1、第第1616章章 電子傳電子傳遞和氧化磷酸化遞和氧化磷酸化C6H12O6+6O26CO2+6H2O可以分成兩個由代謝機(jī)構(gòu)完成的半反應(yīng)?？梢苑殖蓛蓚€由代謝機(jī)構(gòu)完成的半反應(yīng)。6O2 +24H+ 12H2OC6H12O6+6H2O6CO2+24H+24e-第二步，分子氧被還原：第二步，分子氧被還原：第一步，葡萄糖的碳原子被氧化：第一步，葡萄糖的碳原子被氧化：一、線粒體的結(jié)構(gòu)與功能一、線粒體的結(jié)構(gòu)與功能基質(zhì)基質(zhì)外膜外膜內(nèi)膜內(nèi)膜膜間隙膜間隙嵴嵴線粒體線粒體老鼠肝臟線粒體老鼠肝臟線粒體X X線斷層攝影圖線斷層攝影圖脊脊線粒體內(nèi)膜和外膜的冰凍撕裂和冰凍蝕刻電鏡圖線粒體內(nèi)膜和外膜的冰凍撕裂和冰凍蝕刻電鏡圖內(nèi)膜

2、內(nèi)膜外側(cè)面外側(cè)面（2120個顆粒個顆粒m-2）內(nèi)側(cè)面內(nèi)側(cè)面（4208個顆粒個顆粒m-2）基基質(zhì)質(zhì)外膜外膜外側(cè)面外側(cè)面（2806個顆粒個顆粒m-2）內(nèi)側(cè)面內(nèi)側(cè)面（770個顆粒個顆粒m-2）細(xì)胞液細(xì)胞液膜間隙膜間隙 內(nèi)膜內(nèi)膜含有的含有的包埋粒包埋粒子的密子的密度大約度大約是外膜是外膜的的2 2倍倍外膜外膜小分子和離子自由通過小分子和離子自由通過內(nèi)膜內(nèi)膜大多數(shù)小分子和離子大多數(shù)小分子和離子 不能不能通過，包括通過，包括H+l呼吸電子傳遞體呼吸電子傳遞體(復(fù)合體復(fù)合體-)lADP-ATP轉(zhuǎn)運酶轉(zhuǎn)運酶lATP合成酶（合成酶（FOF1）l其他膜轉(zhuǎn)運蛋白其他膜轉(zhuǎn)運蛋白基質(zhì)基質(zhì)l丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系l

3、TCA酶酶l脂肪酸脂肪酸-氧化酶氧化酶l氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶lDNA，核糖體，核糖體l許多其他酶許多其他酶lATP,ADP,Pi,Mg2+,Ca2+,K+l許多可溶的代謝中間產(chǎn)物許多可溶的代謝中間產(chǎn)物線粒體的生物解剖線粒體的生物解剖Biochemical anatomy of a mitochondrion二、線粒體的跨模轉(zhuǎn)運系統(tǒng)二、線粒體的跨模轉(zhuǎn)運系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng)（肝、腎、心肌）（肝、腎、心?。└视透视?3-3-磷酸穿梭系統(tǒng)磷酸穿梭系統(tǒng)（肌肉、腦組織）（肌肉、腦組織）1 1、細(xì)胞溶質(zhì)（胞液）還原力的跨膜轉(zhuǎn)運、細(xì)胞溶質(zhì)（胞液）還原力的跨膜轉(zhuǎn)運2 2、ADP-ATPADP-A

4、TP轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白蘋果酸蘋果酸蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶-酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸基質(zhì)基質(zhì) 電子傳遞鏈電子傳遞鏈（內(nèi)膜）（內(nèi)膜）二羧酸移位酶二羧酸移位酶Glu-Asp載體載體甘油甘油-3-3-磷酸磷酸磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮3-3-磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶（胞液）（胞液）膜間隙膜間隙基質(zhì)基質(zhì)內(nèi)膜內(nèi)膜3-3-磷酸甘磷酸甘油脫氫酶油脫氫酶ADP-ATPADP-ATP轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋白ADP-ATPADP-ATP轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運蛋

5、白PiPi經(jīng)經(jīng)Pi-HPi-H+ +同向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)同向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)從胞液中獲得從胞液中獲得16.2 16.2 電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈） 電子傳遞鏈（呼吸鏈）：電子傳遞鏈（呼吸鏈）：有機(jī)物在生物體內(nèi)氧化有機(jī)物在生物體內(nèi)氧化過程中所脫下的氫原子，經(jīng)過一系列有嚴(yán)格排列順序過程中所脫下的氫原子，經(jīng)過一系列有嚴(yán)格排列順序的傳遞體組成的傳遞體系進(jìn)行傳遞，最終與氧結(jié)合生的傳遞體組成的傳遞體系進(jìn)行傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。成水。電子在逐步的傳遞過程中釋放出能量被用于合成電子在逐步的傳遞過程中釋放出能量被用于合成ATPATP，以，以作為生物體的能量來源。作為生物體的能量來源。 在具有線粒體的生物中，典

