电子传递和氧化呼吸链课件

一、生物氧化概述一、生物氧化概述 糖糖类类、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等有有机机物物质质在在细细胞胞中中进进行行氧氧化化分分解解生生成成CO2和和H2O并并释释放放出出能能量量的的过过程程称称为为生生物物氧氧化化（biological oxidation），其其实实质质是是需需氧氧细细胞胞在在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。一、生物氧化概述 糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中1（一）生物氧化的特点（一）生物氧化的特点 在在活活的的细细胞胞中中（pH接接近近中中性性、体体温温条条件件下下），有有机机物物的的氧氧化化在在一一系系列列酶酶、辅辅酶酶和和中中间间传传递递体体参参与与下下进进行行，其其途途径径迂迂回回曲曲折折，有有条条不不紊紊。氧氧化化过过程程中中能能量量逐逐步步释释放放，其其中中一一部部分分由由一一些些高高能能化化合合物物（如如ATP）截截获获，再再供供给给机机体体所所需需。在在此此过过程程中中既既不不会会因因氧氧化化过过程程中中能能量量骤骤然然释释放放而而伤伤害害机机体体，又又能能使使释释放的能量尽可能得到有效的利用。放的能量尽可能得到有效的利用。（一）生物氧化的特点 在活的细胞中（pH接近中性、体2v生物氧化生物氧化和有机物在和有机物在体外氧化（燃烧）体外氧化（燃烧）的的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成消耗氧气，都生成CO2和和H2O，所释放的，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：不同：细胞内温和条件（常温、常压、细胞内温和条件（常温、常压、中性中性pH、水溶液）、水溶液）高温或高压、干燥条件高温或高压、干燥条件一系列酶促反应一系列酶促反应 无机催化剂无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放能量爆发释放释放的能量转化成释放的能量转化成ATP被利用被利用转换为光和转换为光和 热，散失热，散失生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电3（二）（二）CO2的生成的生成 方方式式：糖糖、脂脂、蛋蛋白白质质等等有有机机物物转转变变成成含含羧羧基基的的中中间间化化合合物物，然然后后在在酶酶催催化化下下脱脱羧羧而而生生成成CO2。类型类型：-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2R（二）CO2的生成 方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含4（三）（三）H2O的生成的生成 代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等等）所所接接受受，再再通通过过一一系系列列递递氢氢体体或或递递电电子子体体传传递递给给氧氧而而生生成成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例：例：12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+（三）H2O的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的5脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物分小分子化合物分解成共同的中间解成共同的中间产物（如产物（如丙酮酸、丙酮酸、乙酰乙酰CoA等）等）共同中间产物进共同中间产物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧氧化脱下的氢由电化脱下的氢由电子传递链传递生子传递链传递生成成H2O，释放出大释放出大量能量，其中一量能量，其中一部分通过磷酸化部分通过磷酸化储存在储存在ATP中。中。大分子降解成大分子降解成基本结构单位基本结构单位 生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、6二、电子传递链（呼吸链）二、电子传递链（呼吸链）（一）线粒体结构特点（一）线粒体结构特点（二）（二）电子传递呼吸链的概念电子传递呼吸链的概念（三）呼吸链的组成（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（四）机体内两条主要的呼吸链及其能量变化（五）（五）电子传递抑制剂电子传递抑制剂二、电子传递链（呼吸链）（一）线粒体结构特点7（一）线粒体结构（一）线粒体结构嵴嵴（一）线粒体结构嵴8线粒体外膜线粒体外膜 自由透过小分子和离子自由透过小分子和离子线粒体内膜线粒体内膜 不能自由透过大部分小分子和离子不能自由透过大部分小分子和离子,包括包括H+。