1、第八章 電子傳遞體系與氧化磷酸化,主要內(nèi)容：重點(diǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。對(duì)非線粒體氧化體系作一般介紹。,返回,思考,目錄,第一節(jié) 生物氧化的特點(diǎn)和方式 第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系 第三節(jié) 氧化磷酸化作用 第四節(jié) 其它氧化體系（自學(xué)）,第一節(jié) 生物氧化的特點(diǎn)和方式,一、生物氧化的特點(diǎn) 二、生物氧化過(guò)程中CO2的生成 三、生物氧化過(guò)程中H2O的生成 四、有機(jī)物在體內(nèi)氧化釋能的三個(gè)階段,糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過(guò)程稱為生物氧化（biological oxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行

2、的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。,生物氧化的特點(diǎn),在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過(guò)程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過(guò)程中既不會(huì)因氧化過(guò)程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。,CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧,H2O的生成,代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過(guò)一系

3、列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e,O=,2H+,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質(zhì),脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,生物氧化的三個(gè)階段,第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系,一、線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 二、電子傳遞呼吸鏈的概念 三、呼吸鏈的組成 四、機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化 五、

4、電子傳遞抑制劑,線粒體結(jié)構(gòu),線粒體呼吸鏈,線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctron transfer chain),因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦稱為呼吸鏈。,呼吸鏈的組成,1. 黃素蛋白酶類 （flavoproteins, FP） 2. 鐵-硫蛋白類 （ironsulfur proteins) 3. 輔酶 （ubiquinone,亦寫作CoQ） 4. 細(xì)胞色素類 （cytochromes）,NADH,輔 酶

5、Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黃素蛋白（F AD）,黃素蛋白（FMN）,細(xì)胞色素類,鐵硫蛋白（Fe-S）,鐵硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸鏈,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合體 I,復(fù)合物 III,NADH脫氫酶,細(xì)胞色素還原酶,細(xì)胞色素氧化酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,FADH2呼吸鏈,NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+

6、,2Fe2+,2Fe3+,細(xì)胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成,2e,呼吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧化還原自由能變化,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸等,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合體 I,復(fù)合物 III,NADH脫氫酶,細(xì)胞色素C還原酶,細(xì)胞色素C氧化酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,細(xì)胞色素還原酶部分結(jié)構(gòu)模式,細(xì)胞色素氧化酶結(jié)構(gòu)示意圖,鐵-硫蛋白,Cyt b,NADH呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中自由能變化,總反應(yīng):

7、 NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,煙酰胺脫氫酶類,特點(diǎn)：以NAD+ 或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機(jī)理:,黃素蛋白酶類,特點(diǎn)： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白,類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）,鐵硫蛋白,特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。,CoQ,特點(diǎn)

8、：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。,細(xì)胞色素,特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。,CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理,CoQ+2H CoQH2,鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理,細(xì)胞色素血紅素的結(jié)構(gòu),電子傳遞 抑制劑,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt

9、c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合物 I,復(fù)合物 III,抗霉素 A的抑制部位,NAD FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸鏈的比擬圖解,第三節(jié) 氧化磷酸化作用,一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 三、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制 四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算 六、能荷,氧化磷酸化,代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱氧化磷酸化。,類別： 底物水平磷酸化

10、 電子傳遞水平磷酸化,磷氧比（ P/O ）,呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈： P/O 3,實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈： P/O 2,2e-,2e-,二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理,1、線粒體ATP合酶（mitochondrial ATPase） 2、能量偶聯(lián)假說(shuō) 1953年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 1964年 Paul

11、Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 1961年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說(shuō),3、質(zhì)子梯度的形成 4、ATP合成的機(jī)制,1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),線粒體ATP合酶,氧化磷酸化重建示意圖,電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)( H+ )驅(qū)動(dòng)ATP的合成。,化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotic hypothasis),化學(xué)滲透假說(shuō)原理示意圖,4H+,2H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _

12、 _ _ _ _ _,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑,H2O,2H+,Cytc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc1,CytbK,Cytbr,Cyta,FeS,Cyta3,2e-,2e-,NADH+H+,NAD+,O2 +2H+ H2O,4H+,2H+,2H+,復(fù)合物 III,Boyer和Walker的工作,英國(guó)科學(xué)家Walker通過(guò)x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個(gè)亞基的確有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了Boyer的假說(shuō)。,Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,美

13、國(guó)科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機(jī)理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)，認(rèn)為ATP合成酶亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來(lái)。在ATP合成過(guò)程中，三個(gè)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H+提供。,ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型,旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過(guò)Fo引起亞基III 寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置 /亞基之間的不對(duì)稱的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變, 亞基的中心 -螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住 /異質(zhì)六聚體.,ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖,

14、定子,旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過(guò)Fo引起亞基III 寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置 /亞基之間的不對(duì)稱的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變, 亞基的中心 -螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住 /異質(zhì)六聚體.,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD結(jié)合蛋白,基質(zhì)表面,外表面,ATP酶作用機(jī)理,ATP,有于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象,有于ADP與Pi生成的構(gòu)象,有利于ATP釋放的構(gòu)象,四、 線粒體外NADH的氧化磷酸化作用, 磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng),-磷酸甘油穿梭,（線粒體基質(zhì)）,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,FAD,F

15、ADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,線粒體內(nèi)膜,（細(xì)胞液）,蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用,2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用,H+,H+,線粒體內(nèi)膜,內(nèi),外,五、能 荷,意義： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相對(duì)數(shù)量決定，數(shù)值在01之間，反映細(xì)胞能量水平。 能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過(guò)ATP 、 ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。,葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算,葡萄糖分解通過(guò)糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或GTP的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計(jì)算可以得到明確的答復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)橘|(zhì)子泵、 ATP的合

16、成以及代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，根據(jù)當(dāng)前最新測(cè)定， H+經(jīng)NADH-Q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)膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)時(shí)，一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和4。合成一個(gè)ATP分子是由3個(gè)H+通過(guò)ATP合酶所驅(qū)動(dòng)，多余的一個(gè)H+ ，可能用于將ATP從基質(zhì)運(yùn)往膜外細(xì)胞溶膠。因此一對(duì)電子從NADH傳至02，所產(chǎn)生的 ATP分子數(shù)是2.5個(gè)。在細(xì)胞色素還原酶的水平進(jìn)人電子傳遞鏈的電子，如琥珀酸，或細(xì)胞液中的NADH，它們的電子對(duì)只產(chǎn)生1.5個(gè)ATP分子。這樣，當(dāng)一分于葡萄糖徹底氧化為CO2和水所得到的ATP分子數(shù)和過(guò)去傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)(36個(gè)ATP)少了6個(gè)ATP分子，成為30個(gè)。,葡萄糖完全氧化產(chǎn)生的ATP,總計(jì)：30 ATP 或 32 ATP,第四節(jié) 其它氧化系統(tǒng),通過(guò)線粒體細(xì)胞色素系統(tǒng)進(jìn)行氧化的體系是一切動(dòng)物、植物、微生物主要氧化途徑，它與ATP的生成緊密相關(guān)。除此以外，生物體