1、生物氧化,電子傳遞和氧化磷酸化作用,目錄,一、生物氧化概述 二、呼吸鏈 三、線粒體和氧化磷酸化作用,生物氧化概述,糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation），其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程 生物氧化的主要生理意義是為生物體提供能量,生物氧化的特點,生物氧化在活細胞中進行，中性pH，體溫、水環(huán)境等 一系列酶和電子傳遞體條件下逐步進行的，逐步氧化釋放能量，總和與體外相同 釋放的能量一般都先儲存于特殊的高能化合物ATP 真核細胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進行，在不含線粒體的原

2、核細胞中，生物氧化在細胞膜上進行,生物氧化的特點,相同點,（1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫、失電子 （2）物質(zhì)氧化時消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。,生物氧化的特點,不同點,體內(nèi)氧化 體外氧化,（1）反應(yīng)條件： 溫和 劇烈 （2）反應(yīng)過程： 分步反應(yīng) 一步反應(yīng) 能量逐步釋放 能量突然釋放 （3）產(chǎn)物生成： 間接生成 直接生成 （4）能量形式： 熱能、ATP 熱能、光能,生物氧化的過程,生物氧化包括三個階段： 糖、脂肪、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?、甘油、脂肪酸和氨基?生成乙酰CoA 三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化,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C

3、oA,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，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,生物氧化的三個階段,生物氧化的過程,生物氧化過程中CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(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,生物氧化過程中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，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O

4、。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e,O=,2H+,呼吸鏈,呼吸鏈 呼吸鏈成員 呼吸鏈中的自由能 電子傳遞的抑制劑,呼吸鏈,呼吸鏈又叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈（eclctron transfer chain），它是代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧原子，而生成水的全部體系，因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，故稱為呼吸鏈 在真核生物細胞內(nèi)，它位于線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，它位于細胞膜上,呼吸鏈,在生物細胞中，接受代謝物上脫下的氫(或電子)的載體有三種 NAD+、NADP+ 和 FAD 其中NADPH不進入呼吸鏈合成ATP，而是作為生物合成

5、的還原劑；只有NADH和FADH2進入呼吸鏈,NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,細胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成,2e,呼吸鏈,所以呼吸鏈有兩條： 上述標準自由能G顯示，兩條呼吸鏈都有大量自由能的釋放。,呼吸鏈的組成,復(fù)合體：NADH一泛醌還原酶：該復(fù)合體將電子從NADH經(jīng)FMN及鐵硫蛋白傳給泛醌。 復(fù)合體：琥珀酸一泛醌還原酶：該復(fù)合體將電子從琥珀酸經(jīng) FAD及鐵硫蛋白傳遞給泛醌。 復(fù)合體：泛醌一細胞色素C還原酶：該復(fù)合體將電子從泛醌經(jīng)Cyt

6、 b、Cyt c1傳給Cyt c。 復(fù)合體：細胞色素C氧化酶：該復(fù)合體將電子從Cyt c經(jīng)Cyt aa3傳遞給氧。,電子載體及其順序,NADH氧化呼吸鏈: 主要的呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）,呼吸鏈的組成,四個蛋白復(fù)合體：復(fù)合體I IV 兩個可靈活移動的成分：泛醌（Q）和細胞色素C,電子載體及其順序,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. 細胞色素類 （cytochromes）,NADH,輔酶Q（CoQ）,Fe-S,Cy

7、t c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黃素蛋白FAD,黃素蛋白FMN,細胞色素類,鐵硫蛋白Fe-S,鐵硫蛋白Fe-S,復(fù)合體I / 復(fù)合體II / 復(fù)合體III&IV,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,細胞色素還原酶,細胞色素氧化酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,FADH2呼吸鏈,兩條主要呼吸鏈,NADH-泛醌還原酶,簡寫為NADHQ還原酶, 即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以

8、及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。 NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。 FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。,NADH-泛醌還原酶,反應(yīng)： NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,NADH-泛醌還原酶,FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素,發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán),氧化還原反應(yīng)時不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN FMN結(jié)構(gòu)特點： R磷酸根,NADH-泛醌還原酶,FMN既可接受兩個電子形成FMNH2，又可接受一個電子，或由FMNH2給出一個電子形成穩(wěn)定的半醌中間產(chǎn)物。,NA

9、DH-泛醌還原酶,FMNH2 上的電子又轉(zhuǎn)移到鐵硫聚簇（Fe-S）上 鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞電子的作用。,NADH-泛醌還原酶,鐵-硫聚簇的三種不同類型：,NADH-泛醌還原酶,NADHQ還原酶催化的反應(yīng),NADH-泛醌還原酶,輔酶Q,又稱泛醌，（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ） 輔酶Q是醌的衍生物，有一個長的類異戊二烯的尾（n個） n的數(shù)目因物種而異。哺

