2010-电子传递与氧化磷酸化.ppt

第12章生物氧化 电子传递与氧化磷酸化 生物氧化概念 C6H12O6 6O26CO2 6H2O 生物氧化的定义 有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程 需要耗氧并放出二氧化碳和水 所以又称为细胞呼吸和细胞氧化 C6H12O6 6H2O6CO2 24H 24e 6O2 24H 24e12H2O 能量 生物氧化特点 在活细胞内进行 在体液 水 环境中进行 体温 pH中性 在一系列酶和传递体的作用下逐步进行 释放的能量可转换成ATP等高能化合物的各种形式 以供机体生命活动的需要 生物氧化与体外燃烧化学本质是相同的 释放的总能量也相等 主要部位 真核细胞的线粒体内膜原核细胞的细胞质膜 生物氧化 CO2的生成机制 脱羧 1 直接脱羧作用代谢的中间产物在脱羧酶的催化下 直接从分子中脱去羧基 例如丙酮酸的脱羧 1 直接脱羧CH3 CO COOHCH3CHO CO22 直接脱羧HOOC CO CH2 COOHHOOC CO CH3 CO2 生物氧化 2 氧化脱羧作用代谢中产生的有机羧酸 主要是酮酸 在氧化脱羧酶系的催化下 在脱羧的同时 也发生氧化 脱氢 作用 例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸 1 氧化脱羧CH3 CO COOH CoASH NAD CH3 CO SCoA NADH H CO22 氧化脱羧HOOC CH CH2 COOH NADP HOOC CO CH3 CO2 NADPH H 丙酮酸氧化脱羧酶系 苹果酸酶 OH 掌握要点 1 电子传递 氧化磷酸化与线粒体膜结构的关系2 电子沿呼吸链在酶复合体中的传递与质子跨膜转移的关系 3 电子在传递过程中所释放出来的能量是如何蕴藏在跨膜的电化学梯度中 4 蕴藏在跨膜的电化学梯度中的质子推动力是如何推动ATP酶促合成的 5 抑制剂在电子传递与氧化磷酸化研究中的作用 生物氧化 结 结 第一节 线粒体的结构与功能 线粒体是真核生物重要的细胞器 含有丙酮酸脱氢酶复合体 柠檬酸循环的酶 催化脂肪酸氧化的酶及电子传递和氧化磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白 线粒体是需氧细胞产生ATP的主要部位因此 被称为 细胞的动力车间 一 线粒体的形态与结构线粒体是由双层膜包围的细胞器 外膜和内膜中间为膜间隙 线粒体内部为基质 内膜向基质内折叠为嵴 嵴的存在大大增加了内膜的面积 线粒体内膜的功能有3个方面 氧化脱羧生成CO2的同时 NAD FAD还原为NADH和FADH2 这发生在线粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上 2 电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上 并同时形成跨膜质子泵 3 将储存在电化学质子梯度的能量由内膜上的ATP合成酶合成ATP 二 线粒体的跨膜转运系统 一 细胞溶质还原当量的跨膜转运在胞液中代谢产生的NADH上的电子可通过一定的穿梭系统转运进入线粒体内膜的电子传递系统中 穿梭系统 苹果酸 天冬氨酸穿梭磷酸甘油穿梭 1 苹果酸穿梭 线粒体膜 胞液 基质 苹果酸 苹果酸 草酰乙酸 草酰乙酸 谷氨酸 谷氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 酮戊二酸 酮戊二酸 NAD NAD NADH H NADH H GOT 电子传递链 苹果酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶 