生物氧化与电子传递与氧化磷酸化

1、1.代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子代谢物分子脱氢，并解离成氢离子和电子;2.氢离子和氢离子和电子经过一系列中间载体传给氧电子经过一系列中间载体传给氧分子，生成水分子，生成水;3.H+和和O2-结合成结合成H2O,并释放能量并释放能量;一一.生物氧化过程生物氧化过程第2页/共73页二二. .生物氧化的方式和特点生物氧化的方式和特点1. 生物氧化与燃烧的区别生物氧化与燃烧的区别化学本质：化学本质：消耗消耗O2，产物，产物CO2，H2O释放能量：逐步释放能量：逐步燃烧，高温，爆发式，高热能光能燃烧，高温，爆发式，高热能光能氧化方式：氧化方式：脱氢脱氢加氧脱羧加氧脱羧第3页/共73页w生物氧化在

2、一系列氧化生物氧化在一系列氧化- -还原酶催化下分步还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。w在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式：方式：脱氢加氧脱羧脱氢加氧脱羧生物氧化的方式生物氧化的方式第4页/共73页二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点1.1. 生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和体温）。和体温）。2.2. 氧化进行过程中，必然伴随还原反应的发生。氧化进行过程中，必然伴随还原反应的发生

3、。3.3. 在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如通常由各种载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。第5页/共73页4. 4. 生物氧化是一个分步进行的过程。每一生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，步都由特殊的酶催化，生物氧化的速度生物氧化的速度可以可以调节或控制调节或控制。5. 5. 生物氧化生物氧化逐步逐步释放的能量，通过与释放的能量，通过与ATPATP合合成相偶联，转换成生物体能够直接利用成相偶联，转换成生物

4、体能够直接利用的生物能的生物能ATPATP。第6页/共73页电子传递电子传递w 一物质脱氢（失电子）被氧化，必然有另一物质接一物质脱氢（失电子）被氧化，必然有另一物质接受氢（得电子）被还原，相伴发生。受氢（得电子）被还原，相伴发生。w 机体内不存在游离的电子或氢原子，故从底物分机体内不存在游离的电子或氢原子，故从底物分子脱下的电子或氢原子必然被另一物质接受子脱下的电子或氢原子必然被另一物质接受。递氢体、电子传递体递氢体、电子传递体第7页/共73页第二节氧化还原电势第二节氧化还原电势氧化氧化阳极阳极负极负极还原还原阴极阴极正极正极原电池示意图原电池示意图=E正极-E负极第8页/共73页电极电势的

5、计算第9页/共73页第10页/共73页第11页/共73页标准电动势和平衡常数这间的关系第12页/共73页w 问：问：如果将琥珀酸如果将琥珀酸(延胡索酸延胡索酸/琥珀酸氧化还原电位琥珀酸氧化还原电位+003v)加到硫酸铁和硫酸亚铁加到硫酸铁和硫酸亚铁(高铁亚铁氧化高铁亚铁氧化还原电位还原电位+0077V)的平衡混合液中，可能发生的的平衡混合液中，可能发生的变化是变化是 ( )w A硫酸铁的浓度将增加硫酸铁的浓度将增加w B硫酸铁的浓度和延胡羧酸的浓度将增加硫酸铁的浓度和延胡羧酸的浓度将增加w C高铁和亚铁的比例无变化高铁和亚铁的比例无变化w D硫酸亚铁和延胡羧酸的浓度将增加硫酸亚铁和延胡羧酸的浓

6、度将增加w E硫酸亚铁的浓度将降低，延胡羧酸的浓度将硫酸亚铁的浓度将降低，延胡羧酸的浓度将增加增加第13页/共73页第三节电子传递和氧化呼吸链第三节电子传递和氧化呼吸链需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和和FADH，经过电子传递途径被重新氧化。还原型，经过电子传递途径被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子形式脱下，其电子沿着一辅酶上的氢原子以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子传递体，最后传递给分子氧，质子和系列的电子传递体，最后传递给分子氧，质子和离子型氧结合而成水。在电子传