含有：电子传递体（复合体含有：电子传递体（复合体I、II、III、IV）ADP-ATP转运载体转运载体 ATP合酶（合酶（FoF1）其他载体其他载体线粒体基质线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶含有丙酮酸脱氢酶 柠檬酸循环酶系柠檬酸循环酶系 脂肪酸脂肪酸-氧化酶系氧化酶系 DNA，核糖体其他酶，核糖体其他酶 ATP、ADP、Pi、Mg2+、Ca2+、K+可溶的中间代谢产物可溶的中间代谢产物线粒体外膜 9Cristae(the infoldings of the inner membrane of mitochondria)is where the respiratory chain is located.Cristae(the infoldings 10电子传递和氧化呼吸链课件11（二）线粒体呼吸链（二）线粒体呼吸链 线线粒粒体体基基质质是是呼呼吸吸底底物物氧氧化化的的场场所所，底底物物在在这这里里氧氧化化所所产产生生的的NADH和和FADH2将将质质子子和和电电子子转转移移到到内内膜膜的的载载体体上上，经经过过一一系系列列氢氢载载体体和和电电子子载载体体的的传传递递，最最后后传传递递给给O2生生成成H2O。这这种种由由载载体体组组成成的的电电子子传传递递系系统统称称电电子子传传递递链链（electron transfer chain),因因为为其其功功能能和和呼呼吸吸作作用用直直接接相相关关，亦亦称为呼吸链。称为呼吸链。v电子传递链在原核生物存在于电子传递链在原核生物存在于质膜质膜上，在真上，在真核细胞存在于核细胞存在于线粒体内膜线粒体内膜上。上。（二）线粒体呼吸链 线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物12呼吸链由呼吸链由4个多蛋白的复合物个多蛋白的复合物（I,II,III,和和 IV;3个是质子泵个是质子泵）和）和2个移动的电子个移动的电子载体，泛醌（载体，泛醌（Q或辅酶或辅酶Q）以及细胞色素）以及细胞色素c组组成。成。呼吸链中蛋白质的辅基包括呼吸链中蛋白质的辅基包括：黄素类（黄素类（FMN，FAD），），血红素（血红素血红素（血红素 A，铁原卟啉，铁原卟啉IX，血红素，血红素 C），），铁硫聚簇（铁硫聚簇（2Fe-2S,4Fe-4S),和和 铜铜。呼吸链由4个多蛋白的复合物（I,II,III,和 13呼吸链上很多电子载体的顺序通呼吸链上很多电子载体的顺序通过多种研究得以阐明过多种研究得以阐明方法一：测量标准还原电位（方法一：测量标准还原电位（E0）电子倾向于从低还原电位（电子倾向于从低还原电位（E0）的载）的载体流向还原电位高的载体（不过在真正体流向还原电位高的载体（不过在真正的细胞中可能有偏差）的细胞中可能有偏差）呼吸链上很多电子载体的顺序通过多种研究得以阐明方法一：测量标14Electron carriers may have an order of increasing E0Electron carriers may have an 15方法二：氧化作用动力学研究方法二：氧化作用动力学研究完全的还原伴随着完全的还原伴随着O2的突然传导；的突然传导；较早的氧化作用更接近呼吸链的末端；较早的氧化作用更接近呼吸链的末端；使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波长不同。长不同。方法二：氧化作用动力学研究16ReducedReducedReducedReducedReducedReducedOxidizedOxidizedOxidizedOxidized方法三方法三:各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。之前的处于还原态而阻止之后的处于氧化态。鱼藤酮鱼藤酮 抗霉素抗霉素 AReducedReducedReducedOxidizedO17方法四方法四:分离并鉴分离并鉴定每个多定每个多蛋白质复蛋白质复合物：合物：链上组分链上组分中特有的中特有的电子供体电子供体和受体可和受体可以确定。以确定。电子传递和氧化呼吸链课件18电子传递和氧化呼吸链课件19（三）呼吸链的组成（三）呼吸链的组成黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类（flavoproteins,FPflavoproteins,FP）铁铁铁铁-硫蛋白类硫蛋白类硫蛋白类硫蛋白类（ironsulfur proteins)ironsulfur proteins)细胞色素类细胞色素类细胞色素类细胞色素类（cytochromescytochromes）辅酶辅酶辅酶辅酶（ubiquinone,ubiquinone,亦写作亦写作亦写作亦写作CoQCoQ）NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（FAD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）（三）呼吸链的组成黄素蛋白酶类NADH辅 酶 Q（CoQ20NADH呼吸链呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅辅酶酶Q还原酶还原酶FADH2呼吸链呼吸链两条主要呼吸链两条主要呼吸链NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2C211.NADH-Q还原酶还原酶(NADH脱氢酶、复脱氢酶、复合体合体）vNADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁和铁-硫蛋白硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶）是该酶的辅基，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。负责传递电子和氢。