電子傳遞與氧化磷酸化

第八章電子傳遞體系與氧化磷酸化主要內(nèi)容：重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。對非線粒體氧化體系作一般介紹。返回現(xiàn)在是1頁\一共有48頁\編輯于星期五目錄第一節(jié)生物氧化的特點和方式第二節(jié)線粒體電子傳遞體系第三節(jié)氧化磷酸化作用第四節(jié)其它氧化體系（自學）現(xiàn)在是2頁\一共有48頁\編輯于星期五第一節(jié)生物氧化的特點和方式

一、生物氧化的特點二、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(nèi)氧化釋能的三個階段

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CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），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過程?，F(xiàn)在是3頁\一共有48頁\編輯于星期五生物氧化的特點

在活的細胞中（pH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下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。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ATP）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，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用?，F(xiàn)在是4頁\一共有48頁\編輯于星期五CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-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：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R現(xiàn)在是5頁\一共有48頁\編輯于星期五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+、NADP+、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+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO2-2H+現(xiàn)在是6頁\一共有48頁\編輯于星期五脂肪葡萄糖、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現(xiàn)在是7頁\一共有48頁\編輯于星期五第二節(jié)線粒體電子傳遞體系

一、線粒體結(jié)構(gòu)特點二、電子傳遞呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成四、機體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化五、電子傳遞抑制劑現(xiàn)在是8頁\一共有48頁\編輯于星期五線粒體結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是9頁\一共有48頁\編輯于星期五線粒體呼吸鏈

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)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，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈?，F(xiàn)在是10頁\一共有48頁\編輯于星期五呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類（flavoproteins,FP）2.鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）4.細胞色素類（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）現(xiàn)在是11頁\一共有48頁\編輯于星期五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呼吸鏈現(xiàn)在是12頁\一共有48頁\編輯于星期五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

FeS2H+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

FeS2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2e現(xiàn)在是13頁\一共有48頁\編輯于星期五呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADH氧化還原電位現(xiàn)在是14頁\一共有48頁\編輯于星期五電子傳遞鏈標準氧化還原自由能變化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合體I復合物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現(xiàn)在是15頁\一共有48頁\編輯于星期五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)17KCytc36KIII21K23K,12K8K,,4K,4K線粒體基質(zhì)(bH)(b566)(bL)(b562)2Fe-2Sc1鐵-硫蛋白

Cytb現(xiàn)在是16頁\一共有48頁\編輯于星期五NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反應：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化現(xiàn)在是17頁\一共有48頁\編輯于星期五煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+現(xiàn)在是18頁\一共有48頁\編輯于星期五黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白類別：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：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2現(xiàn)在是19頁\一共有48頁\編輯于星期五鐵硫蛋白

+e

傳遞電子機理：Fe3+Fe2+

-e

特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe—S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)?，F(xiàn)在是20頁\一共有48頁\編輯于星期五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：CoQCoQH2

－2H現(xiàn)在是21頁\一共有48頁\編輯于星期五細胞色素

傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。

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)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復合物物存在，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?，F(xiàn)在是22頁\一共有48頁\編輯于星期五CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2HCoQH2現(xiàn)在是23頁\一共有48頁\編輯于星期五鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e現(xiàn)在是24頁\一共有48頁\編輯于星期五細胞色素血紅素的結(jié)構(gòu)傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e波長/nm

還原型Cytc的吸收光譜現(xiàn)在是25頁\一共有48頁\編輯于星期五電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復合物II復合物IV復合物I復合物III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸鏈的比擬圖解現(xiàn)在是26頁\一共有48頁\編輯于星期五第三節(jié)氧化磷酸化作用一、

氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理三、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用五、葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算六、能荷

現(xiàn)在是27頁\一共有48頁\編輯于星期五氧化磷酸化

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+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能現(xiàn)在是28頁\一共有48頁\編輯于星期五磷氧比（P/O

）

呼吸過程中無機磷酸（Pi）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程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O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ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~

2.5ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~

1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP現(xiàn)在是29頁\一共有48頁\編輯于星期五二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理

1、線粒體ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶聯(lián)假說

1953年EdwardSlater

化學偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說

1961年P(guān)eterMitchell化學滲透假說3、質(zhì)子梯度的形成4、ATP合成的機制1978年獲諾貝爾化學獎五、能荷現(xiàn)在是30頁\一共有48頁\編輯于星期五線粒體ATP合酶現(xiàn)在是31頁\一共有48頁\編輯于星期五

氧化磷酸化重建示意圖現(xiàn)在是32頁\一共有48頁\編輯于星期五內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學梯度，這個梯度的電化學勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成?；瘜W滲透假說

(chemiosmotichypothasis)現(xiàn)在是33頁\一共有48頁\編輯于星期五化學滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+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

現(xiàn)在是34頁\一共有48頁\編輯于星期五線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+復合物III12現(xiàn)在是35頁\一共有48頁\編輯于星期五Boyer和Walker的工作

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(jié)構(gòu)，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(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學獎。

美國科學家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β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ATP合成過程中，三個β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。現(xiàn)在是36頁\一共有48頁\編輯于星期五ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型IIIIVIII定子轉(zhuǎn)子

旋轉(zhuǎn)催化理論認為質(zhì)子流通過Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動,這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被認為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.現(xiàn)在是37頁\一共有48頁\編輯于星期五ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖定子旋轉(zhuǎn)催化理論認為質(zhì)子流通過Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動,這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被認為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.OSCPF1H+通道FO柄DCCD結(jié)合蛋白基質(zhì)表面外表面現(xiàn)在是38頁\一共有48頁\編輯于星期五ATP酶作用機理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象有于ADP與Pi生成的構(gòu)象有利于ATP釋放的構(gòu)象現(xiàn)在是39頁\一共有48頁\編輯于星期五四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)酵解（細胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）現(xiàn)在是40頁\一共有48頁\編輯于星期五-磷酸甘油穿梭（線粒體基質(zhì)）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(nèi)膜（細胞液）磷酸甘油脫氫酶現(xiàn)在是41頁\一共有48頁\編輯于星期五蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-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(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉(zhuǎn)運載體）呼吸鏈現(xiàn)在是42頁\一共有48頁\編輯于星期五2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外現(xiàn)在是43頁\一共有48頁\編輯于星期五五、能荷

定義式：能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間，反映細胞能量水平。能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP、ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(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現(xiàn)在是44頁\一共有48頁\編輯于星期五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)化學計算可以得到明確的答復。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ATP從基質(zhì)運往