10、乳動物n為10，即有10個異戊二烯單位，其符號為Ql0 。由于含有長的脂肪族側(cè)鏈，有利于在線粒體內(nèi)膜擴散。Q是很活躍的電子載體,接受電子后還原為QH2,輔酶Q,CoQ的結(jié)構(gòu)式：,Q還原為QH2中間經(jīng)過半醌中間物,琥珀酸-Q還原酶,又稱復(fù)合體II 琥珀酸脫氫酶也是此復(fù)合體的一部分，其輔基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。 最后電子由Fe-S聚簇傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。,復(fù)合體II的結(jié)構(gòu),細胞色素還原酶,又稱復(fù)合體III，泛醌細胞色素c還原酶等，簡寫為QH2-cyt. c還原酶，

11、它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt. c）的還原。 QH2-cyt. c還原酶由9個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕毎豣和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。 QH2 +2cyt. c(Fe3+) Q+2cyt. c (Fe2+) +2H+,QH2-cyt. C 還原酶,細胞色素還原酶,電子從QH2細胞色素c復(fù)合體的傳遞,復(fù)合體III的結(jié)構(gòu),細胞色素c,細胞色素：（簡寫為cyt. ）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a, b, c

12、和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a, b, c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。 細胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的。,細胞色素c,細胞色素c是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt. c通過Fe3+ Fe2+的互變起電子傳遞中間體作用。,細胞色素c,細胞色素c的結(jié)構(gòu)：,細胞色素氧化酶,又稱細胞色素c氧化酶，復(fù)合物IV 簡寫為cyt. c 氧化酶，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠?/p>

13、主要包括cyt. a和a3。,細胞色素氧化酶,cyt.a和a3組成一個復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.a a3可以直接以O(shè)2為電子受體。,在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+ Cu2+ 的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。,細胞色素氧化酶,電子從細胞色素C傳遞給氧分子,復(fù)合體IV的結(jié)構(gòu),自由能變化,計算公式： G =- n F E G：標準自由能變化 n：傳遞的電子數(shù) F：法拉第常數(shù)（96.5KJ/mol） E ：標準氧還電位變化,如：NADH到Q E 0.36 V 計算得到： G 69.5 KJ/mol,各種氧化還原對的標準氧化還原電位,呼吸鏈傳遞時自由能的

14、下降,根據(jù)熱力學(xué)測定，從NADH到低能量的NADHQ還原酶的FeS中心時，電子傳遞產(chǎn)生自由能(G)為-50.24 kJ/mol；電子從細胞色素bC1，G為-41.87kJ/mol；在細胞色索C氧化酶復(fù)合體中從細胞色素a到O2，G為 -100.48kJ/mol。 這些氧化還原反應(yīng)都放出足夠的能量，可以在標準狀況下推動ATP的合成(G-30.56kJ/mol)。其它電子傳遞反應(yīng)，即在輔酶Q和細胞色素c之間其G值太小，不足以支持ATP的生成。,呼吸鏈傳遞時自由能的下降,NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化,總反應(yīng): NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-

15、0.32) =-220.07千焦mol-1,電子傳遞的抑制劑,抑制劑魚滕酮等可以抑制NADH電子傳遞給輔酶Q，因此部位I不生成ATP，但不抑制FADH2的電子傳遞，因此FADH2呼吸鏈仍能獲得ATP。 抗霉素A抑制細胞色素b電子傳給c1，因此部位形成不了ATP。 氰化物(CN-)、疊氮(N3-)化物和一氧化碳抑制細胞色素氧化酶電子傳遞給氧，所以部位不產(chǎn)生ATP。,電子傳遞 抑制劑,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt 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

16、 FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸鏈的比擬圖解,線粒體和氧化磷酸化作用,線粒體 氧化磷酸化的概念 磷氧比概念和ATP合成機制 氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制 細胞溶液內(nèi)NADH的再氧化 氧化磷酸化調(diào)控和ATP結(jié)算 其它氧化系統(tǒng) (自學(xué)),線粒體,1948年由Eugene Kennedy和Albert Lehninger發(fā)現(xiàn)在真核細胞中線粒體是氧化磷酸化的部位，從而開辟了生物能傳遞研究的新紀元。,Mitochondrion ( ),線粒體,氧化磷酸化作用,概念: 代謝物氧化脫氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水，同時伴有ADP磷酸化生成ATP的過程。由于代謝物的氧化反應(yīng)與ADP磷酸

17、化反應(yīng)偶聯(lián)發(fā)生，又稱偶聯(lián)磷酸化。根據(jù)是否需要氧分子參加，又可分為呼吸鏈磷酸化和底物水平磷酸化。 在真核生物細胞內(nèi)，發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，原核生物中，則發(fā)生在漿膜上。,氧化磷酸化,類別：底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化,氧化磷酸化作用,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過酶的作用可使ADP生成ATP 電子傳遞體系磷酸化是指當電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說的氧化磷酸化是指電子傳遞體系磷酸化,底物水平磷酸化,PEP：磷酸烯醇式丙酮酸,磷氧比（

18、 P/O ）,呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）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)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至原子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 實測得NADH呼吸鏈： P/O 3（2.5）,實測得FADH2呼吸鏈： P/O 2（1.5）,2e-,2e-,P/O比值,研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體的P/O比值和電化學(xué)實驗。P/O比值是指每消耗一摩爾氧所消耗無機磷酸的摩爾數(shù)。根據(jù)所消耗的無機磷酸摩爾數(shù)，可間接測出ATP生成量。 實驗證明NADH

