑的影響方式可分成三大類：

解偶聯劑

氧化磷酸化抑制劑

離子載體抑制劑

四、氧化磷酸化的解偶聯和抑制

用特殊的試劑可將氧化磷酸（1）解偶聯劑（Uncouplers)這類試劑的作用是使電子傳遞和ATP形成兩個過程分離，失掉它們的緊密聯系，它只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產生的自由能都變?yōu)闊崮堋５湫偷慕馀悸撛噭┦?,4—二硝基苯酚(2,4—dinitrophenol，DNP)。（1）解偶聯劑（Uncouplers)這類試劑的作用是使電子2,4-二硝基苯酚的解偶聯作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內膜內外2,4-二硝基苯酚的解偶聯作用NO2NO2O-NO2NO2O解偶聯試劑的作用機理在pH7的環(huán)境下，DNP以脂不溶性的解離態(tài)存在，不能透過線粒體膜；而在酸性環(huán)境中，DNP接受質子后成為不解離的形式而變?yōu)橹苄?，從而容易地透過膜，同時將一個質子帶入膜內。解偶聯試劑使內膜對H+的通透性增加，將其帶到H+

濃度低的一邊。這樣就破壞了跨膜H+

梯度的形成。這種由破壞H+

梯度而引起解偶聯現象的試劑又稱為質子載體。解偶聯試劑的作用機理在pH7的環(huán)境下，DNP以脂不溶性的解離新生兒或新生動物，冬眠的動物褐色脂肪組織生熱蛋白（解偶聯蛋白，UCP）提供質子返回基質的通道質子不通過F1F0-ATP酶，氧化散熱，維持體溫，不生成ATP解偶聯的意義：新生兒或新生動物，冬眠的動物解偶聯的意義：（2）氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP的生成過程。由于它干擾了由電子傳遞的高能狀態(tài)形成ATP的過程，結果也使電子傳遞不能進行。

表現結果：既抑制氧的利用又抑制ATP的形成

如寡霉素(oligomycin)，直接作用于線粒體ATP合酶的F0組分。（2）氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP(3)離子載體抑制劑(ionophores)是一類脂溶性物質，能與某些離子結合，并作為它們的載體使這些離子能夠穿過膜，通過增加線粒體內膜對一價陽離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程。和解偶聯試劑的區(qū)別：它是作為H+離子以外的其他一價陽離子的載體。如纈氨霉素(valinomycin)能夠結合K+離子，與K+形成脂溶性的復合物，從而容易地使K+通過膜。又如短桿菌肽(gramicidin)可使K+，Na+以及其他一些一價陽離子穿過線粒體內膜。(3)離子載體抑制劑(ionophores)是一類脂溶性物質五、氧化磷酸化的調控

ADP與ATP的調節(jié)作用

質量作用比：[ATP]/[ADP][Pi]↑：抑制氧化磷酸化，ATP生成↓[ATP]/[ADP][Pi]↓：促進氧化磷酸化，ATP生成↑H2O+NAD+NADH+H+

+

O212ADP+PiATP氧化磷酸化返回五、氧化磷酸化的調控

ADP與ATP的調節(jié)作用

質量作用比第五節(jié)線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統

蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統

酵解（細胞質）氧化磷酸化

（線粒體）第五節(jié)線粒體外NADH的氧化磷酸化作用磷酸（一）磷酸甘油穿梭（線粒體基質）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+線粒體內膜（細胞液）3-磷酸甘油脫氫酶3-磷酸甘油脫氫酶（一）磷酸甘油穿梭（線粒體基質）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸（二）蘋果酸-天冬氨酸穿梭細胞液線粒體內膜天冬氨酸-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶天冬氨酸轉氨酶天冬氨酸轉氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉運載體）呼吸鏈（二）蘋果酸-天冬氨酸穿梭細胞液線粒體內膜天冬氨酸-酮戊二TheendTheend身體健康，學習進步！身體健康，電子傳遞與氧化磷酸化new電子傳遞與氧化磷酸化new本章重點、難點重點:（1）呼吸鏈的概念、組成，常見的電子傳遞抑制劑的作用部位（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑，磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比難點:氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透學說ATP合酶的旋轉催化理論本章重點、難點重點:

一、生物氧化的概念和特點二、生物氧化過程中CO2的生成三、生物氧化過程中H2O的生成四、有機物在體內氧化釋能的三個階段第一節(jié)生物氧化概述一、生物氧化的概念和特點第一節(jié)生物氧化（一）生物氧化的概念概念：糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程，稱為生物氧化。（biologicaloxidation）。實質：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過程，又稱為細胞呼吸。一、生物氧化的概念和特點（一）生物氧化的概念概念：糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞返回1.反應由酶催化，反應條件溫和；2.反應分步進行，順序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化學能的方式儲存于ATP中，能量利用率高。注：真核細胞，生物氧化多在線粒體內進行，在不含線粒體的原核細胞中，生物氧化在細胞膜上進行。（二）生物氧化的特點返回1.反應由酶催化，反應條件溫和；（二）生物氧化的特點二、生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。類型：分為單純脫羧和氧化脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R二、生物氧化中CO2的生成方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成三、H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體（NAD+、FAD、FMN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H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2

