八电子传递体系与氧化磷酸化

八电子传递体系与氧化磷酸化第1页/共48页第一节生物氧化的特点和方式

一、生物氧化的特点二、生物氧化过程中CO2的生成三、生物氧化过程中H2O的生成四、有机物在体内氧化释能的三个阶段

糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。第2页/共47页

牛牛文库文档分享第2页/共48页生物氧化的特点

在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。第3页/共47页

牛牛文库文档分享第3页/共48页CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。

类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第4页/共47页

牛牛文库文档分享第4页/共48页H2O的生成

代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+第5页/共47页

牛牛文库文档分享第5页/共48页脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、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间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段第6页/共47页

牛牛文库文档分享第6页/共48页第二节线粒体电子传递体系

一、线粒体结构特点二、电子传递呼吸链的概念三、呼吸链的组成四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化五、电子传递抑制剂第7页/共47页

牛牛文库文档分享第7页/共48页线粒体结构第8页/共47页

牛牛文库文档分享第8页/共48页线粒体呼吸链

线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。第9页/共47页

牛牛文库文档分享第9页/共48页呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）第10页/共47页

牛牛文库文档分享第10页/共48页NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链第11页/共47页

牛牛文库文档分享第11页/共48页NADH呼吸链电子传递和水的生成H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2e第12页/共47页

牛牛文库文档分享第12页/共48页呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第13页/共47页

牛牛文库文档分享第13页/共48页电子传递链标准氧化还原自由能变化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素C还原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第14页/共47页

牛牛文库文档分享第14页/共48页细胞色素还原酶部分结构模式细胞色素氧化酶结构示意图线粒体基质17KCytc36KIII21K23K,12K8K,,4K,4K线粒体基质(bH)(b566)(bL)(b562)2Fe-2Sc1铁-硫蛋白

Cytb第15页/共47页

牛牛文库文档分享第15页/共48页NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化第16页/共47页

牛牛文库文档分享第16页/共48页烟酰胺脱氢酶类

特点：以NAD+

或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。

传递氢机理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第17页/共47页

牛牛文库文档分享第17页/共48页黄素蛋白酶类

特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第18页/共47页

牛牛文库文档分享第18页/共48页铁硫蛋白

+e

传递电子机理：Fe3+Fe2+

-e

特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。第19页/共47页

牛牛文库文档分享第19页/共48页CoQ

特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。

+2H

传递氢机理：CoQCoQH2

－2H第20页/共47页

牛牛文库文档分享第20页/共48页细胞色素

传递电子机理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。

类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu

，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。第21页/共47页

牛牛文库文档分享第21页/共48页CoQ的结构和递氢原理CoQ+2HCoQH2第22页/共47页

牛牛文库文档分享第22页/共48页铁硫蛋白的结构及递电子机理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e第23页/共47页

牛牛文库文档分享第23页/共48页细胞色素血红素的结构传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e波长/nm

还原型Cytc的吸收光谱第24页/共47页

牛牛文库文档分享第24页/共48页电子传递抑制剂

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解第25页/共47页

牛牛文库文档分享第25页/共48页第三节氧化磷酸化作用一、

氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念二、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的解偶联和抑制四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算六、能荷

第26页/共47页

牛牛文库文档分享第26页/共48页氧化磷酸化

代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,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。类别：

底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能第27页/共47页

牛牛文库文档分享第27页/共48页磷氧比（P/O

）

呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第28页/共47页

牛牛文库文档分享第28页/共48页二、氧化磷酸化的偶联机理

1、线粒体ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶联假说

1953年EdwardSlater

化学偶联假说

1964年PaulBoyer构象偶联假说

1961年PeterMitchell化学渗透假说3、质子梯度的形成4、ATP合成的机制1978年获诺贝尔化学奖第29页/共47页

牛牛文库文档分享第29页/共48页线粒体ATP合酶第30页/共47页

牛牛文库文档分享第30页/共48页

氧化磷酸化重建示意图第31页/共47页

牛牛文库文档分享第31页/共48页内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(ΔH+)驱动ATP的合成。化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)第32页/共47页

牛牛文库文档分享第32页/共48页化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

第33页/共47页

牛牛文库文档分享第33页/共48页线粒体电子传递和H+排出的数目和途径H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+2H+2H+复合物III12第34页/共47页

牛牛文库文档分享第34页/共48页Boyer和Walker的工作

英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。

Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。第35页/共47页

牛牛文库文档分享第35页/共48页ATPase的旋转催化模型IIIIVIII定子转子

旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.第36页/共47页

牛牛文库文档分享第36页/共48页ATP合酶结构示意图定子旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面第37页/共47页

牛牛文库文档分享第37页/共48页ATP酶作用机理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合的构象有于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象第38页/共47页

牛牛文库文档分享第38页/共48页四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）第39页/共47页

牛牛文库文档分享第39页/共48页-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）第40页/共47页

牛牛文库文档分享第40页/共48页苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链第41页/共47页

牛牛文库文档分享第41页/共48页2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外第42页/共47页

牛牛文库文档分享第42页/共48页五、能荷

定义式：能荷=—————————

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

意义：能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在0~1之间，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。能荷相对速率ATP的利用途径

ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响第43页/共47页

牛牛文库文档分享第43页/共48页葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算

葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或GTP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确，因为质子泵、ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定，H+经NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子数依次为4、2和4。合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一个H+，可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传至02