传递氢机理传递氢机理:NAD+2H+2e NADH+H+NAD(P)H+H+FMN FMNH2+NAD（P）+1.NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体）NADH22NADH dehydrogenaseNADH dehydrogenase (Complex I)(Complex I)NADH+5HNADH+5H+N N+Q NAD+Q NAD+QH+QH2 2+4H+4H+P PNADH dehydrogenaseNADH+5H+N 23辅酶辅酶Q是呼吸链是呼吸链电子传递的枢纽电子传递的枢纽Ubiquinone(Q)accepts electronsfrom both NADHand FADH2 in therespiratory chain辅酶Q是呼吸链电子传递的枢纽24FMN can accept one electron or FMNH2 can donate one electron to form a semiquinoneradical intermediate.FMN can accept one electron 25铁硫蛋白铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e 特特点点：含含有有Fe和和对对酸酸不不稳稳定定的的S原原子子，Fe和和S常常以以等等摩摩尔尔量量存存在在（Fe2S2,Fe4S4)，构构成成FeS中中心心，Fe与与蛋蛋白白质质分分子子中中的的4个个Cys残残基的巯基与蛋白质相连结。基的巯基与蛋白质相连结。铁硫蛋白 26铁硫蛋白参与电子传递铁硫蛋白参与电子传递2Fe-2S铁硫蛋白参与电子传递2Fe-2S27Different types of iron-sulfur centers2Fe-2S4Fe-4SFerredoxin（铁氧还蛋白铁氧还蛋白）Iron atoms cycle between Fe2+(reduced)and Fe3+(oxidized).Different types of 2Fe-2S4Fe-4282.CoQ 特点特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区内膜的磷脂双分子层的疏水区自由自由扩散。扩散。功能基团是苯醌，通过醌功能基团是苯醌，通过醌/酚的互变传递氢，酚的互变传递氢，Q(醌型结构醌型结构)很容易接受很容易接受2个电子和个电子和2个质子，还原个质子，还原成成QH2（还原型）；（还原型）；QH2也容易给出也容易给出2个电子和个电子和2个质子，重新氧化成个质子，重新氧化成Q。因此，。因此，它在线粒体呼吸它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。链中作为电子和质子的传递体。2.CoQ 特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是脂溶性醌类化29泛醌是一个移动的泛醌是一个移动的电子电子/质子载体质子载体脂溶性的苯醌有一个脂溶性的苯醌有一个很长的很长的异戊二烯侧链，异戊二烯侧链，可以接受可以接受1或或2个电子，个电子，形成半醌或还原型辅形成半醌或还原型辅酶酶Q。（。（QH2）；）；QH2扩散到下一个复扩散到下一个复合物（合物（III）；是唯一）；是唯一的一个不结合于一种的一个不结合于一种蛋白的电子载体。蛋白的电子载体。泛醌是一个移动的电子/质子载体脂溶性的苯醌有一个很长的异戊二30电子传递和氧化呼吸链课件313.琥珀酸琥珀酸-Q还原酶（复合体还原酶（复合体）v琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括包括FAD和和Fe-S聚簇。聚簇。v琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基时其辅基FAD还原为还原为FADH2，然后，然后FADH2又将又将电子传递给电子传递给Fe-S聚簇。聚簇。v最后电子由最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的还原酶的辅酶辅酶CoQ。琥珀酸琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ3.琥珀酸-Q还原酶（复合体）琥珀酸脱氢酶也是此复合体的324.细胞色素还原酶细胞色素还原酶（细胞色素（细胞色素bcbc1 1复合体、复合体复合体、复合体）v含有两种细胞色素（细胞色素含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色、细胞色素素c1）和一铁硫蛋白（）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。）。v细胞色素细胞色素bc1复合体复合体的作用是将的作用是将电子电子从从QH2转移到细胞色素转移到细胞色素cQH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c4.细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体）含33细胞色素细胞色素（cytochrome,cyt）传递电子机理传递电子机理：+e +e Fe3+Fe2+Cu2+Cu+e e 特特点点：以以血血红红素素（heme）为为辅辅基基，血血红红素素的的主主要要成份为铁卟啉。成份为铁卟啉。