7、递过程中释放出离子型氧结合而成水。在电子传递过程中释放出的大量自由能则使的大量自由能则使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP。(p118)细胞内的细胞内的线粒体线粒体是生物氧化的主要场所是生物氧化的主要场所第14页/共73页一电子传递过程w 还原型的辅酶通过电子传递再氧化，这个过程叫还原型的辅酶通过电子传递再氧化，这个过程叫电子传递过程电子传递过程。电子传递过程包括电子从还原型。电子传递过程包括电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增顺序排列的辅酶通过一系列按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。w 电子传递和形成电子传递

8、和形成ATP形成的偶联机制称为形成的偶联机制称为氧化磷氧化磷酸化酸化。氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用是电子在沿着电子传递链是电子在沿着电子传递链传递过程中所伴随的将传递过程中所伴随的将ADP磷酸化而形成磷酸化而形成ATP的的全过程。这个过程又称为氧化呼吸或呼吸代谢。全过程。这个过程又称为氧化呼吸或呼吸代谢。第15页/共73页w NADH+1/2O2 NAD+H2Ow G0=-220.7kj/mol(-52.6kcal/mol)w FADH2 +1/2O2 FAD+H2Ow G0=-181.58kj/mol(-43.4kcal/mol)w 细胞对代谢物质的彻底氧化是形成细胞对代谢物质的彻底氧化是形

9、成CO2和和H2O。CO2是通过柠檬酸循环产生；是通过柠檬酸循环产生；H2O则是在电子传递过程的最后产生。则是在电子传递过程的最后产生。第16页/共73页二二呼吸链的建立呼吸链的建立1.1.呼吸链的概念呼吸链的概念w 呼吸链又称电子传递链呼吸链又称电子传递链（electron transfer chain），指排列在线粒体内膜上，由一系列递，指排列在线粒体内膜上，由一系列递氢体和电子传递体按一定顺序排列组成的氢体和电子传递体按一定顺序排列组成的连续连续酶促反应体系酶促反应体系。第17页/共73页2.呼吸链的建立呼吸链的建立1.氢激活学说氢激活学说（19001920年）：年）：Wieland提出

10、：氢的提出：氢的激活是生物氧化的主要过程，而氧分子不需要激活，即激活是生物氧化的主要过程，而氧分子不需要激活，即可与被激活的氢原子结合。可与被激活的氢原子结合。 2.氧激活学说：氧激活学说：1913年，年，Warburg发现，极少量的氰化发现，极少量的氰化物即能全部抑制组织与细胞对氧的利用，而氰化物对于物即能全部抑制组织与细胞对氧的利用，而氰化物对于脱氢酶并没有抑制。氰化物与铁原子可以形成非常稳定脱氢酶并没有抑制。氰化物与铁原子可以形成非常稳定的化合物（铁氰化物）。的化合物（铁氰化物）。于是提出：生物氧化作用需要一种含铁的呼吸酶，这种于是提出：生物氧化作用需要一种含铁的呼吸酶，这种呼吸酶起着激

11、活分子氧的利用，氧的激活是生物氧化的呼吸酶起着激活分子氧的利用，氧的激活是生物氧化的主要步骤。主要步骤。(氰化物能抑制对分子氧的利用）氰化物能抑制对分子氧的利用）第18页/共73页3.匈牙利的科学家将两种学说合并在一起，提出在匈牙利的科学家将两种学说合并在一起，提出在生物氧化过程中氢的激活和氧的激活都是需要生物氧化过程中氢的激活和氧的激活都是需要的，还提出在呼吸酶与脱氢酶之间起传递电子的，还提出在呼吸酶与脱氢酶之间起传递电子作用的是黄素蛋白类物质。作用的是黄素蛋白类物质。1925年年Keilin 提出：提出：细胞色素起着连续传递电子的作用。细胞色素起着连续传递电子的作用。应该指出：直到现在有关

