线粒体氧化体系与呼吸链+氧化磷酸化与ATP的生成课件

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章,生物氧化,Biological Oxidation,第一节,线粒体氧化体系与呼吸链,第二节,氧化磷酸化与,ATP,的生成,第三节,氧化磷酸化的影响因素,第四节,其他氧化与抗氧化体系,重点难点,熟悉,了解,掌握,生物氧化的概念,线粒体呼吸链的组成及功能,氧化磷酸化的概念、意义及其影响因素,ATP,在能量代谢中的作用,化学渗透学说与,ATP,的生成机制,呼吸链抑制剂的种类及作用特点,ROS,的种类及生成机制,清除,ROS,的抗氧化酶,微粒体的生物氧化,线粒体氧化体系与呼吸链,第一节,Biological oxidation in mitochondria and the mitochondrial,respiratory,chain,物质在生物体内进行的氧化分解称,生物氧化,(biological oxidation),生物氧化发生的部位：细胞胞质、线粒体、微粒体等,线粒体氧化体系,：通过酶促反应将营养物质氧化分解为,CO,2,和,H,2,O,，并释放能量，产生,ATP,微粒体氧化体系,：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生,ATP,生物氧化,主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成,CO,2,和,H,2,O,的过程,特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放,线粒体氧化体系,营养物质氧化的一般过程,线粒体氧化体系需要递氢体和递电子体,递电子体,递氢体,电子直接传递：,Fe,2+,Fe,3+,+ e,以氢原子的形式传递电子,2H 2H,+,+ 2e,水溶性辅酶或辅基,：,NAD,+,/NADH, NADP,+,/NADPH,为双电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化,水溶性辅酶或辅基,：,FAD/FADH,2, FMN/FMNH,2,为单双电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,结构中含核黄素,异咯嗪环为功能基团,脂溶性,有机化合物,：泛醌（,ubiquinone,，,CoQ,，,Q,）,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,人体：,CoQ10,，含,10,个异戊二烯单位,可在线粒体内膜中自由扩散,传递质子和电子,Q,QH,QH,2,铁硫蛋白,(iron-sulfur protein,),辅基：,铁硫中心,(Fe-S),含铁离子和硫原子,通过,Fe,2+,Fe,3+,+e,-,反应传递电子,单电子传递体,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,Fe-S,Fe,2,S,2,Fe,4,S,4,细胞色素蛋白,（,cytochrome , Cyt,）,含,血红素样,辅基的蛋白质,分,Cyt,a、b、c,及不同的亚类,线粒体氧化体系的递氢体和递电子体,细胞色素,a,，,b,，,c,结合的血红素辅基,血红素,a,血红素,b,血红素,c,通过,血红素辅基,Fe,2+,Fe,3+,+e,-,反应传递电子,单电子传递体,具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链,线粒体呼吸链：,生物体将,NADH+H,+,和,FADH,2,彻底氧化生成水和,ATP,的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为线粒体呼吸链（,mitochodrial respiratory chain,）。