6、型的呼吸鏈有兩種：在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種：NADHNADH呼吸鏈呼吸鏈和和FADHFADH2 2呼吸鏈呼吸鏈。 電子從電子從氧化還原電勢較低氧化還原電勢較低的載體傳遞到的載體傳遞到氧化還原氧化還原電勢較高電勢較高的載體。的載體。 Albert L. Lehninger19171986“M”線粒體線粒體“C”細(xì)胞溶質(zhì)細(xì)胞溶質(zhì)異檸檬酸異檸檬酸-酮戊二酸酮戊二酸An overview of the complexes and pathways in the mitochondrial electron transport chain. Flavoprotein黃素蛋白黃素蛋白一、電

7、子傳遞鏈及其組成一、電子傳遞鏈及其組成NAD+和和 NADP+黃素蛋白（黃素蛋白（FMN 和和FAD）鐵硫蛋白鐵硫蛋白輔酶輔酶Q（CoQ）細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原型還原型煙酰胺（氧化型）煙酰胺（氧化型） 以以一個一個H H+ +和和2 2個電個電子子（氫負(fù)離子（氫負(fù)離子H H- -）的形式將自由能轉(zhuǎn)移的形式將自由能轉(zhuǎn)移給生物合成的需能反給生物合成的需能反應(yīng)應(yīng)半醌中間型半醌中間型氧化型氧化型還原型還原型 黃素蛋白（黃素蛋白（fpfp）：一種結(jié)合蛋白，其中非蛋白）：一種結(jié)合蛋白，其中非蛋白質(zhì)部分是黃素核苷酸（質(zhì)部分是黃素核苷酸（FADFAD和和FMNFMN）。）。半醌陰半醌陰離子離子異咯嗪環(huán)異咯嗪環(huán)參

8、與一個電子或兩個電子的傳遞參與一個電子或兩個電子的傳遞FeS2Fe-2S4Fe-4S 鐵硫蛋白：鐵硫蛋白：與與Fe-Fe-S S聚簇結(jié)合著的蛋白聚簇結(jié)合著的蛋白質(zhì)稱為質(zhì)稱為鐵硫蛋白鐵硫蛋白，或，或非血紅素鐵蛋白。非血紅素鐵蛋白。氧化型或醌形式氧化型或醌形式還原型或氫醌型還原型或氫醌型自由基或半醌形式自由基或半醌形式類異戊二烯單位類異戊二烯單位又叫泛醌（又叫泛醌（UQ），非蛋白質(zhì)組分），非蛋白質(zhì)組分CoQ能夠接受或給出一個或者兩個電能夠接受或給出一個或者兩個電子子CoQ有以有以異戊二烯異戊二烯為單位構(gòu)成的長碳為單位構(gòu)成的長碳?xì)滏湥蛊湓诰€粒體內(nèi)膜的脂雙層中可氫鏈，使其在線粒體內(nèi)膜的脂雙層中可以迅

9、速擴(kuò)散。以迅速擴(kuò)散。細(xì)胞色素（細(xì)胞色素（cyt）是一類含有）是一類含有鐵卟鐵卟啉啉輔基（血紅素輔基）的電子傳遞輔基（血紅素輔基）的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱蛋白質(zhì)的總稱還原型細(xì)胞色素具有明顯的可見還原型細(xì)胞色素具有明顯的可見光譜吸收現(xiàn)象（光譜吸收現(xiàn)象（、帶）帶）根據(jù)根據(jù)吸收帶的吸收光譜不同分吸收帶的吸收光譜不同分為為a、b、c三類三類哺乳動物線粒體電子傳遞鏈：哺乳動物線粒體電子傳遞鏈：b、c、c1、a、a3通過通過Fe3+e- Fe2+來接受和供來接受和供出電子出電子細(xì)細(xì)胞胞色色素素C C【中文名稱中文名稱】卟啉卟啉【英文名稱英文名稱】porphyrin(s)【其他其他】 是是卟吩卟吩的衍生物。例如

10、的衍生物。例如血紅素血紅素是含是含鐵鐵卟啉化合物，卟啉化合物，葉綠素葉綠素是含是含鎂鎂的卟啉化合物，的卟啉化合物，維生素維生素B12是含是含鈷鈷的卟啉化合物，它們在生物體內(nèi)的卟啉化合物，它們在生物體內(nèi)都有作重要的生理功能。都有作重要的生理功能。 卟啉。英文名稱卟啉。英文名稱porphyrin，是生物體內(nèi)的一種具有，是生物體內(nèi)的一種具有大共軛環(huán)狀結(jié)大共軛環(huán)狀結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)化合物構(gòu)的金屬有機(jī)化合物。卟吩卟吩是其前體，一分子卟吩結(jié)合一個金屬離是其前體，一分子卟吩結(jié)合一個金屬離子便形成子便形成卟啉卟啉。卟啉及其衍生化合物廣泛存在于生物體內(nèi)和。卟啉及其衍生化合物廣泛存在于生物體內(nèi)和能量轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)移的相關(guān)移

