电子传递体系与氧化磷酸化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,http:/ 电子传递体系与氧化磷酸化,主要内容,：,重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍,。,返回,思考,目录,第一节,生物氧化的特点和方式,第二节,线粒体电子传递体系,第三节,氧化磷酸化作用,第四节,其它氧化体系,（自学）,第一节 生物氧化的特点和方式,一、生物氧化的,特点,二、生物氧化过程中,CO,2,的生成,三,、,生物氧化过程中,H,2,O,的生成,四,、,有机物在体内氧化释能的,三个阶段,糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成,CO,2,和,H,2,O,并释放出能量的过程称为生物氧化（,biological oxidation），,其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。,生物氧化的特点,在活的细胞中（,pH,接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如,ATP,）,截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,CO,2,的生成,方式,：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下,脱羧,而生成,CO,2,。,类型,：,-,脱羧和,-,脱羧,氧化脱羧和单纯脱羧,CH,3,COSCoA+,CO,2,CH,3,-C-,COO,H,O,丙酮酸脱氢酶系,NAD,+,NADH+H,+,CoASH,例：,+,CO,2,H,2,N-CH-,COO,H,R,氨基酸脱羧酶,CH,2,-NH,2,R,H,2,O,的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（,NAD,+,、NADP,+,、FAD、FMN,等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成,H,2,O,。,CH,3,CH,2,OH,CH,3,CHO,NAD,+,NADH+H,+,乙醇脱氢酶,例：,12,O,2,NAD,+,电子传递链,H,2,O,2,e,O,=,2,H,+,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、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间产物（如,丙酮酸、乙酰,CoA,等）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成,H,2,O,，,释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在,ATP,中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,第二节 线粒体电子传递体系,一、线粒体,结构特点,二、,电子传递呼吸链的,概念,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,五、,电子传递抑制剂,线粒体结构,线粒体呼吸链,线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的,NADH,和,FADH,2,将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给,O,2,生成,H,2,O。,这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（,eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链,。,呼吸链的组成,1.,黄素蛋白酶类,（,flavoproteins,FP）,2.,铁-硫蛋白类,（,iron,sulfur proteins),3,.,辅酶,（,ubiquinone,亦写作,CoQ）,4,.,细胞色素类,（,cytochromes）,NADH,辅 酶,Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c,1,O,2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,琥珀酸等,黄素蛋白（,F AD）,黄素蛋白（,FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（,Fe-S）,铁硫蛋白（,Fe-S）,NADH,呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c,1,O,2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸,等,复合物,II,复合物,IV,复合体,I,复合物,III,NADH,脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶,Q,还原酶,FADH,2,呼吸链,NADH,呼吸链电子传递和水的生成,H,2,O,1,2,O,2,O,2-,MH,2,还原型代 谢底物,FMN,FMNH,2,CoQH,2,CoQ,NAD,+,NADH+H,+,2,Fe,2+,2,Fe,3+,细胞色素,b-c-c,1,-aa,3,Fe S,2,H,+,M,氧化型代 谢底物,FADH,2,呼吸链电子传递和水的生成,2,e,H,2,O,FAD,FADH,2,琥珀酸,Fe S,2,Fe,2+,2,Fe,3+,细胞色素,b-c,1,-c-aa,3,CoQH,2,CoQ,1,2,O,2,O,2-,2,H,+,延胡索酸,2,e,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH,2,2,e-,NADH,电子传递链标准氧化还原自由能变化,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c,1,O,2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,等,复合物,II,复合物,IV,复合体,I,复合物,III,NADH,脱氢酶,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,C,氧化酶,琥珀酸-辅酶,Q,还原酶,-0.2,-0.4,0,0.2,0.4,0.6,0.8,E,0,/V,细胞色素还原酶部分结构模式,细胞色素氧化酶结构示意图,线粒体基质,17,K,Cyt c,36,K,III,21K,23,K,12,K,8,K,4,K,4,K,线粒体基质,(,b,H,),(,b,566,),(,b,L,),(,b,562,),2,Fe-2S,c,1,铁,-,硫,蛋白,Cyt b,NADH,呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应,:,NADH+H,+,+1/2O,2,NAD,+,+H,2,O,G=-nFE,=-296.50.82-(-0.32),=-220.07,千焦,mol,-1,总反应,：,FADH,2,+1/2O,2,FAD+H,2,O,G=-nFE,=-296.50.82-(-0.18),=-193.0,千焦,mol,-1,FADH,2,呼吸链电子传递过程中自由能变化,烟酰胺脱氢酶类,特点,：以,NAD,+,或,NADP,+,为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。