(高级生物化学)第21章--氧化磷酸化ppt课件

1、第21章 氧化磷酸化化学浸透假说电子传送链ATP合酶.1分子葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段： 2 ATP 2 1 NADH兑换率1:2.5(或1.5)2 ATP 2 (2.5ATP或1.5 ATP )三羧酸循环：2 1 GTP 2 3 NADH 2 1 FADH22 1 ATP2 7.5ATP2 1.5 ATP兑换率 1：2.5兑换率 1：1.5丙酮酸氧化：2 1NADH兑换率 1：2.52 2.5 ATP总计：32ATP或30 ATP2025原核生物为何释放38ATP ?为什么1分子葡萄糖有氧氧化过程有6次底物程度磷酸化？. 物质骨架分解释放CO2和H CO2如何构成 脱羧反响 H2O如

2、何构成 电子传送链 能量如何产生 底物程度磷 酸化、氧化磷酸化 氧化磷酸化. 生物氧化过程包括一系列的氧化复原反响，参与氧化复原反响的每种物质都有氧化态和复原态，称为氧还对；而参与反响的每一氧还对转移电子的势能即氧化复原体系中失去或获得电子的趋势的高低叫做氧化复原电位。 规范氧化复原电位以E0表示。 E0值越小，供出电子的倾向越强，即复原才干越强； E0值越大，接受电子的倾向越强。 任何氧化复原反响在实际上可以构成原电池一、和电子传送链相关的与氧化复原电势.氧化复原电位原电池乙醛/乙醇延胡索酸/琥珀酸.电子传送链中物质规范氧化复原电位.二.用规范氧化复原电势计算自在能变化n: 为氧化复原反响的

3、电子转移数F: 为法拉第常数96.5 KJ/V E0:为规范电极电位pH=7.0 2530 电子从E0 较小的物质向E0 较大的物质转移，即从复原剂向氧化剂转移。 从生物规范氧化复原电势E0 可计算G0 : G0 =nFE0E0 =E0正极E0负极 电动势=正负极电极势之差.例 题. GnFE0自在能变化与平衡常数和氧化复原电势 G=-RTlnKeq= - nFE .三、线粒体的电子传送链1. 线粒体的根本构造.电子传送链定义在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定顺序陈列的、与细胞利用氧亲密相关的链式反响体系，称为呼吸链。又称电子传送链(electron transfer chain

4、)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活零落后，经一系列电子传送体，最后传送给被激活的氧分子而生成水的过程。递 氢 体：呼吸链中参与传送H的辅酶或辅基递电子体：呼吸链中参与传送电子的辅酶或辅基线粒体的电子传送链反响部位：真核生物：存在于线粒体内膜上 原核生物；质膜.电子传送链.线粒体的电子传送链递 氢 体递电子体：.分类NADH途径 FADH2途径 电子传送链分类根据H的最初受体.电子传送链分类.COQ是电子传送链的枢纽.2. 电子传送链的组成.电子传送链(electron transfer chain). 呼吸链中传送体的陈列顺序实验根据：1根据各种组分规范氧化复原电位确定顺序，氧化复原电位逐

5、渐添加，该值越大，阐明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，阐明越易构成复原剂处于呼吸链的始端。2利用电子传送抑制剂选择性阻断； 3拆开和重组4复原形状呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化复原形状确定.1根据各种组分规范氧化复原电位确定顺序.(2)电子传送链的体外重组实验.(3) 电子传送抑制剂实验ReducedOxidizedReducedOxidizedReduced.(4)复原形状呼吸链缓慢给氧 利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物复原形状，缓慢给氧，察看各组分被氧化的顺序。 .电子传送链的组成NADH脱氢酶.NADH-Q复原酶NADH脱氢酶、复合体复合物I：NADH到

6、泛醌也称NADH：泛醌氧化复原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。复合物I催化两个同时发生的偶联过程：1NADH+H+QNAD+QH224个质子由基质转到内膜外因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。.复合物 ：琥珀酸到泛醌 也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中独一的一个线粒体内膜(标志酶)结合的酶，虽比复合物小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白,1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。电子由琥珀