类类别别:根根据据吸吸收收光光谱谱分分成成a、b、c三三类类，呼呼吸吸链链中中含含5种种（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在在呼呼吸吸链链中中为为电电子子传传递递体体，a和和a3以以复复合合物物存存在在，称称细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶，其其分分子子中中除除含含Fe外外还还含含有有Cu，可可将将电电子传递给氧，因此亦称其为子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶末端氧化酶。细胞色素（cytochrome,cyt）传递电子机理：特34细胞色素细胞色素=血红素血红素+蛋白质蛋白质血红素有血红素有a,b和和cCyt c是水溶性的，存在于是水溶性的，存在于内外膜之间，在复合体内外膜之间，在复合体III和和IV间传递电子间传递电子血红素中的铁得失电子而血红素中的铁得失电子而还原和氧化还原和氧化细胞色素=血红素+蛋白质35Cyt a:600 nmCyt b:560 nmCyt c:550 nmReduced cytochromeshas three absorptionbands in the visible wavelengthsCyt a:600 nmReduced cytochro36Cytochrome bc1 complex (Complex III)Cytochrome bc1 complex 375.细胞色素细胞色素c cv在复合体在复合体III和和之间传递电子。之间传递电子。（细胞色素（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）和细胞色素氧化酶接触）v是唯一能溶于水的细胞色素。是唯一能溶于水的细胞色素。v相对分子质量为相对分子质量为13000，由，由104个氨个氨基酸构成的单一肽链。基酸构成的单一肽链。5.细胞色素c在复合体III和之间传递电子。（细胞色素c 381 2345678半胱氨酸12345678半胱氨酸396.细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶（复合体（复合体、细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶）v由由 cyta和和a3 组成。复合物中除了含有铁卟组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有啉外，还含有2个铜原子（个铜原子（CuA，CuB）。）。Cyta与与CuA相配合，相配合，cyta3与与CuB相配合，当相配合，当电子传递时，细胞色素的电子传递时，细胞色素的Fe3+、Fe2+间循环，间循环，同时同时Cu2+、Cu+间循环，将电子从间循环，将电子从cytc直接直接传递给传递给O2，也叫末端氧化酶。，也叫末端氧化酶。6.细胞色素氧化酶（复合体、细胞色素c氧化酶）由40The three critical subunits of cytochrome oxidase(Complex IV)A 204 kD 13-subunit protein complex,with structure determined in 1996CuBHeme aHeme a32CuACuACuAThe three critical subunits of41The electronpath in Complex IVThe electron42电子传递和氧化呼吸链课件43NADH呼吸链呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶FADH2呼吸链呼吸链（四）机体内两条主要呼吸（四）机体内两条主要呼吸链和能量的变化链和能量的变化NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2C44电电子子传传递递链链标标准准氧氧化化还还原原自自由由能能变变化化NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V电子传递链标准氧化还原自由能变化NADHFMNCoQFe-S45电子传递和氧化呼吸链课件46The chemiosmoticmodel by MitchellThe chemiosmotic47（五）电子传递（五）电子传递 抑制剂抑制剂概念：概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。的物质称为电子传递抑制剂。电子传递抑制剂的使用是研究电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化部位物质的氧化-还原状态可以测出）还原状态可以测出）（五）电子传递 抑制剂概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的48电子传递电子传递 抑制剂抑制剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 III鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO抗霉素抗霉素 A的的抑制部位抑制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸链的比拟图解呼吸链的比拟图解电子传递 抑制剂NADHFMNCoQFe-SCyt c149第四节第四节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 一、氧化磷酸化一、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代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATP（即即ADP+PiATP）,这种氧化放能和这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别：底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+Pi ATP+H2O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能第四节 氧化磷酸化作用 一、氧化磷酸化 50磷氧比磷氧比（P/O）呼呼吸吸过过程程中中无无机机磷磷酸酸（Pi）消消耗耗量量和和分分子子氧氧（O2）消消耗耗量量的的比比值值称称为为磷磷氧氧比比。