二羧酸移位酶谷氨酸 天冬氨酸移位酶 e 2 磷酸甘油穿梭 胞液 NAD3 磷酸甘油 NADH磷酸二羟丙酮 H 3 磷酸甘油FAD 磷酸二羟丙酮FADH2 磷酸甘油脱氢酶辅酶NAD 磷酸甘油脱氢酶辅酶FAD 线粒体内膜 CoQ 二 ADP ATP转运蛋白 由两个相同的 分子量为30KD的亚基组成 含有一个ADP和ATP竞争结合的部位 以两种构象存在 位于线粒体内膜 第二节电子传递 电子传递过程中的一系列氧化还原反应是由许多电子传递体所组成的电子传递链 即呼吸链 完成的 一 电子传递链及其组成 M氧化型H2O一个或几个中间传递体MH2还原型1 2O2 具有严格排列顺序的电子载体所构成的体系称为电子传递链或呼吸链 电子载体存在于线粒体内膜 它们在内膜上的排列顺序与它们各自氧化还原电势的高低相关 脱氢酶氧化酶 E0 0 32 0 220 0450 070 220 2350 580 815底物 NADH FMN CoQ Cytb CytC1 CytC Cytaa3 1 2O2 丙酮酸 酮戊二酸FADH 0 22苹果酸 底物 琥珀酸 脂酰CoA 电子总是从低电位向高电位流动 低电位高电位高自由能低自由能 电子的传递过程是一个放能的过程 电子从氧还电势较低的载体氧还电势较高的载体 在电子传递过程中伴随有质子的释放和结合 通过这种方式使质子能定向移动 并通过质子的跨膜电势来推动ATP的合成 电子传递链的组成 由蛋白质复合体构成 电子传递链存在于真核细胞的线粒体内膜上 原核细胞的质膜上 电子传递酶复合体的辅基有 黄素类 铁硫中心 血红素和铜离子 这些辅基都是电子载体 电子传递通过这些辅基来完成 电子传递链图解如下 细胞色素还原酶 细胞色素c 细胞色素氧化酶 O2 NADH Q还原酶 FADH2 琥珀酸 Q还原酶 NADH 辅酶Q FMN Fe S FAD Fe S 血红素b 562 血红素b 566 血红素c1 血红素a 血红素a3 CuA和CuB Fe S NADH呼吸链与FAD呼吸链 NADH呼吸链体内大多数代谢中间物 如乳酸 丙酮酸 苹果酸等 的生物氧化都是以NAD 为辅酶的脱氢酶催化而脱氢 电子经呼吸链传递 最终传给氧生成水 FAD呼吸链少部分脱氢酶 琥珀酸 脂酰CoA脱氢酶 的辅基是FAD FADH将氢传给CoQ 呼吸链较短 释放能量也较少 呼吸链复合体 呼吸链中的各种传递体多数是紧密镶嵌在线粒体内膜中 这些功能上相关的传递体结合成四种脂溶性的复合物 称为呼吸链复合物 IFMN Fe S FAD Fe S CytbC1 Fe S Cytaa3 底物 底物 NADH CoQ Cyt c O2 二 呼吸链的组织结构及电子传递顺序 在呼吸链中电子的流动有着严格的顺序 不能超于其间的第二个载体流向而第三个载体 这表明构成呼吸链的电子载体在膜结构上有着严格的组织顺序和定位关系 电子呼吸链成员 1 NADH CoQ还原酶 NADH CoQ氧化还原酶 简写为NADH Q还原酶 即复合物I 是一种黄素蛋白 它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原 所以它既是一种脱氢酶 也是一种还原酶 NADH Q还原酶含有43个多肽链 它的活性部分含有辅基FMN和5 7个铁硫簇 NADH H FMNFMNH2 NAD 辅基FMN FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子 形成还原型FMNH2 还原型FMNH2通过铁硫簇进一步将电子转移给CoQ p261 铁硫蛋白 分子中含铁硫中心 非血红素铁和硫构成活性中心 铁与硫一般等量存在 位于线粒体内膜上 通过Fe3 Fe2 变化传递电子 铁硫蛋白主要以 2Fe 2S 或 4Fe 