电子传递体系与氧化磷酸化

目录第一节生物氧化的特点和方式第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用***第四节其它氧化体系（自学）本文档共77页；当前第1页；编辑于星期三\6点13分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。本文档共77页；当前第2页；编辑于星期三\6点13分生物氧化的特点

生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。对于真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行；在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。本文档共77页；当前第3页；编辑于星期三\6点13分生物氧化的化学本质——氧化还原反应脱电子、氢，加氧——氧化反应接受电子、氢，脱氧——还原反应供电子体或供氢体受电子体或受氢体偶联进行

本文档共77页；当前第4页；编辑于星期三\6点13分生物氧化与体外燃烧的比较

生物氧化体外燃烧反应条件

温和剧烈

(体温、pH近中性)(高温、高压)反应过程

逐步进行的酶促反应一步完成能量释放

逐步进行瞬间释放

（化学能、热能）（热能）CO2生成方式

有机酸脱羧碳和氧结合H2O

需要不需要本文档共77页；当前第5页；编辑于星期三\6点13分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本文档共77页；当前第6页；编辑于星期三\6点13分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+本文档共77页；当前第7页；编辑于星期三\6点13分脂肪葡萄糖、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本文档共77页；当前第8页；编辑于星期三\6点13分1、食物中有机大分子在消化道消化降解为有机小分子如：淀粉→葡萄糖2、有机小分子被细胞摄取，在细胞质内进一步降解为更小的有机小分子（糖酵解）

如：葡萄糖→2丙酮酸

+2ATP3、有机小分子丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质

丙酮酸+辅酶A→乙酰辅酶A+2H++CO2

4、乙酰辅酶A

2CO2+8H++辅酶A5、电子传递和氧化磷酸化三羧酸循环（2ATP）能量转换本文档共77页；当前第9页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第10页；编辑于星期三\6点13分细胞质线粒体本文档共77页；当前第11页；编辑于星期三\6点13分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、电子传递抑制剂本文档共77页；当前第12页；编辑于星期三\6点13分线粒体结构本文档共77页；当前第13页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第14页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第15页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第16页；编辑于星期三\6点13分线粒体呼吸链

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。氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。

本文档共77页；当前第17页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第18页；编辑于星期三\6点13分呼吸链的组成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）Cytb本文档共77页；当前第19页；编辑于星期三\6点13分NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFe-SFADH2复合体II复合体IV复合体I复合体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CytbH本文档共77页；当前第20页；编辑于星期三\6点13分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-c1-c-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本文档共77页；当前第21页；编辑于星期三\6点13分

两种呼吸链的比较:相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反复使用；3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。不同点:

NADH呼吸链琥珀酸呼吸链

普遍程度较普遍次要起始物

NADHFADH2ATP2.51.5本文档共77页；当前第22页；编辑于星期三\6点13分呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH本文档共77页；当前第23页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第24页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第25页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第26页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第27页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第28页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第29页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第30页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第31页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第32页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第33页；编辑于星期三\6点13分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17KCytcⅠ36KIII21KⅡ23K,12K8K,,4K,4K线粒体基质(bH)(b562)(bL)(b566)2Fe-2Sc1铁-硫蛋白

Cytb本文档共77页；当前第34页；编辑于星期三\6点13分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本文档共77页；当前第35页；编辑于星期三\6点13分烟酰胺脱氢酶类

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+本文档共77页；当前第36页；编辑于星期三\6点13分黄素蛋白酶类

特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为生物膜组成蛋白类别：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）单加氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2H＋

FAD(FMN)H2本文档共77页；当前第37页；编辑于星期三\6点13分铁硫蛋白

+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通过蛋白质分子中的4个Cys残基的－SH与蛋白质相连结。本文档共77页；当前第38页；编辑于星期三\6点13分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本文档共77页；当前第39页；编辑于星期三\6点13分CoQ的结构和递氢原理CoQ+2H＋

CoQH2本文档共77页；当前第40页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第41页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第42页；编辑于星期三\6点13分铁硫蛋白的结构传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e本文档共77页；当前第43页；编辑于星期三\6点13分细胞色素体系（Cyt）（1）Cyt的本质细胞色素=酶蛋白+血红素（2）Cyt的分类30多种a类：a、a1、a2、a3

…b类：b、b1～7、P450…c类：c、c1、c2、c3…本文档共77页；当前第44页；编辑于星期三\6点13分细胞色素

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6种（bH、bL、c1、c、a和a3)，cytbH、cytbL和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，有的时候也称为细胞色素氧化酶，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。本文档共77页；当前第45页；编辑于星期三\6点13分传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e本文档共77页；当前第46页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第47页；编辑于星期三\6点13分电子传递抑制剂

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ACN-CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解本文档共77页；当前第48页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第49页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第50页；编辑于星期三\6点13分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

本文档共77页；当前第51页；编辑于星期三\6点13分氧化磷酸化

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。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本文档共77页；当前第52页；编辑于星期三\6点13分磷酸化电子传递水平磷酸化：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。底物水平磷酸化：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。本文档共77页；当前第53页；编辑于星期三\6点13分磷氧比（P/O

）

呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）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原子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~

2.5ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~

1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP本文档共77页；当前第54页；编辑于星期三\6点13分二、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年获诺贝尔化学奖氧还回路3、质子梯度的形成

质子泵4、ATP合成的机制本文档共77页；当前第55页；编辑于星期三\6点13分线粒体ATP合酶本文档共77页；当前第56页；编辑于星期三\6点13分

氧化磷酸化重建示意图本文档共77页；当前第57页；编辑于星期三\6点13分内膜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)本文档共77页；当前第58页；编辑于星期三\6点13分化学渗透假说原理示意图4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+

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

氧化

本文档共77页；当前第59页；编辑于星期三\6点13分本文档共77页；当前第60页；编辑于星期三\6点13分线粒体电子传递和H+排出的数目与途径H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbLCytbHCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+12本文档共77页；当前第61页；编辑于星期三\6点13分ATP合酶结构示意图定子OSCP

F6F1H+通道FO柄DCCD结合蛋白基质表面外表面本文档共77页；当前第62页；编辑于星期三\6点13分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)使已合成的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。本文档共77页；当前第63页；编辑于星期三\6点13分ATP合酶作用机理ADP+PiProtonFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtonFlux有利于ADP与Pi结合的构象有利于ATP生成的构象有利于ATP释放的构象本文档共77页；当前第64页；编辑于星期三\6点13分ATPase的旋转催化模型旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基c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a和b与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.动画演示1、

2、

3本文档共77页；当前第65页；编辑于星期三\6点13分四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统糖酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）本文档共77页；当前第66页；编辑于星期三\6点13分3-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）甘油-3-磷酸脱氢酶甘油-3-磷酸脱氢酶本文档共77页；当前第67页；编辑于星期三\6点13分苹果酸-天冬氨酸穿梭途径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）呼吸链本文档共77页；当前第68页；编辑于星期三\6点13分2,4-二硝基苯酚（DNP）的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外CCCP(苯腙羰基氰化物),FCCP(三氟甲氧基苯腙羰基氰化物)具有同样作用。寡霉素、缬氨霉素、短杆菌肽等则具有另外的抑制机制。本文档共77页；当前第69页；编辑于星期三\6点13分五、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。（如ATCase）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能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量。本文档共77页；当前第70页；编辑于星期三\6点13分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，加上氧化磷酸化产生的ATP分子数构成了葡萄糖彻底氧化所生成的ATP总数。根据测定，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、4和2。合成一个ATP