也称,电子传递链,(electron transfer chain),4,个蛋白质复合体,，位于线粒体内膜,含多种具有传递电子能力的,辅基,，如,FMN,、,Fe-S,、金属离子等,蛋白复合体、泛醌以及细胞色素,c,协同完成电子传递到氧的过程,电子传递过程伴随,H,+,移至,线粒体内,膜的胞质侧，,形成跨内膜,H,+,梯度,，,释放,的能量用于,生成,ATP,一、,呼吸链由,4,种具有传递电子能力的蛋白质复合体组成,线粒体内,膜的传递电子的复合体,人线粒体呼吸链复合体的组成,泛醌和细胞色素,c,不包含在上述四种复合体中,复合体,：,NADH-,泛醌还原酶、,NADH,脱氢酶,接受来自,NADH+H,+,的电子并转移给泛醌,复合体,可催化两个同时进行的过程：,电子传递：,NADHFMNFe-S Q,质子的泵出：,复合体,有质子泵功能，每传递,2,个电子可将,4,个,H,+,从内膜基质侧泵到胞浆侧,（一） 复合体,将,NADH+H,+,中的电子传递给泛醌,复合体,介导的电子传递过程,NADH+H,+,NAD,+,FMN,FMNH,2,还原型,Fe-S,氧化型,Fe-S,Q,QH,2,复合体,：,琥珀,酸,-,泛醌还原酶,，即三羧酸循环中的,琥珀酸脱氢酶,电子传递,：,琥珀酸,FAD,几种,Fe-S Q,复合体,：,无,H,+,泵的功能,（二）复合体,将电子从琥珀酸传递到泛醌,（三）复合体,将电子从还原型泛醌传递给细胞色素,c,复合体,：,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,人复合体,含有,Cyt b(b562, b566),、,Cyt c1,和一种可移动的铁硫蛋白,(Rieske protein),泛醌,从复合体,、,募集氢并穿梭传递到复合体,电子传递：,QH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,复合体,的电子传递通过,“,Q,循环”,实现,复合体,每传递,2,个电子向内膜胞浆侧释放,4,个,H,+,，,复合体,有质子泵作用,Cyt c,是,呼吸链唯一水溶性球状蛋白,，不包含在复合体中,Cyt c,将获得的电子传递到复合体,IV,复合体,的电子传递,复合体,：,细胞色素,C,氧化酶,电子传递：,Cyt cCuACyt aCyt a,3,CuBO,2,CuA,和,Cyt a,3,CuB,形成双核中心，将电子传递给,O,2,质子泵功能,：,每传递,2,个电子使,2,个,H,+,跨内膜向膜间隙侧转移,（四）复合体,将电子从细胞色素,C,传递给氧,复合体,IV,的电子传递过程,复合体,IV,的,CuB-Cyta3,将电子传递给,O,2,、生成水,1,、,NADH,氧化呼吸链,NADH ,复合体,CoQ,复合体,Cyt c ,复合体,O,2,2,、琥珀酸氧化呼吸链,琥珀酸 复合体, CoQ,复合体,Cyt c ,复合体,O,2,二、,NADH,和,FADH,2,是呼吸链的电子供体,NADH,和,FADH2,是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链,标准氧化还原电位,特异抑制剂阻断,还原状态呼吸链缓慢给氧,将呼吸链拆开和重组,呼吸链各组分的排列顺序的实验依据,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,氧化还原对,E,0,(V),氧化还原对,E,0,(V),NAD,+,/NADN+H,+,0.32,Cyt c1 Fe,3+,/Fe,2+,0.22,FMN /FMNH,2,0.219,Cyt c Fe,3+,/Fe,2+,0.254,FAD /FADH,2,0.219,Cyt a Fe,3+,/Fe,2+,0.29,Cyt b,L,(b,H,) Fe,3+,/Fe,2+,0.05(0.10),Cyt a3 Fe,3+,/Fe,2+,0.35,Q,10,/Q,10,H,2,0.06,1/2O,2,/H,2,O,0.816,NADH,氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,氧化磷酸化与,ATP,的生成,第二节,Oxidative phosphorylation and production of ATP,底物水平磷酸化,(substrate level phosphorylation):,与底物分子的高能键水解相偶联，使,ADP,磷酸化生成,ATP,氧化磷酸化,(oxidative phosphorylation),：,NADH,和,FADH,2,通过线粒体呼吸链被氧化生成水,的,过程伴随,着能,量的释,放,，驱动,ADP,磷酸化生成,ATP,。,即,NADH,和,FADH,2,的氧化,过程与,ADP,磷酸化过程相偶联，释放的能量用于生成,ATP,ATP,生成方式,氧化过程,如何偶联,ADP,的,磷酸化过程,？,每条呼吸链各产生多少,ATP,？