由由于于在在氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程中中，每每传传递递一一对对电电子子消消耗耗一一个个氧氧原原子子，而而每每生生成成一一分分子子ATP消消耗耗一一分分子子Pi，因因此此P/O的的数数值值相相当当于于一一对对电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递至分子氧所产生的至分子氧所产生的ATP分子数。分子数。NADHFADH2O O2 212H2OH2O例例 实测得实测得NADH呼吸链呼吸链：P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链：P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分51二、氧化磷酸化的偶联机理二、氧化磷酸化的偶联机理1.线粒体线粒体ATP合酶（合酶（mitochondrial ATPase）2.能量偶联假说能量偶联假说 1953年年 Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说 1964年年 Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 1961年年 Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说3.质子梯度的形成质子梯度的形成4.ATP合成的机制合成的机制1978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖二、氧化磷酸化的偶联机理1.线粒体ATP合酶（mitocho52ATP合酶催化合酶催化ATP的合成的合成H+被吸引到膜的被吸引到膜的Fo通道的基质侧，在通道的基质侧，在Fo和和F1连接处形成高浓连接处形成高浓度的度的H+通过通过ATP合酶每传合酶每传送送4H+引导引导1个个ATP的的生成生成ATP合酶催化ATP的合成H+被吸引到膜的Fo通道的基质侧，53线粒体线粒体ATP合酶复合体组分合酶复合体组分亚基亚基相对分子质量相对分子质量作用作用定位定位F1378000含有合成含有合成ATP的催化部位的催化部位线粒体内膜向基线粒体内膜向基质侧的球状体质侧的球状体560005300034000140006000F025000、21000、12000、8000含有质子通道含有质子通道跨膜部位跨膜部位IF110000调节质子流及调节质子流及ATP的合成的合成F0F1之间的柄之间的柄OSCP23000F68000线粒体ATP合酶复合体组分亚基相对分子质量作用定位F137854 氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图 氧化磷酸化重建示意图55内膜内膜F0F1 ATP酶酶e e-ADP+Pi底物底物H+ATPH+H+H+基质基质膜间隙膜间隙电子传递链电子传递链 电子传递的自电子传递的自由能驱动由能驱动H+从线从线粒体基质跨过内粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，膜进入到膜间隙，从而形成从而形成H+跨线跨线粒体内膜的电化粒体内膜的电化学梯度，这个梯学梯度，这个梯度的电化学势度的电化学势(H+)驱动驱动ATP的合成。的合成。三、化学渗透假说三、化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis)内膜F0F1 ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+56电子传递和氧化呼吸链课件57化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+58线粒体电子传递和线粒体电子传递和H+排出的数目和途径排出的数目和途径H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+2H+2H+复合物复合物 III12线粒体电子传递和H+排出的数目和途径H2O2H+CytcCy59Boyer和和Walker的工作的工作 美国科学家美国科学家Boyer为解释为解释ATP酶作用机理，提出酶作用机理，提出旋转催化旋转催化假说，认为假说，认为ATP合成酶合成酶亚基有三种不同的亚基有三种不同的构象，一种构象构象，一种构象(L)有利于有利于ADP和和Pi结合，一种构象结合，一种构象(T)可使结合的可使结合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三种构象第三种构象(O)使合成的使合成的ATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATP合成过程中，合成过程中，三个三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜能量由跨膜H+提供。