,传递氢机理,:,NAD(P),+,+2H,+,+2e NAD(P)H+H,+,黄素蛋白酶类,特点,：,以,FAD,或,FMN,为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别,：,黄素脱氢酶类（如,NADH,脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）,需氧脱氢酶类（如,L,氨基酸氧化酶）,加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,递氢机理：,FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H,2,铁硫蛋白,+,e,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,特点,：,含有,Fe,和对酸不稳定的,S,原子，,Fe,和,S,常以等摩尔量存在（,Fe,2,S,2,Fe,4,S,4,)，,构成,FeS,中心，,Fe,与蛋白质分子中的4个,Cys,残基的巯基与蛋白质相连结。,CoQ,特点,：,带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动,。,+2,H,传递氢机理,：,CoQ CoQH,2,2,H,细胞色素,传递电子机理,：,+,e +e,Fe,3+,Fe,2+,Cu,2+,Cu,+,e e,特点,：,以血红素（,heme）,为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。,类别,:,根据吸收光谱分成,a、b、c,三类，呼吸链中含5种（,b、c、c,1,、a,和,a3)，cyt b,和,cytc1、cytc,在呼吸链中的中为电子传递体，,a,和,a3,以复合物物存在，称,细胞色素氧化酶,，其分子中除含,Fe,外还含有,Cu,，可将电子传递给氧，因此亦称其为,末端氧化酶,。,CoQ,的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH,2,铁硫蛋白的结构及递电子机理,S Fe,1,Fe,0S,2-,4Cys,2,Fe,2S2-,4Cys,4,Fe,4S2-,4Cys,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,+,e,细胞色素血红素的结构,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,+,e,波长/,nm,还原型,Cytc,的吸收光谱,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物,II,复合物,IV,复合物,I,复合物,III,鱼藤酮,安密妥,抗霉素,A,氰化物,CO,抗霉素,A,的抑制部位,NAD FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸链的比拟图解,第三节,氧化磷酸化作用,一、,氧化磷酸化,和,磷氧比（,P/O）,的概念,二、,氧化磷酸化的偶联机理,三,、,氧化磷酸化的解偶联和抑制,四、,线粒体外,NADH,的氧化磷酸化作用,五、,葡萄糖彻底氧化生成,ATP,的总结算,六、,能荷,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合成,ATP（,即,ADP+P,i,ATP）,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,。,类别,：,底物水平磷酸化,电子传递水平磷酸化,ADP+P,i,ATP+H,2,O,生物氧化过程中释放出的自由能,磷氧比（,P/O,）,呼吸过程中无机磷酸（,P,i,）,消耗量和分子氧（,O,2,）,消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子,ATP,消耗一分子,P,i,，因此,P/O,的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的,ATP,分子数。,NADH,FADH,2,O,2,1,2,H,2,O,H,2,O,例,实测得,NADH,呼吸链,：,P/O,3,ADP+,Pi,ATP,实测得,FADH,2,呼吸链,：,P/O,2,O,2,1,2,2,e,-,2,e,-,ADP+,Pi,ATP,ADP+,Pi,ATP,ADP+,Pi,ATP,ADP+,Pi,ATP,二、氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体,ATP,合酶,（,mitochondrial ATPase,）,2、能量偶联假说,1953年,Edward Slater,化学偶联假说,1964年,Paul Boyer,构象偶联假说,1961年,Peter Mitchell,化学渗透假说,3,、,质子梯度,的形成,4、,ATP,合成的机制,1978年获诺贝尔化学奖,线粒体,ATP,合酶,氧化磷酸化重建示意图,内膜,F,0,F,1,ATP,酶,e,-,ADP+Pi,底物,H,+,ATP,H,+,H,+,H,+,基质,膜间隙,电子传递链,电子传递的自由能驱动,H,+,从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成,H,+,跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(,H,+,)驱动,ATP,的合成。,化学渗透假说,(,chemiosmotic hypothasis),化学渗透假说原理示意图,4,H,+,2,H,+,2,H,+,4,H,+,NADH+H,+,2,H,+,2,H,+,2,H,+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H,2,O,2,e,-,+,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,磷酸化,氧化,线粒体电子传递和,H,+,排出的数目和途径,H,2,O,2,H,+,Cytc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc,1,Cytb,K,Cytb,r,Cyta,FeS,Cyta,3,2,e,-,2,e,-,NADH+H,+,NAD,+,O,2,+2H,+,H,2,O,4,H,+,2,H,+,2,H,+,复合物,III,1,2,Boyer,和,Walker,的工作,英国科学家,Walker,通过,x,光衍射获得高分辩率的牛心线粒体,ATP,酶晶体的三维结构，证明在,ATP,酶合成,ATP,的催化循环中三个,亚基的确有不同构象，从而有力地支持了,B