7、酸流向FAD，然后经过Fe-S中心到泛醌。 呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II： 脂酰CoA脱氢酶 3-磷酸甘油脱氢酶,往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称为琥珀酸脱氢酶类。.复合物 ：泛醌到Cytc 又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：细胞色素c氧化复原酶。复合物是一个由一样单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。 作用：偶联催化电子由氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。4个质子由基质转到内膜外.复合物 ：泛醌到Cytc.复合体功能-Q循环The Q Cycle).复合体功能-Q循环The Q Cycle) QH2被氧化成Q，2 cyt c被复原

8、，释放4 H+到内膜外空间。这种经过辅酶Q氧化复原的循环变化进展的电子传送方式称为Q循环。.4、复合体: 细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传送给氧，同时每传送2个电子，泵出2个H+到线粒体内膜外组成：Cyta、Cyta3、Cu，没有铁硫蛋白其中Cyt a3 和CuB构成的活性部位将电子交给O2。复合物的电子流向细胞色素C CuA 血红素a血红素a3 CuB，最后交给分子氧构成水。.电子传送链组分和作用.铁硫蛋白类(非血红素铁蛋白)铁不出如今血红素中(非血红素)，而与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。根据铁硫蛋白中所含铁原子和硫原子的数量不同可分为三类：FeS中心、Fe2-S

9、2中心和Fe4-S4中心。在线粒体内膜上，复合物I、复合物、复合物中均结合有铁硫蛋白，其功能是经过二价铁离子和三价铁离子的化合价变化来传送电子，而且每次只传送一个电子，是单电子传送体。 其氧化复原电位与其所处环境有关.铁硫蛋白类(非血红素铁蛋白).辅酶Q类 又称泛醌ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，电子传送链上独一的非蛋白质成分，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇 CoQH2。所以处在呼吸链的中心位置。带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自在泳动。人类为Q10，聚异戊二烯侧链使CoQ成为脂溶性化合物，可以在线立体内膜迅速分散。 泛醌将电子传给细胞色素

10、bc1复合体， H+释出。.辅酶Q的氧化复原. 细胞色素功能：单电子传送体的作用; 经过血红素中Fe原子的价态变化传送电子血红蛋白与肌红蛋白的血红素不发生价态变化 Fe3+ + e- Fe2+. 细胞色素的特点 细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。细胞色素aa3可将电子直接传送给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环构成6个配位键。细胞色素aa3中的铁原子只构成5个配位键，还能与氧再构成一个配位键，将电子直接传送给氧，也可与CO、氰化物、H2S或叠氮化合物构成一个配位键。细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传送，引起氰化物中毒。 细胞色素c 独一线粒

11、体内膜外周蛋白,位于线粒体内膜的外侧.是独一能溶于水的细胞色素，细胞色素C比较容易分别提纯,其构造已清楚.思 考： 思索：在电子传送链中发现有6 种细胞色素都能经过可逆的氧化复原反响Fe3+ Fe2+催化一个电子的传送。虽然铁在每种情况下都是电子载体，但是复原半反响的EO的值却从细胞色素b的0.05V变化到细胞色素a3的0.39V,试解释之。 答：细胞色素是含有血红素基团的电子传送蛋白，在卟啉环中的每个铁原子的复原电势依赖于周围蛋白质的环境，由于每个细胞色素的蛋白质成分是不同的，因此每个细胞色素的铁原子具有不同的复原电势，复原电势的不同使一系列细胞色素可以沿着电势梯度传送电子 .选 择 题A、

12、H2O2 B、H2O C、H+ D、CO2 E、O2 经过呼吸链氧化的终产物是： 选择题NADH 或 FADH2 + O2 = H2O.电子传送链抑制剂 假设鱼藤酮和抗霉素A在阻断各自作用的电子传送链位点的效率是一样的，鱼藤酮的毒性会更大。中国科技大学2021、中山大学2021.电子传送链的抑制剂 可以阻断呼吸链中某部位电子传送过程的药物或毒物称为电子传送抑制剂。可以抑制第一位点的有异戊巴比妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮、安密妥等；可以抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；可以抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制

