生物能学与生物氧化

第三节电子传递和氧化呼吸链主要内容：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理。当前第1页\共有82页\编于星期四\19点一、生物氧化概述

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。当前第2页\共有82页\编于星期四\19点（一）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能得到有效的利用。当前第3页\共有82页\编于星期四\19点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：

细胞内温和条件（常温、常压、中性pH、水溶液）高温或高压、干燥条件一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失当前第4页\共有82页\编于星期四\19点（二）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当前第5页\共有82页\编于星期四\19点（三）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+当前第6页\共有82页\编于星期四\19点脂肪葡萄糖、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当前第7页\共有82页\编于星期四\19点二、电子传递链（呼吸链）（一）线粒体结构特点（二）电子传递链（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）电子传递抑制剂当前第8页\共有82页\编于星期四\19点（一）线粒体结构特点嵴当前第9页\共有82页\编于星期四\19点线粒体外膜

自由透过小分子和离子线粒体内膜

不能自由透过大部分小分子和离子,包括H+。含有：电子传递体（复合体I、II、III、IV）ADP-ATP转运载体ATP合酶（FoF1）其他载体线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶系柠檬酸循环酶系、脂肪酸-氧化酶系DNA、核糖体、其他酶ATP、ADP、Pi、Mg2+、

Ca2+、

K+

、很多可溶的中间代谢产物当前第10页\共有82页\编于星期四\19点Cristae(嵴、theinfoldingsoftheinnermembraneofmitochondria)iswheretherespiratorychainislocated.当前第11页\共有82页\编于星期四\19点当前第12页\共有82页\编于星期四\19点（二）电子传递链（呼吸链）的概念

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（electrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。当前第13页\共有82页\编于星期四\19点呼吸链由4个多蛋白的复合物（I,II,III,和IV；3个是质子泵）和2个移动的电子载体，泛醌（Q或辅酶Q）以及细胞色素c组成。呼吸链中蛋白质的辅基包括：黄素类（FMN，FAD），血红素（血红素A，铁原卟啉IX，血红素C），铁硫聚簇（2Fe-2S,4Fe-4S)和铜。当前第14页\共有82页\编于星期四\19点呼吸链上很多电子载体的顺序通过多种研究得以阐明方法一：测量标准还原电位（E’0）电子倾向于从低还原电位的载体流向还原电位高的载体（不过在真正的细胞中可能有偏差）当前第15页\共有82页\编于星期四\19点ElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE’0当前第16页\共有82页\编于星期四\19点方法二：氧化作用动力学研究完全的还原伴随着O2的突然传导；较早的氧化作用更接近呼吸链的末端；使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波长不同。当前第17页\共有82页\编于星期四\19点TheUVabsorptionspectraofNADandNADH.Reductionofthenicotinamideringproducesanew,broadabsorptionbandwithamaximumat340nm.TheproductionofNADHduringanenzyme-catalyzedreactioncanbeconvenientlyfollowedbyobservingtheappearanceoftheabsorbanceat340nm.当前第18页\共有82页\编于星期四\19点ReducedReducedReducedOxidizedOxidized方法三:各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。鱼藤酮抗霉素

A当前第19页\共有82页\编于星期四\19点方法四:分离并鉴定每个多蛋白质复合物：链上组分中特有的电子供体和受体可以确定。当前第20页\共有82页\编于星期四\19点当前第21页\共有82页\编于星期四\19点Separationoffunctionalcomplexesoftherespiratorychain.Theoutermitochondrialmembraneisfirstremovedbytreatmentwiththedetergentdigitonin（洋地黄皂苷）.Fragmentsofinnermembranearethenobtainedbyosmoticruptureofthemitochondria,andthefragmentsaregentlydissolvedinaseconddetergent.Theresultingmixtureofinnermembraneproteinsisresolvedbyion-exchangechromatographyintodifferentcomplexes(IthroughIV)oftherespiratorychain,eachwithitsuniqueproteincompositionandtheenzymeATPsynthase.