12、呼吸链电子传递及应该指出：直到现在有关呼吸链电子传递及ATP生成的机制还未全部阐明，还有待于进一步深生成的机制还未全部阐明，还有待于进一步深入研究。入研究。第19页/共73页三电子传递链的内容三电子传递链的内容由由NADH到到O2的电子传递链主要由蛋白质的电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为复合体组成，大致分为4部分，分别称为部分，分别称为NADH-Q还原酶，琥珀酸还原酶、细胞色还原酶，琥珀酸还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶。素还原酶和细胞色素氧化酶。传递体传递电子的顺序：按照它们的还原传递体传递电子的顺序：按照它们的还原电势大小可排成序列，这个序列正符合它电势大小可排成序列，这个

13、序列正符合它们们对电子亲和力的不断增加对电子亲和力的不断增加顺序。顺序。第20页/共73页呼吸链上的酶系第21页/共73页第22页/共73页四与呼吸链有关的酶和电子载四与呼吸链有关的酶和电子载体体第23页/共73页1NADHQ还原酶还原酶w NADHQ还原酶又称为还原酶又称为NADH脱氢酶脱氢酶(NADH dehydrogenase)，简，简称为复合体称为复合体I，是一个具有相对分子质量，是一个具有相对分子质量88000的大蛋白质分子，至的大蛋白质分子，至少包含有少包含有34条多肽链。分别由核和线粒体两个不同的基因组编码条多肽链。分别由核和线粒体两个不同的基因组编码构成。在电子传递链中共有构成

14、。在电子传递链中共有3个质子泵个质子泵(proton pump)，该酶是第一，该酶是第一个质子泵。个质子泵。w 该酶的作用是先与该酶的作用是先与NADH结合并将结合并将NADH上的两个高势能电子转移上的两个高势能电子转移到到FMN辅基上，使辅基上，使NADH氧化，并使氧化，并使FMN还原，反应如下：还原，反应如下：NADH十十H十十FMNFMNH2十十NAD FMN既可接受两个电子形成既可接受两个电子形成FMNH2，又可接受一个电子，或由，又可接受一个电子，或由FMNH2给出一个电子形成一个稳定的半醌中间产物，给出一个电子形成一个稳定的半醌中间产物， 第24页/共73页第25页/共73页铁硫蛋

15、白铁硫蛋白w NADHQ还原酶辅基还原酶辅基FMNH2上的电子又转移到铁上的电子又转移到铁硫聚簇上，铁硫聚簇上，铁-硫聚簇的符号是硫聚簇的符号是Fe-S。它是。它是NADH-Q还原酶的第二种辅基。还原酶的第二种辅基。Fe-S聚簇与蛋白质相结合称为聚簇与蛋白质相结合称为铁铁-硫蛋白，又称非血红素铁蛋白硫蛋白，又称非血红素铁蛋白(nonheme iron proteins)。w 铁硫蛋白是一种与电子传递有关的蛋白质，铁硫蛋白是一种与电子传递有关的蛋白质，铁硫蛋白铁硫蛋白在线粒体内膜上常与其他递氢体或递电子体在线粒体内膜上常与其他递氢体或递电子体(黄素蛋黄素蛋白或细胞色素白或细胞色素)构成复合物存在

16、构成复合物存在。它主要以。它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式存在。形式存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变化变化起传递电子的作用起传递电子的作用第26页/共73页Fe3+ + e Fe2+ 在复合体中将在复合体中将FMNH2上电子传递给泛醌上电子传递给泛醌第27页/共73页2 2 泛醌泛醌w （简写为（简写为Q Q）或辅酶）或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：它是电子传递链中唯）：它是电子传递链中唯一的非蛋白