提供。英国科学家英国科学家Walker通过通过x光衍射获得高分辩率的光衍射获得高分辩率的牛心线粒体牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构，证明在证明在ATP酶酶合成合成ATP的催化循环中三个的催化循环中三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象，从而有力地支持了从而有力地支持了Boyer的假说。的假说。Boyer和Walker的工作 美国科学家Boy60 61ATP合酶结构示意图合酶结构示意图定子定子定子定子 旋转催化理论认旋转催化理论认为质子流通过为质子流通过Fo引引起亚基起亚基III 寡聚体和寡聚体和 及及 亚基一起转动亚基一起转动,这种旋转配置这种旋转配置 /亚基之间的不对称亚基之间的不对称的相互作用的相互作用,引起催引起催化位点性质的转变化位点性质的转变,亚基的中心亚基的中心 -螺螺旋被认为是转子旋被认为是转子,亚亚基基I和和II与与 亚基组合亚基组合在一起组成定子在一起组成定子,它它压住压住 /异质六聚异质六聚体体.OSCPOSCP F F1 1HH+通道通道通道通道 F FOO柄柄柄柄DCCDDCCD结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白基质表面基质表面基质表面基质表面外表面外表面外表面外表面 ATP合酶结构示意图定子 旋转催化理论认为质子流通62Rotation of the subunit and the ring of c subunitsin the F0F1 complexwas observed byin vitro studies using fluorescencemicroscopy 肌动蛋白肌动蛋白 Rotation of the g 肌动蛋白 63ATP合成合成L态态：低亲和力低亲和力态，态，ATP合成合成O态态：开放态，：开放态，亲和力极低，亲和力极低，ATP释放释放T态态：紧密结紧密结合态，合态，ATP合合成成当当H+通过通过Fo时，时，Fo旋转，旋转导致旋转，旋转导致F13个个亚基构象的亚基构象的改变改变F1 构象的变化促构象的变化促使使ADP+Pi合成合成ATP并释放并释放ATP合成L态：低亲和力态，ATP合成O态：开放态，亲和力极64ATP酶作用机理酶作用机理ADP+PiADP+PiProten Proten FluxFluxHH+ATP ATP+HH2 2OO ATPATPADP+PiADP+PiProten Proten FluxFlux有利于有利于ADP与与Pi结合的构象结合的构象有利于有利于ADP与与Pi生成的构象生成的构象有利于有利于ATP释放释放的构象的构象ATP酶作用机理ADP+PiProten FluxH+ATP65Oxidative Phosphorylation(on inner membraneof mitochondria)Oxidative 66四、四、线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用 1.磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 2.苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统 酵解酵解（细胞质）（细胞质）氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体）胞浆胞浆NADH不能直接进入线粒体不能直接进入线粒体四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 1.磷酸甘67胞浆胞浆NADH不能直接进不能直接进入线粒体入线粒体穿梭系统：穿梭系统：3-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭NADH FADH2脑、骨骼肌等（速度快）脑、骨骼肌等（速度快）苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭NADH NADH心、骨骼肌等心、骨骼肌等线粒体外线粒体外NADH的氧化的氧化3-3-磷酸甘油穿梭：磷酸甘油穿梭：磷酸甘油穿梭：磷酸甘油穿梭：NADH FADHNADH FADH2 2胞浆NADH不能直接进入线粒体线粒体外NADH的氧化3-磷酸68-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二69苹果酸苹果酸-草酰乙酸穿梭作用草酰乙酸穿梭作用（、为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）细胞液细胞液线粒体内膜线粒体内膜体体天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酮戊二酸酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸脱苹果酸脱氢酶氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转谷草转氨酶氨酶谷草转谷草转氨酶氨酶呼吸链呼吸链苹果酸-草酰乙酸穿梭作用（、为膜上的转运载702,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外v在酸性环境中接受在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用，亦称度的作用，亦称质子载体。