TheisolatedComplexesIthroughIVcatalyzetransfersbetweendonors(NADHandsuccinate),intermediatecarriers(Qandcytochromec),andO2,asshown.Invitro,isolatedATPsynthasehasonlyATP-hydrolyzing(ATPase),notATP-synthesizing,activity.当前第22页\共有82页\编于星期四\19点Enzymecomplex/proteinMass(kDa)Numberofsubunits*Prostheticgroup(s)INADHdehydrogenase85043(14)FMN,Fe-SIISuccinatedehydrogenase1404FAD,Fe-SIIIUbiquinone25011Hemes,Fe-SCytochromec+131HemeIVCytochromeoxidase16013(3–4)Hemes;CuA,CuBTheProteinComponentsoftheMitochondrialElectron-TransferChain*Numbersofsubunitsinthebacterialequivalentsinparentheses.+Cytochromecisnotpartofanenzymecomplex;itmovesbetweenComplexesIIIandIVasafreelysolubleprotein.当前第23页\共有82页\编于星期四\19点（三）呼吸链的组成黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)细胞色素类（cytochromes）辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）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）当前第24页\共有82页\编于星期四\19点NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物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呼吸链两条主要呼吸链当前第25页\共有82页\编于星期四\19点1.NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）

NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。

传递氢机理:NAD++2H++2eNADH+H+NAD（P）H+H++FMNFMNH2

+NAD（P）+当前第26页\共有82页\编于星期四\19点NADHdehydrogenase

（ComplexI）NADH+5H+N+QNAD++QH2+4H+P当前第27页\共有82页\编于星期四\19点辅酶Q是呼吸链电子传递的枢纽Ubiquinone(Q)acceptselectronsfrombothNADHandFADH2intherespiratorychain当前第28页\共有82页\编于星期四\19点

PathofelectronsfromNADH,succinate,fattyacyl–CoA,andglycerol3-phosphatetoubiquinone.ElectronsfromNADHpassthroughaflavoproteintoaseriesofiron-sulfurproteins(inComplexI)andthentoQ.ElectronsfromsuccinatepassthroughaflavoproteinandseveralFe-Scenters(inComplexII)onthewaytoQ.Glycerol3-phosphatedonateselectronstoaflavoprotein(glycerol3-phosphatedehydrogenase)ontheouterfaceoftheinnermitochondrialmembrane,fromwhichtheypasstoQ.Acyl-CoAdehydrogenase(thefirstenzymeofoxidation)transferselectronstoelectrontransferringflavoprotein(ETF),fromwhichtheypasstoQviaETF:ubiquinoneoxidoreductase.当前第29页\共有82页\编于星期四\19点FAD（FMN）canacceptoneelectronorFADH2

（FMNH2）candonateoneelectrontoformasemiquinoneradicalintermediate.当前第30页\共有82页\编于星期四\19点铁硫蛋白

+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。当前第31页\共有82页\编于星期四\19点铁硫蛋白参与电子传递2Fe-2S当前第32页\共有82页\编于星期四\19点Differenttypesofiron-sulfurcenters2Fe-2S4Fe-4SFerredoxin（铁氧还蛋白）IronatomscyclebetweenFe2+

(reduced)andFe3+(oxidized).当前第33页\共有82页\编于星期四\19点2.CoQ

特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。功能基团是苯醌，通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。

当前第34页\共有82页\编于星期四\19点泛醌是一个移动的电子/质子载体脂溶性的苯醌有一个很长的异戊二烯侧链，可以接受1或2个电子，形成半醌或还原型辅酶Q（QH2）；QH2扩散到下一个复合物（III）；是唯一的一个不结合于一种蛋白的电子载体。当前第35页\共有82页\编于星期四\19点当前第36页\共有82页\编于星期四\19点3.琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。

琥珀酸FADH2Fe-SCoQ当前第37页\共有82页\编于星期四\19点4.细胞色素还原酶

（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素cQH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.c当前第38页\共有82页\编于星期四\19点细胞色素（cytochrome,cyt）

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在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，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。当前第39页\共有82页\编于星期四\19点细胞色素=血红素+蛋白质血红素有a,b和cCytc是水溶性的，存在于内外膜之间，在复合体III和IV间传递电子血红素中的铁得失电子而还原和氧化当前第40页\共有82页\编于星期四\19点Cyta:~600nmCytb:~560nmCytc:~550nmReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsAbsorptionspectraofcytochromec(cytc)initsoxidized(red)andreduced(blue)forms.Alsolabeledarethecharacteristic,α,βandγbandsofthereducedform.当前第41页\共有82页\编于星期四\19点Cytochromebc1complex(ComplexIII)当前第42页\共有82页\编于星期四\19点5.细胞色素c在复合体III和Ⅳ之间传递电子。（细胞色素c交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）是唯一能溶于水的细胞色素。相对分子质量为13000，由104个氨基酸构成的单一肽链。当前第43页\共有82页\编于星期四\19点12345678半胱氨酸当前第44页\共有82页\编于星期四\19点6.细胞色素氧化酶