17、电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。Q Q ( (醌型结构醌型结构) ) 很容易接受电子和质子，还原成很容易接受电子和质子，还原成QHQH2 2（还（还原型）；原型）；QHQH2 2也容易给出电子和质子，重新氧化成也容易给出电子和质子，重新氧化成Q Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10第28页/共73页COQ的还原第29页/共73页3. 琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶w 琥珀酸琥珀酸Q Q还原酶又称为复合体还原酶又称为复

18、合体，它是嵌在线粒体内，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。完整的酶还包括柠檬酸循环中使琥珀酸氧膜的酶蛋白。完整的酶还包括柠檬酸循环中使琥珀酸氧化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。FADH2FADH2作为该酶的辅基作为该酶的辅基在传递电子时并不与酶分离，只是将电子传递给琥珀酸在传递电子时并不与酶分离，只是将电子传递给琥珀酸脱氢酶分子的铁脱氢酶分子的铁- -硫聚簇。电子经过铁硫聚簇。电子经过铁- -硫聚簇又传递给硫聚簇又传递给CoQCoQ，从而进入了电子传递链。琥珀酸，从而进入了电子传递链。琥珀酸Q Q还原酶的还原酶的CoQCoQ辅基和辅基和NADHNADH还原酶中的辅基已证明具有完

19、全相同的结构还原酶中的辅基已证明具有完全相同的结构和性质。和性质。w 琥珀酸琥珀酸Q Q还原酶以及其他的酶，将电子从还原酶以及其他的酶，将电子从FADHFADH2 2转移到转移到CoQCoQ上的标准氧还电势变化不能产生足够的自由能用以上的标准氧还电势变化不能产生足够的自由能用以合成合成ATPATP。因此，这一步反应没有。因此，这一步反应没有ATPATP的形成。但是，这的形成。但是，这一步反应的重要意义在于，它保证一步反应的重要意义在于，它保证FADHFADH2 2上的具有相对上的具有相对高转移势能的电子进入电子传递链。高转移势能的电子进入电子传递链。 第30页/共73页4细胞色素还原酶细胞色素

20、还原酶w 细胞色素还原酶的名称多种多样，又细胞色素还原酶的名称多种多样，又称复合体称复合体，辅酶，辅酶Q细胞色素细胞色素c还原还原酶、细胞色素酶、细胞色素bcl复合体复合体(cytochrome bcl complex)或简称或简称bcl等。等。第31页/共73页细胞色素细胞色素w 细胞色素细胞色素（简写为（简写为cyt.cyt.）是一类含有血红素辅是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因含有血红素所基的电子传递蛋白质的总称。因含有血红素所以显红色或褐色。以显红色或褐色。 是含铁的电子传递体，辅基是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心铁原子处于

21、卟啉环的中心。各种细胞色素的辅基结构略有不同。根据不同各种细胞色素的辅基结构略有不同。根据不同的吸光值，细胞色素分为的吸光值，细胞色素分为a, b, c a, b, c 三类，线粒三类，线粒体电子传递链至少含有体电子传递链至少含有5 5种不同细胞色素，称为种不同细胞色素，称为细胞色素细胞色素b b、c c、c c1 1、a a1 1、a a3 3。w 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变起传的互变起传递电子的作用的。递电子的作用的。第32页/共73页第33页/共73页6.细胞色素氧化酶 细胞色素氧化酶又称为细胞色素c氧化酶、复合体(complex )

22、。w 哺乳动物细胞色素氧化酶的相对分子质量大约为20万，是嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白，氧化还原的活性中心是两个a型血红素和两个铜离子,两个血红素一个是血两个血红素一个是血红素红素a,另一个是血红素另一个是血红素a3.第34页/共73页细胞色素氧化酶结构图第35页/共73页呼吸链电子传递实验证据：1、从、从NAD+到分子氧，每一电子传递体的氧化到分子氧，每一电子传递体的氧化-还还原电势逐步增加。原电势逐步增加。第36页/共73页氧化能力增强氧化能力增强即：即：得电子能力增强得电子能力增强不能越级氧化不能越级氧化电子传递只能电子传递只能沿呼吸链依次沿呼吸链依次进行进行第37页/共73页 2用分离出的