13、复原型Cytaa3-Fe2+。 .氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？ 挽救时首先给中毒者吸入亚硝酸异戊酯和注射亚硝酸钠，使部分血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，当高铁血红蛋白含量到达20%-30% 时，就能胜利地夺取已与细胞色素 aa3 结合的 CN - ，使细胞色素aa3的活力恢复。但生成的氰化高铁血红蛋白在数分钟后又能逐渐解离而放出CN- ，此时再注射硫代硫酸钠，在肝脏的硫代硫酸-氰转硫酶的催化下可将CN- 转变成为无毒的硫氰化物，经肾脏随尿排出体外。 .测试题思索：利用分别出的线粒体可以研讨细胞呼吸，可测定各种不同情况下氧的耗费，假设将 0.01M的丙二酸钠添加正在进展细胞呼吸的线粒体以丙酮酸为

14、燃料来源中，呼吸作用很快就会停顿，并呵斥代谢中间产物的堆积。a堆积的中间代谢物是什么？b解释为什么会堆积？c解释氧耗费为什么会停顿？d除了除去丙二酸解除抑制以外，还有什么方法可以抑制丙二酸的抑制？分析：a琥珀酸 b丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 c阻断柠檬酸循环就阻断了NADH的合成从而阻断了电子传送和呼吸。d琥珀酸浓度大大过量。.化学浸透假说电子传送链ATP合酶氧化磷酸化作用的机制.氧化磷酸化作用的机制1糖或脂肪的分解代谢 ATP(来自底物程度磷酸化 NADH或FADH22电子传送链(氧化：放能 ？NADH 或 FADH2 + O2 = H2O3磷酸化ATP 储能ADP+PiATP偶联

15、假设解偶联呢？.氧化磷酸化作用的机制 代谢物在生物氧化过程中释放出的自在能用于合成ATP即ADP+PiATP,这种氧化放能和ATP生成磷酸化相偶联的过程称氧化磷酸化. 氧化磷酸化的偶联机理1、化学偶联假说 化学偶联假说 以为电子传送中所释放的自在能以一个高能共价中间物方式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以构成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。2、构象偶联假说 构象偶联假说 以为电子沿呼吸链传送释放的自在能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而构成一种高能方式暂时存在。这种高能方式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化， F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP构成ATP。3

16、、化学浸透假说(chemiosmotic hypothesis).化学浸透假说(chemiosmotic hypothesis) 该学说以为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反响进展时，H+经过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧膜间腔，从而构成跨膜pH梯度和跨膜电位差。 当质子顺浓度梯度回流时， 这种方式的“势能可以被存在 于线粒体内膜上的ATP合酶 利用，生成高能磷酸基团， 并与ADP结合而合成ATP。.化学浸透假说的证据膜.氧化和磷酸化的偶联泵出10个H需求200kJ/mol. NADH呼吸链电子传送过程中自在能变化总反响: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G= -nFE = -29

17、6.50.82-(-0.32) = -220.07千焦mol-1总反响：FADH2+1/2O2FAD+H2O G= -nFE = -296.50.82-0.03 =-181.58千焦mol-1FADH2呼吸链电子传送过程中自在能变化电子传送过程中自在能变化.ATP合酶由亲水部分 F1和疏水部分F0组成F1主要由33亚基组成 其功能是催化生成ATP,催化部位在亚基中,但亚基必需与亚基结合才有活性.F0是质子通道. 此外,在F0和F1之间的柄部存在,其中一个称之为寡霉素敏感蛋白(OSCP),使 ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP.ATPase的旋转催化模型转子定子 质子经过F0时，引起c亚基构

18、成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化L、T、O，不断将ADP和Pi加合在一同，构成ATP。.ATP合成的机制 美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，以为ATP合成酶亚基有三种不同的构象在L构象loose，ADP、 Pi与酶疏松结合在一同；在Ttight)构象底物与酶严密结合在一同，在这种情况下可将两者加合在一 起;在O(open)构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。. The structure-function relationships in the ATP synthase complex t