4S 的形式存在 2Fe 2S 含有两个活泼的无机硫和两个铁原子 铁与其蛋白分子中的Cys残基中的 SH结合 复合物I传递电子时的能量变化 NADH H CoQNAD CoQH2 电子呼吸链成员 NADH Q还原酶 该反应由两个半反应组成 NADH H NAD 2H 2e 0 315VCoQ 2H 2e CoQH2 0 045V 电子呼吸链成员 复合物I在传递电子的同时伴随有H质子的转移复合物I蛋白氧化态还原态构象的改变 complex 2 琥珀酸 Q还原酶 电子呼吸链成员 复合物II存在于线粒体内膜 包括琥珀酸脱氢酶和3个小亚基和Fe S簇 Cyb560 琥珀酸脱氢酶的辅基是FAD FAD接受氢生成FADH2 FADH2中的两个电子经Fe S中心传递给CoQ 从而进入电子传递链 电子呼吸链成员 琥珀酸FAD2Fe延胡索酸FADH22Fe 琥珀酸 2 3 2H 琥珀酸延胡索酸 2H 2e0 031VCoQ 2H 2eCoQH20 045V琥珀酸 CoQ延胡索酸 CoQH2 产生的自由能 4 6KJ mol不够合成ATP 1 3 CoQ 泛醌 简写为Q 或辅酶Q CoQ 它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体 是一种脂溶性醌类化合物 人和哺乳动物CoQ的侧链有10个异戊二烯单位 n 10 以Q10表示 电子呼吸链成员 辅酶Q的功能 CoQ 醌型结构 很容易接受电子和质子 还原成CoQH2 还原型 CoQH2给出电子和质子还原成CoQ 因此 它在线粒体呼吸链中是电子和质子的传递体 不能从底物接受氢 CoQ在线粒体内膜中有结合到膜上的 也有游离的 CoQ不仅接受NADH脱氢酶催化脱下的氢 还接受线粒体其它脱氢酶催化脱下的氢 如琥珀酸脱氢酶 脂酰辅酶A脱氢酶及黄素酶类脱下的氢 所以 CoQ在电子传递链中处于中心地位 在黄素蛋白类和细胞色素类之间作为一种特殊灵活的载体而起作用 琥珀酸 4 CoQ 细胞色素c还原酶 complex 细胞色素还原酶 ISP Fe S蛋白 铁卟啉 Cytb Cytc1作用 催化电子从CoQ转移到细胞色素c Q循环 电子呼吸链成员 细胞色素还原酶是含铁卟啉辅基的结合蛋白 简写为Cyt 铁卟啉辅基的铁原子处于卟啉环的中心 构成血红素 各种细胞色素的辅基结构略有不同 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a b c和c1等 组成它们的辅基分别为血红素A B和C 细胞色素a b c可以通过它们的紫外 可见吸收光谱来鉴别 细胞色素主要通过血红素中Fe3 Fe2 的互变起传递电子的作用 氧化型细胞色素 无光谱吸收细胞色素还原型细胞色素 有 三个吸收峰 峰随细胞色素类型不同而有变化 细胞色素b c c1 a和aa3 膜结合蛋白但细胞色素b中血红素与蛋白是非共价键结合 并有两个血红素结合部位 bH和bL bH 靠近基质bL 靠近膜间空间 Q循环p337 电子呼吸链成员 5 细胞色素C 细胞色素C 球形蛋白 104个AA组成 溶于水作用 在复合体III和IV之间传递电子 细胞色素c Cytc 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体 位于线粒体内膜外表 属于膜周蛋白 易溶于水 它与细胞色素c1含有相同的辅基 但是蛋白组成则有所不同 在电子传递过程中 Cytc也是通过Fe3 Fe2 的互变起电子传递中间体作用 电子呼吸链成员 6 细胞色素氧化酶 complex 细胞色素氧化酶 13个亚基组成 核心是3个最大的疏水性亚基有4个氧化 还原活性中心 血红素a a3 CuA CuB作用 将电子传递给O2 最终生成2H2O 线粒体基质 