23、电子传递体进行重组实验表明，用分离出的电子传递体进行重组实验表明，NADH脱氢酶脱氢酶可使可使NADH还原，但是不能直接使细胞色素还原，但是不能直接使细胞色素b、c或细胞色素或细胞色素aa3还原。还原。 同样，同样，NADH不能直接与细胞色素不能直接与细胞色素c起作用，必须起作用，必须经过辅酶经过辅酶Q和细胞色素和细胞色素b和和cl后才能再与细胞色素后才能再与细胞色素c起作用。起作用。 3在分离呼吸链的各成分中，从线粒体中分离到一些传递在分离呼吸链的各成分中，从线粒体中分离到一些传递体的复合物，这些复合物在传递功能上都是有顺序地联在一体的复合物，这些复合物在传递功能上都是有顺序地联在一起的。起

24、的。 4最直接的证据是用分光光度法通过吸收光谱的变化来测最直接的证据是用分光光度法通过吸收光谱的变化来测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化还原状态。还原状态。测定结果表明：在呼吸链的测定结果表明：在呼吸链的NAD+一端，电子传递体的还原性一端，电子传递体的还原性最强。而在靠近氧一端，电子传递体最强。而在靠近氧一端，电子传递体(细胞色素细胞色素aa3)几乎全部几乎全部处于氧化状态。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底物到处于氧化状态。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底物到氧的方向，氧化程度逐渐升高。氧的方向，氧化程度逐渐升高。第38页/共73页五电

25、子传递的抑制剂五电子传递的抑制剂w 能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为质称为电子传递抑制剂电子传递抑制剂。第39页/共73页电子传递抑制剂电子传递抑制剂w 1.鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素，它们的鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素，它们的作用是阻断电子由作用是阻断电子由NADH向向COQ的传递。的传递。鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用作重鱼藤酮是一种极毒的植物物质，常用作重要的杀虫剂。要的杀虫剂。第40页/共73页电子传递抑制剂电子传递抑制剂w 2.抗霉素抗霉素A，是由链霉素分离出的抗菌素，是由链霉素分离出的抗菌素，有抑制电子从细胞色素有抑制电子从细胞色素b不

26、细胞色素不细胞色素c1传传递的作用。递的作用。w 3.氰化物、硫化氢、叠氮化物、一氧化碳氰化物、硫化氢、叠氮化物、一氧化碳等，有阻断电子由细胞色素等，有阻断电子由细胞色素aa3传至氧的传至氧的作用。作用。第41页/共73页鱼藤酮、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A 巴比妥巴比妥抗霉素抗霉素A二巯基丙二巯基丙醇醇CO、NaN3、氰化物中毒氰化物中毒致死致死寡霉素寡霉素第42页/共73页第四节氧化磷酸化作用第四节氧化磷酸化作用w 氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。的基础，是主要的能量来源。第43页/共73页一线粒体的结构一线粒体的结构第44页/共73

27、页二氧化磷酸化的概念二氧化磷酸化的概念w 氧化磷酸化作用是氧化磷酸化作用是ATP的生成与电子传递的生成与电子传递相偶联的机制。相偶联的机制。偶联部位的确定方法：偶联部位的确定方法：测定测定P/O比值比值第45页/共73页P/O比与比与ATP形成部位形成部位w 1 1、P/OP/O比值：在氧化磷酸化过程中，磷酸酯化比值：在氧化磷酸化过程中，磷酸酯化消耗磷原子和消耗氧原子的比例，这比例相当消耗磷原子和消耗氧原子的比例，这比例相当于一对电子通过呼吸链电子传递传给氧所产生于一对电子通过呼吸链电子传递传给氧所产生的的ATPATP分子数分子数(p131)(p131)。w 当前较一至认为当前较一至认为NAD

