《生物化学》课件-电子传递与氧化磷酸化

第八章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,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CO2的生成三、生物氧化过程中H2O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CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），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。,CO2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CO2。类型：-脱羧和-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧,H2O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H2O。,例：,12O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O2-,2H+,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H2O，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FADH2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O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),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（ironsulfurproteins)3.辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）,NADH,辅酶Q（CoQ）,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,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,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,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,FADH2呼吸链,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,氧化还原电位,电子传递链标准氧化还原自由能变化,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,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,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,铁-硫蛋白,Cytb,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2OG=-nFE=-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1,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:,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）,铁硫蛋白,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（Fe2S2,Fe4S4)，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。,细胞色素,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、c1、a和a3)，cytb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+2HCoQH2,铁硫蛋白的结构及递电子机理,细胞色素血红素的结构,电子传递抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物II,复合物IV,复合物I,复合物III,抗霉素A的抑制部位,NADFPQbcaa3,NADFPQbcaa3,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+PiATP）,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,磷氧比（P/O）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）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Pi，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,FADH2,H2O,H2O,例实测得NADH呼吸链：P/O2.5,实测得FADH2呼吸链：P/O1.5,2e-,2e-,二、氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶联假说1953年EdwardSlater化学偶联假说1964年PaulBoyer构象偶联假说1961年PeterMitchell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,五、能荷,线粒体ATP合酶,氧化磷酸化重建示意图,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(chemiosmotichypothasis),化学渗透假说原理示意图,4H+,4H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+,_,质子流,线粒体内膜,线粒体电子传递和H+排出的数目和途径,H2O,2H+,Cytc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc1,CytbK,Cytbr,Cyta,FeS,Cyta3,2e-,2e-,NADH+H+,NAD+,O2+2H+H2O,4H+,4H+,2H+,复合物III,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Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.,ATP合酶结构示意图,定子,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,基质表面,外表面,ATP酶作用机理,ATP,有于ADP与Pi结合的构象,有于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,磷酸甘油穿梭系统苹果酸天冬氨酸穿梭系统,-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMNCoQbc1caa3O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,磷酸甘油脱氢酶,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,五、能荷,意义：能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算,葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或GTP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ATP分子数并不十分准确，因为质子泵、ATP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，根据当前最新测定，H+经NADH-Q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到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子数依次为4、2和4。合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一个H+，可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传至02，所产生的ATP分子数是2.5个。在细胞色素还原酶的水平进人电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的NADH，它们的电子对只产生1.5个ATP分子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为CO2和水所得到的ATP分子数和过去传统的统计数(36个ATP)少了6个ATP分子，成为30个。,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：30ATP或32ATP,第四节其它氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物