内膜空间 Cyta a3 结构相同 所处位置不同 性质亦不同CuA CuB 所处位置不同 结合的蛋白不同 势能不同 电子传递的抑制剂 呼吸毒物 阻断电子传递某些物质能抑制呼吸链传递氧和电子 使氧化作用受阻 自由能释放减少 不能合成分子ATP 呼吸毒物 阿米妥 鱼藤酮 抗霉素A CO CN 等 抑制部位 ATPATPATPFMN代谢物 NADH Fe S CoQ Cytb Cytc1 c aa3 O2 阿的平阿米妥 麻醉药 抗霉素ACOCN 鱼藤酮 杀虫药 N3 NADHCoQCytc FeO2 4HNADCoQH2Cytc Fe2H2O 3 2 NADH Q还原酶 CoQ Cytc还原酶 Cytc氧化酶 4H4H2H 第三节 氧化磷酸化 O2 H e 氧化磷酸化 营养物分解 肌肉收缩 物质转运信息传递 腺体分泌 ADP ATP 电子传递与氧化磷酸化的实质 需氧细胞内糖类 脂类 蛋白质等通过各自的分解途径所形成的还原型辅酶 包括NADH和FADH2通过电子传递链被重新氧化 还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下 其电子沿着一系列的电子载体传递 最后转移给分子氧 而质子和负离子型氧结合成水 在电子传递过程中释放出的大量自由能使ADP磷酸化生成ATP 在传递过程中 电子的传递仅发生在相邻的电子载体之间 线粒体内膜与氧化磷酸化线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所 是组织细胞的 发电厂 线粒体内膜 外膜的化学组成有显著的区别 外膜 磷脂 胆固醇含量高 Pro含量低内外膜间隙 腺苷酸激酶 核苷酸激酶等内膜 一些脱氢酶 氧化呼吸链有关的酶 ATP合成酶基质 催化糖有氧分解 脂肪酸氧化 氨基酸分解和Pro生物合成的酶 ATP的形成 底物磷酸化ATP形成方式氧化磷酸化 底物磷酸化 底物水平磷酸化当底物代谢时 因脱氢 脱水等作用使分子内部发生能量重新分布而形成高能磷酸化合物 然后将高能磷酸基团转给ADP形成ATP的方式 是生物体在缺氧条件下 如剧烈运动 厌氧微生物获取能量的主要方式 底物水平磷酸化 ADP ATP 氧化磷酸化 在生物氧化过程中 底物脱出的氢或电子沿呼吸链向氧传递 同时形成膜外的质子 H 梯度 该浓度梯度的解消与ADP Pi载获能量合成ATP相偶联 这种氧化的过程称为氧化磷酸化 呼吸链底物H eO2氧化 能量偶联 ADP H3PO4ATP磷酸化 供生命活动 生化反应需要 NADHCoQCytc FeO2 4HNADCoQH2Cytc Fe2H2O 3 2 NADH Q还原酶 CoQ Cytc还原酶 Cytc氧化酶 4H4H2H ADPATP 一 化学渗透学说 1961年Peter Mitchell 呼吸链存在于线粒体内膜 当氧化进行时 电子传递的自由能起质子泵的作用 质子从线粒体的基质部位被泵到线粒体的膜间空隙 形成了质子浓度内低外高的浓度梯度 PH差1 4 从而产生了跨膜的化学电位差 此质子推动力可用来推动ATP的酶促合成 质子梯度的形成 质子转移的机制假说质子泵机制复合体酶的构象变化 使转移质子的氨基酸交替暴露在膜的两侧 实现质子的移位 质子流 支持化学渗透学说的实验结果 A 氧化磷酸化在膜完整的线粒体体系才能进行B H OH K Cl 不能自由通过内膜C 通过测定 线粒体内膜两侧存在电化学梯度D 当把一pH梯度强加于线粒体内膜 在没有电子传递的情况下也有ATP合成E 加入携带H 穿过线粒体内膜的物质 如2 4 二硝基苯酚 能使氧化作用与磷酸化作用解偶联 二 ATP合成酶 F1单元FO单元结构 线粒体内膜的球状小体分头 柄 基底三部分 称ATP合成酶 F0F1ATP酶 系F1 3 3 多亚