11、的相關(guān)的重要細(xì)胞器內(nèi)。在動物體內(nèi)主要存在于血紅素（鐵卟啉）的重要細(xì)胞器內(nèi)。在動物體內(nèi)主要存在于血紅素（鐵卟啉）和血藍(lán)素（銅卟啉）中，在植物體內(nèi)主要存在于維生素和血藍(lán)素（銅卟啉）中，在植物體內(nèi)主要存在于維生素B12（鈷卟（鈷卟啉）和葉綠素（鎂卟啉）中，是血細(xì)胞載氧進(jìn)行呼吸作用和植物細(xì)啉）和葉綠素（鎂卟啉）中，是血細(xì)胞載氧進(jìn)行呼吸作用和植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用過程中的關(guān)鍵作用。胞進(jìn)行光合作用過程中的關(guān)鍵作用。B B型血紅素型血紅素鐵鐵- -原卟啉區(qū)的結(jié)構(gòu)原卟啉區(qū)的結(jié)構(gòu)c c型血紅素型血紅素A A型血紅素型血紅素甲?；柞；∪〈舜思谆谆蚁┗蚁┗c與cys的的巰基巰基作用作用乙烯基乙烯基被一個

12、由被一個由15碳組成的碳組成的類異類異戊二烯基戊二烯基取代取代iron-sulfur proteins二、電子傳遞鏈的組織結(jié)構(gòu)及電子傳遞順序二、電子傳遞鏈的組織結(jié)構(gòu)及電子傳遞順序NADH-CoQNADH-CoQ氧化氧化還原酶還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）琥珀酸琥珀酸-CoQ-CoQ氧化氧化還原酶還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）CoQ-CoQ-細(xì)胞色素氧細(xì)胞色素氧化還原酶化還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體（復(fù)合體）復(fù)合體復(fù)合體 催化催化CoQ氧化氧化NADH：NADH+CoQ(氧化態(tài)氧化態(tài))NAD+CoQ(還原態(tài)還原態(tài))復(fù)合體復(fù)合體 催化細(xì)胞色素催化細(xì)胞色素c氧化氧化CoQ(還原態(tài)

13、還原態(tài))：CoQ(還原態(tài)還原態(tài))+細(xì)胞色素細(xì)胞色素c(氧化態(tài)氧化態(tài))CoQ(氧化態(tài)氧化態(tài))+細(xì)胞色素細(xì)胞色素c(還原態(tài)還原態(tài))復(fù)合體復(fù)合體 催化電子傳遞過程的終端電子受體催化電子傳遞過程的終端電子受體O2氧化還氧化還原態(tài)的細(xì)胞色素原態(tài)的細(xì)胞色素c細(xì)胞色素細(xì)胞色素c(還原態(tài)還原態(tài))+1/2O2細(xì)胞色素細(xì)胞色素c(氧化態(tài)氧化態(tài)) +H2OFADH2+CoQ(氧化態(tài)氧化態(tài))FAD+CoQ(還原態(tài)還原態(tài))復(fù)合體復(fù)合體 催化催化CoQ氧化氧化FADH2： 電子的流動方形總是從電子的流動方形總是從標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢較低標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢較低的載的載體流向體流向標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢較高標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢較高的載體。的

14、載體。Separation of functional complexes of the respiratory chain離子交換色譜離子交換色譜復(fù)合體復(fù)合體輔酶輔酶Q Q復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c復(fù)合體復(fù)合體電子傳遞鏈的結(jié)構(gòu)復(fù)合物電子傳遞鏈的結(jié)構(gòu)復(fù)合物NADH-CoQNADH-CoQ氧化氧化還原酶還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）琥珀酸琥珀酸-CoQ-CoQ氧化氧化還原酶還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）CoQ-CoQ-細(xì)胞色素氧細(xì)胞色素氧化還原酶化還原酶（復(fù)合體（復(fù)合體）細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c氧化氧化酶酶（復(fù)合體（復(fù)合體）1 1、復(fù)合體、復(fù)合體（NADH-CoQNADH-CoQ氧化還原酶