O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO2-2H+三、H2O的生成代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAH+e-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。

共同中間物進入三羧酸循環(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構單位。

四、生物氧化的三個階段脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、第二節(jié)線粒體的結構與功能第二節(jié)線粒體的結構與功能

線粒體的結構特點

線粒體有兩層膜。中間有膜間隙。1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白質含有線粒體孔道蛋白,外膜的主要功能：保持線粒體的形態(tài)2.內膜:含有許多生物活性蛋白質，包括電子傳遞鏈和氧化磷酸化的有關組分及許多轉運蛋白，是線粒體功能的主要承擔者.內膜形成了許多向內褶疊的嵴，嵴的存在大大增加了內膜的面積，擴大了它產生ATP的能力。3.基質(matrix)：在嵴和嵴之間構成分隔的區(qū)室，內部充滿膠狀的基質,基質內含有大量的酶及線粒體DNA和核糖體線粒體的結構特點線粒體有兩層膜。中間有膜間隙。線粒體是生物氧化的發(fā)生場所線粒體是生物氧化的發(fā)生場所

線粒體的功能

線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位。真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化都是在細胞的線粒體內膜發(fā)生的。

線粒體的功能

線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生第三節(jié)電子傳遞鏈定義:線粒體基質是底物氧化的場所，底物在這里氧化所產生的NADH和FADH2將質子和電子轉移到內膜的載體上，經過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。由遞氫體和遞電子體按一定順序排列構成的電子傳遞系統稱為電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關，亦稱為呼吸鏈。第三節(jié)電子傳遞鏈定義:線粒體基質是底物氧化的場所，底物在一、呼吸鏈的種類返回一、呼吸鏈的種類返回二.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(2)NADH-Q還原酶(復合物Ⅰ）(3)鐵硫蛋白(4)輔酶Q(5)細胞色素c還原酶(復合物Ⅲ）(6)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）(7)琥珀酸-Q還原酶(復合物Ⅱ

）呼吸鏈由一系列的遞氫體和遞電子體組成。返回二.呼吸鏈的組成(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NADP+的結構NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+OR(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶NAD+和NAD(1)NAD+或NADP+(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)

以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶將底物上的兩個氫原子激活脫下，其中一個氫原子以氫陰離子(hydrideion)(H-)的形式轉移到NAD+或NADP+上，另外一個則以氫離子(H+)形式游離到溶液中。每一個氫陰離子(H-)攜帶著兩個電子，即

NAD++2e-+2H+

NADH+H+NADP++2e-+2H+

NADPH+H+

大多數脫氫酶以NAD+

為輔酶，所以NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。(1)NAD+或NADP+(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）

NADH-Q還原酶是一個大的蛋白質復合體，以FMN和鐵-硫聚簇（Fe-S）為輔基，以輔酶Q為輔酶，由輔基或輔酶負責傳遞電子和氫。

以FMN或FAD為輔基的蛋白質統稱黃素蛋白。FMN通過氧化還原變化可接收NADH+H+的氫以及電子。

FMN(FAD)+2H

FAD(FMN)H2(2)NADH-Q還原酶（復合物Ⅰ）NADH-Q還原酶是一

NADH-Q還原酶先與(NADH+H+)結合并將(NADH+H+)

上的兩個氫轉移到FMN輔基上，電子經鐵硫蛋白的鐵硫中心傳遞給輔酶Q。

NADH+H++FMNFMNH2+NAD+鐵硫蛋白復合物CoQeeNADH-Q還原酶先與(NADH+H+)結合并將((3)鐵硫蛋白

含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子,Fe和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構成鐵硫中心（鐵硫聚簇），Fe通過蛋白質分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質相連結。稱為鐵硫蛋白（非血紅素鐵蛋白）。一次可傳遞一個電子至CoQ。(3)鐵硫蛋白含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子,Fe和S常以

鐵硫聚簇借Fe2+和Fe3+的互變傳遞電子，每次傳遞一個電子.(Fe3+

Fe2+

)

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e-+e-鐵硫聚簇借Fe2+和Fe3+的互變傳遞電子，每次傳遞一個(4)輔酶Q(泛醌,CoQ，是許多酶的輔酶)輔酶Q（泛醌,CoQ,Q）是電子傳遞鏈中的唯一的一種非蛋白質組分，功能基團是苯醌，在電子傳遞過程中可在醌型（氧化型）與氫醌型（還原型）之間相互轉變。NADH和FADH2上的H和電子都必須經過輔酶Q最終傳遞到氧分子，因此，它是電子傳遞鏈的中心和電子集中點。(4)輔酶Q(泛醌,CoQ，是許多酶的輔酶)輔酶Q（泛醌,細胞色素類(cytochrome,cyt）