（复合体Ⅳ、细胞色素c氧化酶）由cyta和a3组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+

、Fe2+间循环，同时Cu2+

、Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2，也叫末端氧化酶。当前第45页\共有82页\编于星期四\19点Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase(ComplexIV)A204kD13-subunitproteincomplex,withstructuredeterminedin1996CuBHemeaHemea32CuACuACuA当前第46页\共有82页\编于星期四\19点TheelectronpathinComplexIV当前第47页\共有82页\编于星期四\19点当前第48页\共有82页\编于星期四\19点NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物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（四）机体内两条主要呼吸链和能量的变化当前第49页\共有82页\编于星期四\19点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当前第50页\共有82页\编于星期四\19点当前第51页\共有82页\编于星期四\19点（五）电子传递抑制剂概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。

电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中电子传递体顺序的有效方法（阻断部位物质的氧化-还原状态可以测出）。当前第52页\共有82页\编于星期四\19点电子传递抑制剂

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呼吸链的比拟图解当前第53页\共有82页\编于星期四\19点第四节氧化磷酸化作用

一、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+Pi

ATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能当前第54页\共有82页\编于星期四\19点磷氧比（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当前第55页\共有82页\编于星期四\19点二、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1978年获诺贝尔化学奖当前第56页\共有82页\编于星期四\19点内膜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。三、化学渗透假说

(chemiosmotichypothesis)当前第57页\共有82页\编于星期四\19点当前第58页\共有82页\编于星期四\19点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

当前第59页\共有82页\编于星期四\19点线粒体电子传递和H+排出的数目和途径H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+2H+2H+复合物IV12复合物III复合物I当前第60页\共有82页\编于星期四\19点ThechemiosmoticmodelbyMitchell当前第61页\共有82页\编于星期四\19点Boyer和Walker的工作

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。

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。当前第62页\共有82页\编于星期四\19点

当前第63页\共有82页\编于星期四\19点ATP合酶结构示意图定子OSCPF1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面OSCP：寡霉素敏感性付与蛋白。DCCD：二环已基碳二亚胺，有抑制质子通过Fo的作用。当前第64页\共有82页\编于星期四\19点ATP合酶催化ATP的合成H+被吸引到膜的Fo通道的基质侧，在Fo和F1连接处形成高浓度的H+通过ATP合酶每传送4H+引导1个ATP的生成当前第65页\共有82页\编于星期四\19点线粒体ATP合酶复合体组分（P136）亚基相对分子质量作用定位F1378000含有合成ATP的催化部位线粒体内膜向基质侧的球状体α56000β53000γ34000δ14000ε6000F025000、21000、12000、8000含有质子通道跨膜部位F1抑制剂（IF1）10000调节质子流及ATP的合成F0F1之间的柄OSCP23000F0F1之间的柄F68000F0F1之间的柄当前第66页\共有82页\编于星期四\19点

氧化磷酸化重建示意图当前第67页\共有82页\编于星期四\19点Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheF0F1complexwasobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy

肌动蛋白当前第68页\共有82页\编于星期四\19点ATP合成L态：低亲和力态，ATP合成O态：开放态，亲和力极低，ATP释放T态：紧密结合态，ATP合成当H+通过Fo时，Fo旋转，旋转导致F13个β亚基构象的改变F1

β构象的变化促使ADP+Pi合成ATP并释放当前第69页\共有82页\编于星期四\19点ATP酶作用机理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有利于ADP与Pi结合的构象有利于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象当前第70页\共有82页\编于星期四\19点OxidativePhosphorylation(oninnermembraneofmitochondria)当前第71页\共有82页\编于星期四\19点四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

1.磷酸甘油穿梭系统

2.苹果酸—天冬氨酸穿梭系统酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）胞浆NADH不能直接进入线粒体当前第72页\共有82页\编于星期四\19点胞浆NADH不能直接进入线粒体穿梭系统：3-磷酸甘油穿梭NADHFADH2脑、骨骼肌等（速度快）苹果酸-天冬氨酸穿梭NADHNADH心、骨骼肌等线粒体外NADH的氧化3-磷酸甘油穿梭：NADHFADH2当前第73页\共有82页\编于星期四\19点-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）当前第74页\共有82页\编于星期四\19点苹果酸-草酰乙酸穿梭作用（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）细胞液线