19、hat catalyze ATP synthesis as a result of proton-motive force, are the same ones that catalyze ATP hydrolysis. ATP合成与水解. ATP的合成旋转模型的实验验证.质子流在ATP合成中的作用无质子梯度质子梯度的作用：不是构成ATP；而是使ATP从酶分子释放.化学浸透假说-实验证明.氧化磷酸化：三)氧化磷酸化偶联主要根据自在能变化和P/O比值确定 G=-nFE 呼吸链上磷酸化位点：在复合体、 NADCoQ；CytbCytc1；Cytaa3O21、氧化磷酸化偶联部位二氧化磷酸化反响部位 真

20、核生物：线粒体内膜 原核生物：质膜. 某些细菌可以生存在极高的pH值环境下(pH值约为10)，他以为这些细菌可以运用跨膜的质子梯度产生ATP吗？ 这样的细菌不可以运用跨膜的质子梯度产生ATP，这是由于假设要求它们与普通的细菌一样运用质子梯度产生ATP，那么需求其细胞质具有更高的pH值，在这种情况下细胞是不能生存的。当然，这些细菌可运用其他的离子梯度，比如钠离子梯度驱动ATP的合成。思索题.5. 氧化磷酸化的接偶联 电子传送链 构成势能磷酸化储 存能量解偶联剂释放势能氧化磷酸化的抑制剂电子传送 抑制剂XX解偶联剂. 解偶联剂uncoupler：是指那些不阻断呼吸链的电子传送，但能抑制ADP经过磷

21、酸化作用转化为ATP的化合物。它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂。 解偶联剂可使电子传送与ADP磷酸化两个过程分别，它只抑制ATP的构成过程，而不抑制电子传送过程，使电子传送所产生的自在能以热的方式耗散。解偶联剂使电子传送失去正常的控制，呵斥过分的氧和底物耗费，而能量却得不到储存。氧化磷酸化的解偶联1.质子载体：添加线粒体内膜对质子的通透性。 如：2.4-二硝基苯酚DNP，FCCP 2 解偶联蛋白.氧化磷酸化的解偶联-DNP作用机理.氧化磷酸化的解偶联-DNP作用机理 有人曾经思索过运用解偶联剂如2,4-二硝基苯酚DNP作为减肥药，但很快就被放弃运用，为什么？ DNP作为一种解偶联剂，可以破坏线粒

22、体内膜两侧的质子梯度，使质子梯度转变为热能，而不是ATP。在解偶联形状下，电子传送过程完全是自在进展的，底物失去控制地被快速氧化，细胞的代谢速率将大幅度提高。这些将导致机体组织耗费其存在的能源方式，如糖原和脂肪，因此有减肥的效果。但是由于这种耗费是失去控制的耗费，同时耗费过程中过分产热，这势必会给机体带来剧烈的副作用。. 解偶联蛋白uncoupling protein是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然的解偶联剂。如动物的褐色脂肪组织的线粒体内膜上分布有解偶联蛋白，这种蛋白构成质子通道，让膜外质子经其通道前往膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，抑制ATP合成而产生热量以添加体温。 新生儿

23、的棕色脂肪组织也称为褐色脂肪组织，其中含有较多的线粒体、细胞色素，血液供应也较多，比白色脂肪组织易分解供能 解偶联蛋白.呼吸链电子传送抑制剂 X.氧化磷酸化抑制剂X这类抑制剂间接抑制了电子传送和分子氧的耗费。. 氧化磷酸化抑制剂-寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素ATP合酶构造方式图. 氧化磷酸化抑制剂：这类化合物直接作用于ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。 它们使膜外质子不能经过ATP合酶复合体前往膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难，最后不得不停顿，所以这类抑制剂间接抑制了电子传送和分子氧的耗费。可以被解偶连剂解除 寡霉素(ol

24、igomycin)可与F1的OSCP结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。 二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC)可与F0的DCC结合蛋白结合，阻断H+通道，抑制ATP合成。栎皮酮(quercetin)直接抑制参与ATP合成的ATP酶。氧化磷酸化抑制剂.与Fo单元的亚基结合阻止H+从Fo单元回流抑制ATP合成H+ 电化学梯度异常增高抑制磷酸化过程抑制电子传送的氧化过程氧化磷酸化抑制剂作用原理 寡霉素.6. 质子动力为自动转运提供能量 线粒体利用质子推进力合成ATP，但ADP和Pi必需运到线粒体内，同时合成好的ATP必需能运出线粒体以便在胞质中提供能量