19、呼吸鏈的P/O值是3，即每消耗一摩爾氧原子就可形成3（2.5）摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O值是2，即消耗一摩爾氧原子可形成2（1.5）摩爾ATP。,ATP的合成部位,ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方，例如，NADH呼吸鏈生成ATP的三個部位是：E0值在此三個部位有大的“跳動”，都在0.2伏以上。,ATP產(chǎn)生的機理,氧化與磷酸化作用如何耦聯(lián)尚不夠清楚，目前主要有三個學(xué)說： 化學(xué)耦聯(lián)學(xué)說、構(gòu)像耦聯(lián)學(xué)說與化學(xué)滲透學(xué)說 化學(xué)滲透學(xué)說的主要論點 呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜之上，當氧化進行時，呼吸鏈起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學(xué)電位差，后者被膜上ATP

20、合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP。,電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢( H+ )驅(qū)動ATP的合成。,化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothasis),化學(xué)滲透假說原理示意圖,2H+,4H+,4H+,2H+,NADH+H+,4H+,3H+,3H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,4H+,支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù),氧化磷酸化作用的進行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。 線粒體內(nèi)膜對H+ OH

21、- K+ Cl-都是不通透的。 破壞H+ 濃度梯度的形成（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑）必然破壞氧化磷酸化作用的進行。 線粒體的電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)+ 從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。 大量直接或間接的實驗證明膜表面能夠滯留大量質(zhì)子，并且在一定條件下質(zhì)子能夠沿膜表面迅速轉(zhuǎn)移。 迄今未能在電子傳遞過程中分離出一個與ATP形成有關(guān)的高能中間化合物，亦未能分離出電子傳遞體的高能存在形式。,ATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖,氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制,解偶聯(lián)劑（uncouplers） 氧化磷酸化抑制劑（inhibitors） 離子載體抑制劑（ionophores）,解偶聯(lián)劑（uncouplers）,這類試劑

22、的作用是使電子傳遞和ATP形成兩個過程分離，它只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮堋?典型的解偶聯(lián)劑是2，4-二硝基苯酚(DNP),解偶聯(lián)劑作用機制,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,氧化磷酸化抑制劑,這類試劑的作用特點是既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。這一點和電子抑制劑不同。氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP的形成過程。由于它干擾了由電子傳遞的高能狀態(tài)形成ATP的過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進行。寡霉素（oligomycin）就屬于這類抑制劑。,氧化磷酸化抑制劑作用機制,寡霉素的抑

23、制作用,離子載體抑制劑,這是一類脂溶性物質(zhì)。這類物質(zhì)能與某些離子結(jié)合，并作為他們的載體使這些離子能夠穿過膜。它和解偶聯(lián)試劑的區(qū)別在于是作為H離子以外的其它一價陽離子的載體。 如纈氨霉素（valinomycin）能夠結(jié)合K+離子，與K+形成脂溶性復(fù)合物，從而容易地使K+通過膜。因此這類抑制劑是通過增加線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程。,解偶聯(lián)蛋白（產(chǎn)熱素）,是存在于某些生物細胞線粒體內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)，為天然解偶聯(lián)劑。 它們能形成質(zhì)子通道，讓膜外的H+通過通道返回膜內(nèi)，消除跨膜質(zhì)子濃度梯度。 如：動物的褐色脂肪組織，其產(chǎn)熱機制是線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)的結(jié)果。 人、新生無毛的哺乳動物

24、以及冬眠的哺乳動物。,細胞溶液內(nèi)NADH的再氧化,磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng),已知胞液中的NADH不能通過正常線粒體內(nèi)膜而進入線粒體，那么胞液中的NADH是怎么被氧化呢,-磷酸甘油穿梭途徑,線粒體內(nèi)膜上有以FAD為輔基的-磷酸甘油脫氫酶，磷酸二羥丙酮可以接受胞液中NADH的還原當量，還原成-磷酸甘油，這樣就可以線粒體內(nèi)膜上的載體運載到線粒體內(nèi)，在同樣酶催化的正反應(yīng)作用下，將還原當量交給FAD（線粒體內(nèi)-磷酸甘油脫氫酶的輔基），進入氧化呼吸鏈。,-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,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,線粒體內(nèi)膜,（細胞液）,蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑,主要存在于肝、腦和紅細胞中，還原當量進入線粒體的NADH呼吸鏈。線粒體外的還原當量交給草酰乙酸生成蘋果酸，由線粒體內(nèi)膜上的載體帶入線粒體內(nèi)，將還原當量交給NAD+生成NADH，進入NADH氧化呼吸鏈，蘋果酸被氧化成草酰乙酸，再與谷氨酸通過轉(zhuǎn)氨基作用，生成天冬氨酸和-酮戊二酸，再由線粒體內(nèi)膜上的載體轉(zhuǎn)運出線粒