15、氧化還原酶）NADH+H+FMNFMNH2+NAD+作用作用：FMNH2上的電子又轉(zhuǎn)移到鐵硫簇（上的電子又轉(zhuǎn)移到鐵硫簇（Fe-S）上）上由由NADHNADH脫氫酶和鐵硫蛋白構(gòu)成脫氫酶和鐵硫蛋白構(gòu)成的最大的蛋白質(zhì)復(fù)合體的最大的蛋白質(zhì)復(fù)合體(850kDa)(850kDa)4242條肽鏈條肽鏈一個一個FMNFMN和和6 67 7個鐵硫簇個鐵硫簇每傳遞一個電子轉(zhuǎn)移每傳遞一個電子轉(zhuǎn)移4H4H+ +從基質(zhì)從基質(zhì)到線粒體膜間隙到線粒體膜間隙鐵硫蛋白鐵硫蛋白NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH22 2、輔酶、輔酶Q(CoQQ(CoQ、泛醌或、泛醌或Q

16、Q） CoQCoQ可在流動的線可在流動的線粒體脂雙層中局部擴(kuò)粒體脂雙層中局部擴(kuò)散，作為流動的電子散，作為流動的電子載體在復(fù)合體載體在復(fù)合體（或（或復(fù)合體復(fù)合體）與復(fù)合體）與復(fù)合體之間起橋梁作用。之間起橋梁作用。 CoQCoQ是電子傳遞過是電子傳遞過程中的電子集中點。程中的電子集中點。 三磷酸甘油三磷酸甘油脂酰脂酰-CoA-CoA琥珀酸琥珀酸3 3、復(fù)合體、復(fù)合體（琥珀酸（琥珀酸-CoQ-CoQ氧化還原酶）氧化還原酶）由琥珀酸脫氫酶和鐵硫蛋白構(gòu)成由琥珀酸脫氫酶和鐵硫蛋白構(gòu)成嵌在線粒體內(nèi)膜的酶蛋白嵌在線粒體內(nèi)膜的酶蛋白, 140 kDa5個亞基，個亞基，3個個Fe-S簇，一個簇，一個Cytb560

17、 FAD為輔基為輔基沒有質(zhì)子泵，沒有沒有質(zhì)子泵，沒有ATP的形成，但保的形成，但保證證FADH2上的具有高轉(zhuǎn)移勢能的電子上的具有高轉(zhuǎn)移勢能的電子進(jìn)入電子傳遞鏈。進(jìn)入電子傳遞鏈。功能功能將電子從琥珀酸傳遞給將電子從琥珀酸傳遞給CoQ琥珀酸琥珀酸 FADFe-S CoQ琥珀酸琥珀酸+ CoQ 延胡索酸延胡索酸+ CoQH2大腸桿菌的復(fù)合體大腸桿菌的復(fù)合體II結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)酶有兩個跨膜亞基酶有兩個跨膜亞基:C (綠色綠色) 和和 D (藍(lán)色藍(lán)色)細(xì)胞質(zhì)中包括亞基細(xì)胞質(zhì)中包括亞基:B (橙色橙色) 和和 A (紫色紫色) 在在FAD(亞基亞基A)后面是琥珀酸結(jié)合位點后面是琥珀酸結(jié)合位點亞基亞基B有三個有三個

18、Fe-S簇簇 (黃色和紅色黃色和紅色) 輔酶輔酶Q(黃色黃色)和亞基和亞基C結(jié)合結(jié)合血紅素血紅素b (紫色紫色) 夾在亞基夾在亞基C和和D中間中間心磷脂心磷脂(晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu),灰色灰色)和亞基和亞基C緊密結(jié)緊密結(jié)合合電子傳遞電子傳遞 (藍(lán)色箭頭藍(lán)色箭頭) 琥珀酸琥珀酸FAD三個三個Fe-S 簇簇輔酶輔酶Q血紅素血紅素b不是電子傳遞的主要途徑，但不是電子傳遞的主要途徑，但是可以抵御活性氧是可以抵御活性氧 (ROS)的形成的形成( by electrons that go astray)心磷脂心磷脂3 3、復(fù)合體、復(fù)合體（琥珀酸（琥珀酸-CoQ-CoQ氧化還原酶）氧化還原酶）3 3、復(fù)合體、復(fù)合

19、體（琥珀酸（琥珀酸-CoQ-CoQ氧化還原酶）氧化還原酶）細(xì)胞色素細(xì)胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體(復(fù)合體復(fù)合體III)單體結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)Cytochrome bc1 complex (Complex III)細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c1 1細(xì)胞色素細(xì)胞色素b b基質(zhì)基質(zhì)膜間隙膜間隙鐵硫蛋白鐵硫蛋白是相同單體的二聚體，每個單體有是相同單體的二聚體，每個單體有11個不同亞基個不同亞基功能中心有三個亞基功能中心有三個亞基:l細(xì)胞色素細(xì)胞色素b (綠色綠色) :兩個血紅素兩個血紅素 (bH和和 bL, 淺紅淺紅)l鐵硫蛋白鐵硫蛋白 (紫色紫色): 2Fe-2S 簇簇 (黃色黃色)l細(xì)胞色素細(xì)胞色素 c1 (藍(lán)色