是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質，鐵原子處于卟啉的結構中心，構成血紅素。細胞色素類是呼吸鏈中將電子從輔酶Q傳遞到O2的專一酶類。

高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素,b、c、c1、a、a3等。細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子(細胞色素為單電子傳遞體)。細胞色素類(cytochrome,cyt）是以鐵卟啉（(5)細胞色素C還原酶（細胞色素bc1復合體，即復合物Ⅲ）

含有兩種細胞色素（細胞色素b、細胞色素c1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。細胞色素bc1復合體的作用是將電子從QH2轉移到細胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc1(5)細胞色素C還原酶（細胞色素bc1復合體，即復合物Ⅲ）（6）細胞色素C

細胞色素C是唯一能溶于水的、可被分離出來的獨立蛋白質成分，在復合體III和Ⅳ之間傳遞電子（細胞色素C

交互地與細胞色素還原酶的C1以及細胞色素氧化酶接觸）.

（6）細胞色素C細胞色素C是唯一能溶于水的、可被分離出來(7)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）

由cyt.a和a3

組成。復合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個銅原子（CuA，CuB）。cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當電子傳遞時，在細胞色素的Fe3+Fe2+間循環(huán)，同時在Cu2+Cu+間循環(huán)，將電子直接傳遞給O2,也叫末端氧化酶。(7)細胞色素氧化酶(復合物Ⅳ）由cyt.a和a3組成(8)琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）

琥珀酸脫氫酶也是此復合體的一部分，其輔基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。(8)琥珀酸-Q還原酶（復合物Ⅱ）琥珀酸脫氫酶也是此復合*泛醌和Cytc

不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體*泛醌和Cytc不包含在上述四種復合體中。人線粒體兩條呼吸鏈的組成兩條呼吸鏈的組成⑴NADH呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸(FADH2)呼吸鏈琥珀酸→復合體Ⅱ→CoQ→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2⑴NADH呼吸鏈NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合體I復合物IIINADH-Q還原酶細胞色素c還原酶細胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2C

氧化還原電位由低高★E0’越低，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越高，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。

★當電子從E0’值低的物質傳到E0’值高的物質時，伴隨著自由能的降低，即釋放能量:

△G0’=－nF△E0’=－nF

（E0’受體－E0’供體）

其中：n是轉移的電子數，F是法拉第常數。

三、呼吸鏈各組分的排列順序氧化還原電位由低高★呼吸鏈中電子流動方向與ATP的生成FADH22e-NADHATPATPATP呼吸鏈中電子流動方向與ATP的生成FADH22e-NADH四.電子傳遞抑制劑

返回

凡能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質，稱為呼吸鏈電子傳遞抑制劑.四.電子傳遞抑制劑返回凡能夠阻斷呼琥珀酸FANAD+FMNCoQbc1caa3O2魚藤酮安密妥殺粉蝶菌素抗霉素AH2SCOCNN3D魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：阻斷電子從NADH到輔酶Q傳遞；

抗霉素A：阻斷細胞色素b到c1之間的電子傳遞;

氰化物、疊氮化物、硫化氫、一氧化碳：阻斷電子從細胞色素aa3到氧的傳遞。各種抑制劑的作用位點琥珀酸FANAD+FMNCoQ第四節(jié)氧化磷酸化作用

一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式

二、氧化磷酸化的作用機制

三、磷氧比值五、氧化磷酸化的調控四、氧化磷酸化的解偶聯和抑制返回第四節(jié)氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成

1、概念：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的過程，由于代謝物的氧化反應與ADP的磷酸化反應偶聯進行，故稱為氧化磷酸化。呼吸鏈AH22H(2H++2e)A能ADP+PiATPO212氧化磷酸化偶聯H2O一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式1、概念：呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量，在ATP合酶的AH2A2H代謝物氧化產物2Hα-磷酸甘油穿梭蘋果酸穿梭

+

O212H2O能量ADP+H3PO4ATP+

H2O氧化磷酸化呼吸鏈線粒體胞液AH2A2H代謝物氧化2、ATP的生成方式光合磷酸化底物水平磷酸化返回氧化（電子傳遞水平）磷酸化2、ATP的生成方式光合磷酸化底物水平磷酸化返回氧化（電子傳是植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體在光下催化ADP與Pi）形成ATP的反應。光合磷酸化是植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體在光下催化ADP底物水平磷酸化

