第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件

第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第七章生物氧化

序言第一节线粒体的结构与功能第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化第七章生物氧化

序言生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解,最终生成CO2和H2O并释放出能量的作用称为生物氧化(biologicaloxidation)。生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解,最第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件生物氧化的特点生物氧化的能量是逐步释放的；生物氧化过程中产生的能量储存在高能化合物（主要是ATP）中；生物氧化具有严格的细胞内定位：

原核生物细胞膜真核生物线粒体节首章首生物氧化的特点生物氧化的能量是逐步释放的；节首章首高能磷酸化合物举例高能磷酸化合物举例

生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是以还原型辅酶NADH和FADH2形式贮存的；本章将重点讨论这些还原型辅酶被氧化、生成ATP的过程，即电子传递和氧化磷酸化（electrontransportandoxidativephosphorylation）。

生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是氧化磷酸化作用：

与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使ADP形成高能ATP的作用。底物水平磷酸化作用：

从一个高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸），将磷酰基转移给ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷酰基转移相耦联。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成ATP的机制。氧化磷酸化作用：

在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，相关的酶嵌入线粒体内膜。线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密偶联的过程构成的：线粒体的NADH和FADH2通过呼吸电子传递链（respiratoryelectrontransportchain）被氧化；质子浓度梯度可作为自由能库。

在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第一节线粒体的结构与功能第一节线粒体的结构与功能一、线粒体的基本特征

真核生物中，氧化磷酸化在线粒体中进行。外膜含蛋白相对较少，容许分子量小于10000的离子和水溶性代谢物跨膜扩散；内膜含有丰富的蛋白质，向线粒体腔内高度皱褶形成“嵴”，使得表面积大大增加。内膜容许不带电荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的极性分子和离子不能自由通透，需要特殊的跨膜转运蛋白协助才行；线粒体内膜和外膜之间的空隙称为“膜间隙”，膜间隙中含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。一、线粒体的基本特征真核生物中，氧化磷执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及ATP合成酶复合物都嵌在内膜中。线粒体基质中含有丙酮酸脱氢酶、及催化柠檬酸循环和脂肪酸氧化的大多数酶。执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及ATP合成酶复合物都嵌在内二、线粒体的跨膜转运系统在线粒体外反应产生的NADH不能直接通过呼吸链进行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脱氢反应和乳酸脱氢反应产生的NADH；线粒体外的NADH不能自由通过线粒体内膜，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能进行电子传递，这就是所谓穿梭机制。体内主要有两种穿梭机制。二、线粒体的跨膜转运系统

在哺乳动物的肝脏和其它的某些组织，存在着活跃的苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。

在哺乳

主要存在于哺乳动物的肌肉和脑组织中。

主要存在于哺乳动物的肌肉和脑组织中。第二节电子传递链（呼吸链）

线粒体的内膜中有5种与氧化磷酸化有关的蛋白质复合物，每种复合物都催化能量转换过程中的某一部分反应。I至IV复合物含有很多辅助因子，它们参与电子传递，而复合物V是ATP合成酶。标准还原电位（单位为伏特）与标准自由能的变化（单位为kJ/mol）有直接的关系：

第二节电子传递链（呼吸链）

线粒体的内膜中有5种与氧化磷酸第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件NADH氧化呼吸链

是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶：返回NADH氧化呼吸链是细胞内最主要的呼吸链，因为生物琥珀酸氧化呼吸链

由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b：返回琥珀酸氧化呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链返回线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链返回线粒体呼吸链的组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（CoQ）细胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）节首章首线粒体呼吸链的组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）节首章首烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。

NAD＋和NADH结构示意图返回烟酰胺腺嘌呤二核苷酸利用分子中烟酰胺基团的可第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件

返回返回铁硫蛋白（铁硫中心）

分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。返回铁硫蛋白（铁硫中心）分子中常含2或4个Fe（泛醌

是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，故也属于递氢体。返回泛醌是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结细胞色素细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：

2Cyt

Fe3++2e－2Cyt

Fe2+细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。细胞色素c的结构示意图返回细胞色素细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：细胞色第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件第三节氧化磷酸化