20、藍(lán)色) :血紅素血紅素 (紅色紅色) 4 4、復(fù)合體、復(fù)合體 （CoQ-CoQ-細(xì)胞色素氧化還原酶）細(xì)胞色素氧化還原酶）細(xì)胞色素細(xì)胞色素bc1復(fù)合體復(fù)合體(復(fù)合體復(fù)合體III)功能二聚體功能二聚體Cytochrome bc1 complex (Complex III)細(xì)胞色素細(xì)胞色素c1 和鐵硫蛋白和鐵硫蛋白伸向膜間隙，能夠與細(xì)胞伸向膜間隙，能夠與細(xì)胞色素色素c相結(jié)合相結(jié)合復(fù)合體有兩個獨立的輔復(fù)合體有兩個獨立的輔酶酶Q的結(jié)合部位的結(jié)合部位:QN 和和QPlQP（ Qo）靠近靠近2Fe-2S簇和膜間隙的簇和膜間隙的血紅素血紅素 bLlQN （ Qi）靠近基靠近基質(zhì)的血紅素質(zhì)的血紅素bH牛心臟線粒

21、體中的牛心臟線粒體中的復(fù)合體復(fù)合體 11 11個亞基構(gòu)成個亞基構(gòu)成的二聚體，每個的二聚體，每個單體的相對分子單體的相對分子質(zhì)量約質(zhì)量約24824810103 3250 kDa的蛋白復(fù)合體的蛋白復(fù)合體包括包括2個個b型細(xì)胞色素型細(xì)胞色素（b562和和b566或或bH和和bL） 、1個細(xì)胞色素個細(xì)胞色素c1 和和1個個2Fe-2S在線粒體內(nèi)膜排列不對稱在線粒體內(nèi)膜排列不對稱細(xì)胞色素細(xì)胞色素c1和鐵硫蛋白位于線粒體內(nèi)膜的外表面和鐵硫蛋白位于線粒體內(nèi)膜的外表面?zhèn)鬟f質(zhì)子傳遞質(zhì)子細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c1 1細(xì)胞色素細(xì)胞色素b b基質(zhì)基質(zhì)胞液胞液血紅素血紅素功能功能催化電子從催化電子從

22、QHQH2 2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素c c 使一分子的使一分子的CoQHCoQH2 2（雙電子傳遞體）還原（雙電子傳遞體）還原2 2分子分子細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c（單電子傳遞體）（單電子傳遞體）cytbFe-Scytc1QHQH2 2細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c 兩個兩個QH2參與電子傳遞，使兩個細(xì)胞色素參與電子傳遞，使兩個細(xì)胞色素c還原，經(jīng)過全過程又產(chǎn)生了一個還原，經(jīng)過全過程又產(chǎn)生了一個QH2分子分子Q Q循環(huán)循環(huán)5 5、細(xì)胞色素、細(xì)胞色素c c唯一能溶于水的細(xì)胞色素唯一能溶于水的細(xì)胞色素外周膜蛋白外周膜蛋白一個一個QHQH2 2分子的兩個電子分別傳遞給分子的兩個電子分別傳遞給2 2分子細(xì)胞

23、分子細(xì)胞色素色素c c（Q Q循環(huán)）循環(huán)）6 6、復(fù)合體、復(fù)合體（細(xì)胞色素（細(xì)胞色素c c氧化酶）氧化酶）嵌在線粒體內(nèi)膜的跨膜蛋白嵌在線粒體內(nèi)膜的跨膜蛋白（200 kDa, 13 200 kDa, 13 亞基）亞基）細(xì)胞色素細(xì)胞色素a a和和a a3 3組成組成共有共有4 4個氧化個氧化- -還原活性中心：兩還原活性中心：兩個個a a型血紅素型血紅素（a a和和a a3 3）和兩個銅離和兩個銅離子子（CuCuA A和和CuCuB B） 血紅素血紅素a-Cua-CuA A聚簇和血紅素聚簇和血紅素a a3 3-Cu-CuB B聚簇聚簇傳遞質(zhì)子（線性傳遞）傳遞質(zhì)子（線性傳遞）復(fù)合體復(fù)合體IV IV

24、的核心有三個亞基的核心有三個亞基亞基亞基I I( (黃色黃色) )有有a a和和a a3(3(紅色紅色) )兩個血紅素兩個血紅素, ,一個一個CuB(CuB(綠球綠球) )。血紅素。血紅素a a3 3和和CuBCuB形成雙核形成雙核Fe-CuFe-Cu中心。中心。亞基亞基IIII( (藍(lán)色藍(lán)色) )包括兩個銅離子包括兩個銅離子(CuA,(CuA,綠球綠球),),與兩個與兩個CysCys的的-SH-SH配位。配位。 亞基亞基IIIIII( (綠色綠色) )似乎是復(fù)合體似乎是復(fù)合體IVIV功能必需的功能必需的, ,但功能不詳。但功能不詳。 CuA的雙核中心的雙核中心HisCysAspMetCu i