,一、氧化磷酸化偶联部位在复合体,、,、,内,根据,P/O,比值,自由能变化,: G=-nFE,氧化与磷酸化的偶联部位：复合体,、,、,（一）,P/O,比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗,1/2,摩尔,O,2,所生成,ATP,的摩尔数（或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成,ATP,分子数）,根据自由能变化确定偶联部位,G = -nF E,偶联部位,电位变化,(,E,0,),自由能变化,(,G,0,),能否生成ATP,(G,0,是否大于30.5KJ,),NAD,H,CoQ,0.36V,69.5KJ/mol,能,CoQCytc,0.21V,40.5KJ/mol,能,Cyta-a,3,O,2,0.53V,102.3KJ/mol,能,n,：传递电子数；,F,：法拉第常数,合成,1,摩尔,ATP,需能量约,30.5kJ,（二）自由能变化,呼吸链产生的能量完全满足合成,ATP,所需,复合体,I,复合体,III,复合体,IV,一对电子经,NADH,氧化呼吸链氧化，偶联生成,2.5,分子的,ATP,一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生,1.5,分子,ATP,二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,化学渗透假说,(chemiosmotic hypothesis),电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运,H,+,从线粒体基质到内膜的胞质侧,质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（,H,+,浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量,质子的电化学梯度转变为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能，用于驱动,ADP,与,Pi,结合生成,ATP,化学渗透假说示意图,质子的跨内膜梯度,复合体,I,，,III,，,IV,都具有质子泵功能,呼吸链每传递,2,个电子使,10,个,H,+,跨内膜向胞浆侧转移,线粒体胞浆侧的质子浓度、正电荷远高于基质,形成,跨内膜的浓度和电位差,（电化学梯度）,依赖于完整封闭的线粒体内膜，对,H,+,、,K,、,Cl,等离子的不通透性,呼吸链复合体可驱动质子移至线粒体膜间隙，形成可测定的跨膜电化学梯度,增加线粒体膜间隙侧的酸性可促进,ATP,合成，减少内膜质子梯度，电子虽可以传递，但,ATP,生成减少,化学渗透假说的实验依据,三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成,ATP,ATP,合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白,功能：回流质子至基质时，结合,ADP,与,Pi,合成,ATP,ATP,合酶结构组成,F1,（亲水部分）,亚基：,功能：催化,ATP,合成,Fo,（疏水部分）,亚基：,a,1,b,2,c,9-12,功能：,质子回流至基质的通道,DL. Nelson, MM. Cox,Lehninger Principles of Biochemistry,ATP,合酶：质子回流通道,a,亚基形成,2,个质子半通道,半通道接受的质子中和,c,亚基,Asp61,的负电荷后，,c,亚基环与内膜接触发生转动,ATP,合酶的结合变构模型：催化,ATP,合成,质子顺浓度梯度经,Fo,部分回流时，驱动,亚基转动，使,3,个,亚基构象周期性改变,依次结合底物、生成、释出产物ATP,生成,1,个,ATP,，需,3,个,H,回流入线粒体基质,小结,氧化磷酸化：,在线粒体完成氧化与磷酸化的偶联过程,通过,NADH,呼吸链、琥珀酸呼吸链完成线粒体基质中,NADH,、,FADH,2,的氧化过程,呼吸链中具有质子泵功能的复合体能够将基质中的质子“泵出”至膜间隙侧而产生跨膜质子电化学梯度，储存电子氧化释放的能量，形成质子驱动力,质子驱动力促使质子通过线粒体内膜上,ATP,合酶回流至基质释放能量，同时驱动,ADP,磷酸化生成,ATP,，完成磷酸化过程,小结,一对电子经,NADH,氧化呼吸链氧化，偶联生成,2.5,分子的,ATP,一对电子经,琥珀酸,呼吸链,氧化，,偶联产生,1.5,分子,ATP,复合体,I,复合体,III,复合体,IV,