由底物分子因脫氫或脫水而使分子內部能量分配產生的高能磷酸鍵（或高能硫酯鍵），在激酶作用下將高能鍵上的鍵能直接轉移給ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的反應。底物水平磷酸化由底物分子因脫氫或脫水而使分子內部能量分配

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP（2）丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP（3）琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP3-磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化見于下列三個反應（1）1,3-二磷酸甘油酸+ADP實驗證明，電子由NADH到氧的傳遞過程中，ATP是在三個不連續(xù)的部位生成的:

部位I是在NADH和輔酶Q之間；

部位II是在輔酶Q和細胞色素c之間；

部位III是在細胞色素aa3和氧之間。自由能變化與ATP的生成部位實驗證明，電子由NADH到氧的傳遞過程中，ATP是在三個不連合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.5kJ/mol，相當于氧化還原電位差ΔE0'=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。FAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32

-0.30

+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82↓ATP↓ATP↓ATP合成1molATP時，需要提供的能量至少為ΔG0'=-30.線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位。（2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途徑，磷氧比的概念及兩類呼吸鏈的磷氧比CH3COSCoA+CO2二、氧化磷酸化的作用機制(煙酰胺腺嘌呤核苷酸類)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶將底物上的兩個氫原子激活脫下，其中一個氫原子以氫陰離子(hydrideion)(H-)的形式轉移到NAD+或NADP+上，另外一個則以氫離子(H+)形式游離到溶液中。FMNH2QG’-55.(1)以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶⑵琥珀酸(FADH2)呼吸鏈一、生物氧化的概念和特點★E0’越低，越易失去電子，處于呼吸鏈的前面，反之，E0’越高，越易得到電子，處于呼吸鏈的后面。CysSSSCys在NADH氧化過程中：有三個反應的G’<-30.5kJ/molFMNH2

QG’-55.6kJ/molcyt.bcyt.c-34.7kJ/molcyt.aa3

O2-102.1kJ/mol這三個反應分別與ADP的磷酸化反應偶聯。這些部位稱為呼吸鏈的偶聯部位。線粒體普遍存在于動植物細胞內，是需氧細胞產生ATP的主要部位二、氧化磷酸化的作用機制1953年EdwardSlater

化學偶聯假說1964年PaulBoyer構象偶聯假說1961年PeterMitchell化學滲透假說（1978年獲諾貝爾化學獎）二、氧化磷酸化的作用機制1953年EdwardSlate內膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質膜間隙電子傳遞鏈

電子傳遞的自由能驅動H+從線粒體基質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內膜的電化學梯度，這個梯度的電化學勢(ΔH+)驅動ATP的合成。(一)化學滲透假說

(chemiosmotichypothasis)內膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+化學滲透假說的基本要點：該學說認為線粒體內膜的電子傳遞鏈是一個質子泵，在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，驅動線粒體內膜內側（基質側）的H+遷移到內膜外側（膜間空間），這樣，在膜的內側與外側就產生了跨膜質子梯度(pH)和跨膜電位梯度（）；當質子順濃度梯度回流到基質側時，這種跨膜的梯度差形成的質子驅動力被存在于線粒體內膜上的ATP合酶利用，使ADP磷酸化成ATP?；瘜W滲透學說的關鍵：電子傳遞與ATP的合成是通過跨膜的質子梯度相偶聯的。化學滲透假說的基本要點：該學說認為線粒體內膜的電子傳遞鏈是一

化學滲透學說化學滲透學說質子梯度的形成質子梯度的形成ATP酶如何利用質子推動力催化ADP+Pi合成ATP?Boyer創(chuàng)立“結合變化學說”，后得到Walker的研究證實，二人獲得1997年諾貝爾化學獎。ATP酶如何利用質子推動力催化ADP+Pi合成ATP?嵌于線粒體內膜上，由親水部分F1(33亞基)和疏水部F0(a1b2c9~12亞基)組成。其頭部呈顆粒狀，突出于線粒體內膜的基質側。膜間腔基質ATP合酶(F0F1ATP合酶)的結構:H+通道嵌于線粒體內膜上，由親水部分F1(33亞基)和疏電子傳遞與氧化磷酸化new課件

英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結構，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個β亞基的確有不同構象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學獎。

美國科學家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出結合變化學說，認為ATP合酶β亞基有三種不同的構象，一種構象(L)有利于ADP和Pi結合，一種構象(T)可使結合的ADP和Pi合成ATP，第三種構象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進行上述三種構象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體結合變化學說的要點當質子推動力驅使H+經F0質子通道流回基質時，F1組分因質子化而發(fā)生構象的改變，從而推動ATP合酶旋轉至一種特殊構象，使得與ATP合酶緊密結合的ATP被釋放。（二）ATP合酶的結合變化學說(bindingchangehypothesis)結合變化學說的要點當質子推動力驅使H+經F0質子通道流回基質ATP合酶作用機理