25、ons細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c氧化酶氧化酶( (復(fù)復(fù)合體合體IV)IV)的重要亞基的重要亞基4 cyt c (Fe2+) + 4 H+ + O24 cyt c (Fe3+) + 2 H2O u 功能：將電子從細(xì)功能：將電子從細(xì)胞色素胞色素c c傳遞給氧傳遞給氧還原型還原型Cytc O2a-CuAa3-CuB 牛心臟細(xì)胞色素牛心臟細(xì)胞色素c c氧化酶二聚體的氧化酶二聚體的X X射線結(jié)構(gòu)圖射線結(jié)構(gòu)圖（1313個亞基各以不同的顏色顯示）個亞基各以不同的顏色顯示）cytochrome c oxidase subunits I, II, and III of cytochrome c oxidase 電子

26、在氧被細(xì)胞色素電子在氧被細(xì)胞色素C C氧化酶中的傳遞及水的生成過程氧化酶中的傳遞及水的生成過程線粒體電子傳遞系統(tǒng)線粒體電子傳遞系統(tǒng)甘油甘油-3-3-磷酸磷酸Summary of the flow of electrons and protons through the four complexes of the respiratory chain.電子傳遞鏈電子傳遞鏈 從灰色鏈球菌分離得到，專一抑制從灰色鏈球菌分離得到，專一抑制CoQCytcCoQCytc的電子傳遞；的電子傳遞；電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑 從植物中分離到的呼吸抑制劑，專一抑制從植物中分離到的呼吸抑制劑，專一抑制NADHCoQ

27、NADHCoQ的電子傳遞；的電子傳遞；抑制細(xì)胞色素抑制細(xì)胞色素aaaa3 3OO2 21 1、魚藤酮、魚藤酮(rotenone)(rotenone)2 2、抗霉素、抗霉素A(actinomycin A)A(actinomycin A)3 3、氰化物、氰化物(CN)(CN)、疊氮化物、疊氮化物(NaN(NaN3 3) )、一氧化碳、一氧化碳(CO)(CO)和硫化氫和硫化氫(H(H2 2S)S)魚藤酮魚藤酮抗霉素抗霉素A安密妥安密妥氰化物中毒氰化物中毒 吸入氫氰酸氣體或攝入氰化鉀會在細(xì)胞色素吸入氫氰酸氣體或攝入氰化鉀會在細(xì)胞色素C C氧化酶這氧化酶這一步迅速而普遍的抑制線粒體電子傳遞鏈。氰化物是一

28、步迅速而普遍的抑制線粒體電子傳遞鏈。氰化物是目前已知毒性最快最強(qiáng)的毒物。它與細(xì)胞色素目前已知毒性最快最強(qiáng)的毒物。它與細(xì)胞色素C C氧化酶氧化酶中血紅素中血紅素a a3 3的的FeFe3+3+結(jié)合，使線粒體呼吸和能量生成停止，結(jié)合，使線粒體呼吸和能量生成停止，細(xì)胞迅速死亡。細(xì)胞死于缺氧，最明顯的器官是中樞細(xì)胞迅速死亡。細(xì)胞死于缺氧，最明顯的器官是中樞神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)。 如果氰化物中毒診斷及時，解毒方案是給予多種亞硝如果氰化物中毒診斷及時，解毒方案是給予多種亞硝酸鹽，使血紅蛋白中的酸鹽，使血紅蛋白中的FeFe2+2+氧化成氧化成FeFe3+3+，從而將氧合血，從而將氧合血紅蛋白轉(zhuǎn)化為高鐵血紅蛋白

29、。后者通過形成高鐵血紅紅蛋白轉(zhuǎn)化為高鐵血紅蛋白。后者通過形成高鐵血紅蛋白蛋白- -氰化物復(fù)合物而與細(xì)胞色素氰化物復(fù)合物而與細(xì)胞色素a a3 3競爭氰化物。競爭氰化物。 小小 結(jié)結(jié)電子傳遞鏈的種類：電子傳遞鏈的種類：NADH呼吸鏈呼吸鏈和和FADH2呼吸鏈呼吸鏈電子傳遞方向：電子傳遞方向：電子親和力遞增電子親和力遞增或或電負(fù)性較電負(fù)性較強(qiáng)強(qiáng)電正性較強(qiáng)電正性較強(qiáng)或或氧化還原電勢較低氧化還原電勢較低氧化還氧化還原電勢較高原電勢較高四個結(jié)構(gòu)復(fù)合物：四個結(jié)構(gòu)復(fù)合物：復(fù)合物復(fù)合物、復(fù)合物、復(fù)合物、復(fù)、復(fù)合物合物和復(fù)合物和復(fù)合物質(zhì)子泵：質(zhì)子泵：復(fù)合物復(fù)合物I、復(fù)合物、復(fù)合物III和復(fù)合物和復(fù)合物IV 16.