质子载体。2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2O71离子载体离子载体（离子载体抑制剂离子载体抑制剂）v是一类脂溶性物质，是一类脂溶性物质，能与能与H+以外的其他以外的其他一价阳离子结合，一价阳离子结合，并作为他们的载体使并作为他们的载体使它们能够穿过膜，消除跨膜的电位梯度。它们能够穿过膜，消除跨膜的电位梯度。v缬氨霉素（缬氨霉素（K+）v短杆菌肽（短杆菌肽（K+Na+）离子载体（离子载体抑制剂）是一类脂溶性物质，能与H+以外的其72五、葡萄糖彻底氧化生成五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算的总结算 葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或或GTP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准分子数并不十分准确，因为质子泵、确，因为质子泵、ATP的合成以及代谢物的转运过的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定，据当前最新测定，H+经经NADH-Q还原酶、细胞色还原酶、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，到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子数依次一对电子泵出的质子数依次为为4、2和和4。五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 葡萄糖分解73合成合成一个一个ATP分子分子是由是由3个个H+通过通过ATP合酶所合酶所驱动，多余的一个驱动，多余的一个H+，可能用于将可能用于将ATP从基质从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传传至至02，所产生的，所产生的 ATP分子数是分子数是2.5个。个。在细胞色素还原酶的水平进入电子传递链的电在细胞色素还原酶的水平进入电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的子，如琥珀酸，或细胞液中的NADH，它们的它们的电子对只产生电子对只产生1.5个个ATP分子。这样，当一分子分子。这样，当一分子葡萄糖彻底氧化为葡萄糖彻底氧化为CO2和水所得到的和水所得到的ATP分子分子数和过去传统的统计数数和过去传统的统计数(38个个ATP)少了少了6（或（或8）个）个ATP分子，成为分子，成为32（或（或30）个个。合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一741个葡萄糖彻底氧化合成个葡萄糖彻底氧化合成ATP计算计算1个葡萄糖彻底氧化合成ATP计算75六、能六、能 荷荷定义式：能荷定义式：能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意义意义：能荷由能荷由ATP、ADP和和AMP的相对数量决的相对数量决定，数值在定，数值在01之间，反之间，反映细胞能量水平。映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可能荷对代谢的调节可通过通过ATP、ADP和和AMP作为代谢中某些酶分子的作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节别构效应物进行变构调节来实现。来实现。能荷能荷相相对对速速率率ATP的利用途径的利用途径 ATP的的生成途径生成途径能荷对能荷对ATP的生成途径和的生成途径和ATP的的利用途径相对速率的利用途径相对速率的 影响影响六、能 荷定义式：能荷=76其它末端氧化酶系统其它末端氧化酶系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在一些其它氧化系统，其特点是从底此以外，生物体内还存在一些其它氧化系统，其特点是从底物脱氢到物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。的生成无关，但各自具有重要的生理功能。生物体内主要的其它氧化系统如下：生物体内主要的其它氧化系统如下：多酚氧化酶系统多酚氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶系统抗坏血酸氧化酶系统 黄素蛋白氧化酶系统黄素蛋白氧化酶系统 超氧化物歧化酶氧化系统超氧化物歧化酶氧化系统 植物抗氰氧化酶系统植物抗氰氧化酶系统其它末端氧化酶系统 通过线粒体细胞色素系统进行77问答题问答题1.生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。氧化异同。2.何谓高能化合物？体内何谓高能化合物？体内ATP 有哪些生理功能？有哪些生理功能？3.氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？名词解释名词解释生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（磷氧比（P0）能荷能荷问答题1.生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外78