一、化学渗透理论

Mitchell在1961年提出了氧化磷酸化的机制－化学渗透理论（chemiosmotictheory）。

Mitchell认为：还原型辅酶的氧化可以产生跨膜（线粒体内膜）的质子浓度梯度，而这一质子梯度又可以进一步驱动ATP的形成。

第三节氧化磷酸化

一、化学渗透理论化学渗透理论主要包括以下几点内容：

偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度，使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的H＋浓度升高。位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的质子转移驱动反应中催化ADP磷酸化。

化学渗透理论主要包括以下几点内容：

偶联需要完整的线粒体内二、ATP合成机制

1979年PaulBoyer提出了ATP合成的结合-变换机制（binding-changemechanism），他认为：

ATP合成酶含有3个催化部位，在任一给定时间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧缩。所有3个催化部位都依次经历上述3种构象变化。二、ATP合成机制1979年PaulBATP的形成和释放主要涉及以下几个步骤：

一分子的ADP和Pi结合在开部位。质子跨过线粒体内膜进入基质，引起3个催化部位发生构象变化。开构象（含有新结合的ADP和Pi）转变为松弛部位，已被ADP和Pi填充的松弛部位转变为紧缩部位，载有ATP的紧缩部位转变为开部位。ATP从开部位被释放出来，同时在紧缩部位ADP和Pi缩合形成ATP。ATP的形成和释放主要涉及以下几个步骤：第四章生物氧化呼吸链与氧化磷酸化课件三、P/O比

指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分子数。ATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATP合成伴随着质子浓度梯度的下降。三个电子复合物I、III和IV传递大约导致线粒体内的10个H＋转移到膜间隙（复合物I转移4个H＋；复合物III转移4个H＋；复合物IV转移2个H＋）。经ATP合成酶流回线粒体基质可以驱动2.5个ATP的合成。三、P/O比指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的ATP分子而象那样从支路复合物II进入电子传递链的电子经复合物III传递到复合物IV，只能驱动6个质子的转移。而象对二（二甲氨基）苯二胺那样直接提供2个电子给复合物IV可以使2个质子转移到膜间隙。

而象那样从支路复合物II进入电子传递链的电子经复合物III传四、氧化磷酸化抑制剂

氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。一、呼吸抑制剂这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种：四、氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂可1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：专一抑制NADH→CoQ的电子传递。2、抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQ→Cytc的电子传递。3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S：抑制细胞色素c氧化酶。1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：专一抑制NADH→CoQ的电二、磷酸化抑制剂这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定会抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可与F0的OSCP(p189)结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。

二、磷酸化抑制剂三、解偶联剂(uncoupler)

解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成。解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化。三、解偶联剂(uncoupler)解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。新生儿和动物棕色脂肪组织线粒体中有独特的解偶联蛋白，使氧化磷酸化处于解偶联状态，这对于维持他们的体温十分重要。常用的解偶联剂有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。新生儿习题1.化学渗透学说要点是什么？2.2,4-二硝基苯酚的解偶联机制是什么？3.注射2,4-二硝基苯酚到动物体内可能引起什么现象？为什么？4.简述ADP对呼吸链的调控作用。5.比较电子传递抑制剂，氧化磷酸化抑制剂和解偶联试剂对生物氧化作用的影响并举例说明。习题1.化学渗透学说要点是什么？6.呼吸链中各电子传递体的排列顺序是如何确定的？7.生物体能够利用的最终能源是：

①有机物的氧化；②ATP;③磷酸肌酸；④太阳光。

8.一分子乙酰辅酶A彻底氧化产生3个NADH,1个FADH2和1个GTP，P/O比值是多少？

9.胞液中NADH如何氧化产生ATP?6.呼吸链中各电子传递体的排列顺序是如何确定的？柠檬酸循环产生的能量

在柠檬酸循环的总反应中，对于进入循环的每个乙酰CoA都可以产生3分子NADH、1分子FADH2和1分子的GTP或ATP。

通过位于线粒体内膜的电子传递链，NADH和FADH2被氧化，伴随着氧化过程可以进行氧化磷酸化生成ATP