30、316.3 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成合成ATP（即（即ADP+PiATPATP）, ,這種氧化放能和這種氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別類別： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化過程中生物氧化過程中釋放出的自由能釋放出的自由能呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降2e-FADH2電子傳遞鏈自由

31、能變化電子傳遞鏈自由能變化-放能反應(yīng)：放能反應(yīng)： ADP磷酸化的吸能反應(yīng)：磷酸化的吸能反應(yīng)： ADP + H3PO4 ATP Go =30.5 kJ/mol 電子傳遞鏈自由能變化電子傳遞鏈自由能變化-放能反應(yīng)：放能反應(yīng)： ADP磷酸化的吸能反應(yīng)：磷酸化的吸能反應(yīng)： ADP + H3PO4 ATP Go =30.5 kJ/mol 呼吸鏈有三個部位的電子傳遞過程中釋放的能量呼吸鏈有三個部位的電子傳遞過程中釋放的能量 足以驅(qū)動足以驅(qū)動ATP的合成的合成 ，ADH呼吸鏈生成呼吸鏈生成ATP的三個部位是：的三個部位是：E0值在此值在此三個部位有大的三個部位有大的“跳動跳動”，都在，都在0.2伏以上。伏以

32、上。磷氧比（磷氧比（ P/O ）呼吸過程中無機(jī)磷酸（呼吸過程中無機(jī)磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（）消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比值）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子消耗一分子P Pi i ，因此，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATPATP分子數(shù)。分子數(shù)。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例

33、例 實測得實測得NADHNADH呼吸鏈：呼吸鏈： P/O 3ADP+Pi ATPADP+Pi ATP實測得實測得FADHFADH2 2呼吸鏈：呼吸鏈： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP 能量偶聯(lián)假說能量偶聯(lián)假說 19531953年年 Edward Slater Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說化學(xué)偶聯(lián)假說 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說 19611961年年 Pe

34、ter Mitchell Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說19781978年獲諾貝爾化學(xué)獎年獲諾貝爾化學(xué)獎 內(nèi)膜內(nèi)膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基質(zhì)基質(zhì)膜間膜間隙隙電子傳遞鏈電子傳遞鏈要求線粒體的內(nèi)膜封閉完好要求線粒體的內(nèi)膜封閉完好，呼吸鏈中的電子載體和質(zhì)子載，呼吸鏈中的電子載體和質(zhì)子載體在線粒體的內(nèi)膜上按照順序交體在線粒體的內(nèi)膜上按照順序交替排列替排列質(zhì)子載體有質(zhì)子泵的功能，質(zhì)子載體有質(zhì)子泵的功能，它利用電子傳遞的能量將線粒體它利用電子傳遞的能量將線粒體

35、內(nèi)的內(nèi)的H+泵到線粒體外，造成內(nèi)泵到線粒體外，造成內(nèi)膜內(nèi)外兩側(cè)的膜內(nèi)外兩側(cè)的H+濃度差，外側(cè)濃度差，外側(cè)的的H+高，即外側(cè)的高，即外側(cè)的PH內(nèi)內(nèi)側(cè)。側(cè)。H+經(jīng)過內(nèi)膜上的經(jīng)過內(nèi)膜上的ATP酶復(fù)合酶復(fù)合體回到線粒體內(nèi)，其電能供該酶體回到線粒體內(nèi)，其電能供該酶制造制造ATP。 1. 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothasis)(chemiosmotic hypothasis) F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側(cè)胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè)基質(zhì)側(cè) + +

36、+ + + + + + + + - - - - - - - - - 化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖支持化學(xué)滲透學(xué)說的實驗結(jié)果支持化學(xué)滲透學(xué)說的實驗結(jié)果 A A氧化磷酸化在膜完整的線粒體體系才能進(jìn)行氧化磷酸化在膜完整的線粒體體系才能進(jìn)行 B BH H+ +（OHOH、K K+ +、ClCl ）不能自由通過內(nèi)膜）不能自由通過內(nèi)膜 C C通過測定，線粒體內(nèi)膜兩側(cè)存在電化學(xué)梯度通過測定，線粒體內(nèi)膜兩側(cè)存在電化學(xué)梯度 D D當(dāng)把一當(dāng)把一pHpH梯度強(qiáng)加于線粒體內(nèi)膜，在沒有電梯度強(qiáng)加于線粒體內(nèi)膜，在沒有電子傳遞的情況下也有子傳遞的情況下也有ATPATP合成合成 E E加入攜帶加入攜帶H H+