25、。腺苷酸转位酶(Adenine nucleotidetranslocase) 是线粒体内膜上的酶，为逆反转运体，可以把ADP和Pi转运到线粒体内，也能把合成的ATP从线粒体运到胞液。苍术苷抑制腺苷酸转位酶.7、氧化磷酸化中的P/O比 P/O值:代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化生成水，这一过程中所产生的ATP分子的数目即耗费1个O原子所产生ATP的数目称为磷氧比P/O。 NADH呼吸链： P/O =2.5FADH呼吸链： P/O = 1.5 一个ATP需求3+1个H+ .构成一个ATP需求的4个H+ 细菌构成一个ATP需求的多少个H+ ？ 目前被广泛接受的观念是：ATP、ADP和无机磷酸经过

26、线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。知每合成1个ATP需求3个质子经过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需求耗费1个质子，所以每构成1个分子的ATP就需求4个质子的流动。因此，假设一对电子经过NADH电子传送链可泵出10个质子，那么可构成2.5 个分子ATP；假设一对电子经过FADH2电子传送链有6个质子泵出，那么可构成1.5个ATP分子。 .ATP的合成小节.8、细胞溶胶中NADH的氧化.胞液中NADH的氧化一-磷酸甘油穿越主要存在于脑和骨骼肌中。NADH经过此穿越系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进展氧化磷酸化，故只能产生1.

27、5分子ATP。二苹果酸穿越系统主要存在于肝和心肌中。胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿越系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进展氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。 . 线粒体 内膜 线粒体 外膜膜间腔 线粒体 基质 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘油脱氢酶 氧化呼吸链 磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油 NADH+H+ -磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油穿越系统.苹果酸穿越系统Malate-aspartate shuttle胞质溶胶 线立体基质电子传送链1 NADH+H+ .两种穿越系统的比较-磷酸甘油穿越苹果酸-天冬氨酸穿越穿越物质-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮苹果酸、 谷氨酸天冬aa、-酮戊二

28、酸进入线粒 体后转变 成的物质FADH2NADH+ H+进入 呼吸链 琥珀酸 氧化呼吸链？NADH 氧化呼吸链生成ATP数1.52.5存在组织脑、骨骼肌肝脏和心肌组织一样点将胞浆中NADH的复原当量转送到线粒体内穿越.COQ是电子传送链的枢纽.9. 氧化磷酸化的调理ATP/ADP的比值影响氧化磷酸化的要素 负反响调理。当ATP高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸化速度减慢，NADH堆积，TCA循环速度减慢，ATP合成降低；当ATP低时，ADP、AMP升高，氧化磷酸化速度加快，TCA循环速度加快，ATP合成添加。 ATP/ADPPi:ATP质量作用比是限制氧化磷酸化速度的要素。 呼吸控制(受体控制

29、：经过ADP浓度对氧化磷酸化速率进展调控的景象称为呼吸控制.磷酸化的途径. 底物程度磷酸化 定义：底物程度磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是指代谢物在氧化分解过程中经过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使ADP磷酸化生成ATP的过程。 或：底物被氧化时构成 高能磷酸化合物的中间物， 经过酶的作用使ADP生成ATP。.底物程度磷酸底物程度磷酸化见于以下三个反响：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP丙酮酸激酶琥珀酰CoA合成酶3-磷酸甘油酸激酶.高能键构成方式.生物氧化小结.生物氧化小结 ( )解偶联剂可抑制和呼吸链的电子传送。目前，ATP合酶的作用机理是用 模型来解释的。( )DNP2，4-dinitrophenol,2,4-二硝基苯酚是ATP合酶的抑制剂，可抑制ATP合成。中山大学2021年研讨生入学考试生物化学试题分析线粒体F0F1-ATP合酶分子构造特点，结合最新进展讨论其旋转催化机制12分中国农业大学2021年.思 考 题 1、鱼藤酮是来自植物的一种天然毒素，剧烈抑制昆虫和鱼类线粒体NADH脱氢酶；抗霉素A也是一种毒性很强的抗生素，剧烈抑制电子传送链中泛醌的氧化