37、 + 穿過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)，能使氧穿過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)，能使氧化作用與磷酸化作用解偶聯(lián)化作用與磷酸化作用解偶聯(lián) 證據(jù)證據(jù): :F.F.線粒體膜上的線粒體膜上的ATPATP合酶是受質(zhì)合酶是受質(zhì)子動力推動的酶。子動力推動的酶?？纱呋纱呋疉TPATP水解水解放能；又可從質(zhì)放能；又可從質(zhì)子動力獲能，合子動力獲能，合成成ATPATP。ATPATP合成酶合成酶二、二、ATP合成酶合成酶Boyer和和Walker的工作的工作 英國科學(xué)家英國科學(xué)家Walker通過通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，酶晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在證明在ATP酶合成酶合成ATP

38、的催化循的催化循環(huán)中三個環(huán)中三個亞基的確有不同構(gòu)象，亞基的確有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了從而有力地支持了Boyer的假說。的假說。 Boyer和和Walker共同獲得共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。 美國科學(xué)家美國科學(xué)家Boyer為解釋為解釋ATP酶作用機(jī)理酶作用機(jī)理,提出提出旋轉(zhuǎn)催化旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為假說，認(rèn)為ATP合成酶合成酶亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于有利于ADP和和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的可使結(jié)合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三種構(gòu)象，第三種構(gòu)象(O)使合成的使合成的ATP容易被釋放出來。在容易被

39、釋放出來。在ATP合成過程中，三個合成過程中，三個亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜變化，所需能量由跨膜H+提供。提供。ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型的旋轉(zhuǎn)催化模型ATP酶作用機(jī)理酶作用機(jī)理G.H G.H + +泵分布在膜上：泵分布在膜上： NADHNADH脫氫酶脫氫酶 細(xì)胞色素細(xì)胞色素bc1bc1復(fù)合體復(fù)合體 細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶在與這三個復(fù)合體有關(guān)在與這三個復(fù)合體有關(guān)的自由能變化足以將的自由能變化足以將H H + +泵出泵出, ,從而形成膜基質(zhì)從而形成膜基質(zhì)與膜間隙的與膜間隙的H H + + 梯度。梯度。 F0 F1 Cyt c Q NAD

40、H+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 氧化磷酸化產(chǎn)生的氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分子數(shù)并不十分準(zhǔn)確，因為質(zhì)子泵、分準(zhǔn)確，因為質(zhì)子泵、 ATP的合成以及代的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運過程并不需要是完整的數(shù)值甚謝物的轉(zhuǎn)運過程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，至不需要是固定值，氧化生成氧化生成ATP的計算的計算 H H+ +經(jīng)經(jīng)NADH-QNADH-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)

41、膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)時，氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)時，一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4 4、2 2和和4 4。合成一個。合成一個ATPATP分子是由分子是由3 3個個H H+ +通過通過ATPATP合酶所驅(qū)動，多余的一個合酶所驅(qū)動，多余的一個H H+ + ，可能用于將，可能用于將ATPATP從基質(zhì)運往膜外細(xì)胞溶膠。因此一對從基質(zhì)運往膜外細(xì)胞溶膠。因此一對電子從電子從NADHNADH傳至傳至0 02 2，所產(chǎn)生的，所產(chǎn)生的 ATPATP分子數(shù)是分子數(shù)是2.52.5個。個。在細(xì)胞色素還原酶的水平進(jìn)人電子傳遞鏈的電子，如在細(xì)胞色素還原酶的水平進(jìn)人電子傳遞鏈

42、的電子，如琥珀酸，或細(xì)胞液中的琥珀酸，或細(xì)胞液中的NADHNADH，它們的電子對只產(chǎn)生，它們的電子對只產(chǎn)生1.51.5個個ATPATP分子。分子。能量計算能量計算葡萄糖分解代謝過程中產(chǎn)生的總能量葡萄糖分解代謝過程中產(chǎn)生的總能量 葡萄糖分解代謝總反應(yīng)式葡萄糖分解代謝總反應(yīng)式C C6 6H H1212O O6 6 + 6 H + 6 H2 2O + 10 NADO + 10 NAD+ + + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 6 COCO2 2 + + 10 NADH + 10 H10 NADH + 10 H+ + + 2 FADH + 2 FADH2 2 + 4 ATP + 4 ATP 按照一個按照一個NADHNADH能夠產(chǎn)生能夠產(chǎn)生2.52.5個個ATPATP，1 1個個FADHFADH2 2能夠產(chǎn)生能夠產(chǎn)生1.51.5個個ATPATP計算，計算，1 1分子葡萄糖在分解代謝過程中共產(chǎn)生分子葡萄糖在分解代謝過程中共產(chǎn)生3232個個ATPATP：4 ATP +4 ATP +（10 10 2.5 2.5）ATP + ATP + （2 2 1.5 1.5）ATP = ATP = 32 ATP32 ATP線粒體呼吸鏈?zhǔn)瞧咸烟欠纸獯x產(chǎn)生線粒體呼吸鏈?zhǔn)瞧咸烟欠纸獯x產(chǎn)生ATPATP的最主要