28、HNADH氧化脱电子，经过呼吸链氧化脱电子，经过呼吸链电子传递所测得的电子传递所测得的P/OP/O比为比为3 3。w 而且而且ATPATP是在三个不连续的部位生成的。是在三个不连续的部位生成的。第46页/共73页1. ATP生成的三个部位生成的三个部位w 第一个部位是在第一个部位是在NADH和和辅酶辅酶Q之间，之间，w 第二个部位第二个部位是在辅酶是在辅酶Q和细胞色素之间和细胞色素之间w 部位部位III是在细胞色素是在细胞色素a和和氧之间氧之间。第47页/共73页ATP 生成部位电位差(V)自由能变化(KJ/mol)NAD+ CoQ0.3669.5CoQ Cytc0.2140.5Cytaa3

29、O20.53102.3每生成每生成1摩尔摩尔ATP需能约需能约30.5kJ第48页/共73页2 能量偶联假说能量偶联假说w 三种假说三种假说w 化学偶联假说化学偶联假说w 结构偶联假说结构偶联假说w 化学渗透假说化学渗透假说第49页/共73页1.化学偶联假说化学偶联假说w 认为电子传递和认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列生成的偶联是通过一系列连续化学反应，面形成一个连续化学反应，面形成一个高能共价中间物高能共价中间物，随后裂解将其能量供给随后裂解将其能量供给ATP的合成的合成第50页/共73页2.构象偶联假说构象偶联假说认为电子沿呼吸链传递使粒体内膜蛋白组分变认为电子沿呼吸链传递使粒体

30、内膜蛋白组分变构形成一种高能形式，后者将能量传给构形成一种高能形式，后者将能量传给F0F1ATP酶分子而使之能化，酶分子而使之能化， F0F1ATP酶的复酶的复原即将能量提供给原即将能量提供给ATP的合成并从酶上游离下的合成并从酶上游离下来。来。第51页/共73页3.化学渗透假说化学渗透假说 w 1961年，英国的生物化学家年，英国的生物化学家Peter Mitchell 最先提出。他认为电子传递释放出的自由最先提出。他认为电子传递释放出的自由能和能和ATP合成是一种跨线粒体内膜的质子合成是一种跨线粒体内膜的质子梯度（梯度（proton gradient)。w 化学渗透假说于化学渗透假说于19

31、78年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。第52页/共73页化学渗透假说的内容化学渗透假说的内容w 1.1.在电子传递与在电子传递与ATPATP形成偶联作用的因子是形成偶联作用的因子是跨膜质子梯度和电化学梯度。跨膜质子梯度和电化学梯度。w 2.2.质子不能透过线粒体内膜，电子传递链质子不能透过线粒体内膜，电子传递链相当了一个质子泵，把质子从线粒体内侧相当了一个质子泵，把质子从线粒体内侧泵向外侧，泵向的结果形成一个胯膜质子泵向外侧，泵向的结果形成一个胯膜质子梯度。梯度。w 3.3.当当H H为胯膜质子梯度所驱使，通过为胯膜质子梯度所驱使，通过F F0 0F F1 1ATPATP酶分子上特殊通道回流到膜

32、内里，酶分子上特殊通道回流到膜内里，释放自由能，产生释放自由能，产生ATPATP第53页/共73页化学渗透假说可以解释很多现象：w （1）氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒体内膜存）氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒体内膜存在在;w （2）线粒体内膜对）线粒体内膜对H+、OH、K+、Cl等离子都是不等离子都是不通透的通透的w （3）破坏）破坏H+浓度梯度的形成都必然破坏氧化磷酸化作浓度梯度的形成都必然破坏氧化磷酸化作用的进行用的进行;w （4）线粒体电子传递所形成的电子流能够从线粒体内）线粒体电子传递所形成的电子流能够从线粒体内膜逐出膜逐出H+离子离子;w （5）大量直接或间接实验证据表明，膜

33、表面不仅能滞）大量直接或间接实验证据表明，膜表面不仅能滞留大量质子，而且在一定的条件下，质子沿膜表面迅速留大量质子，而且在一定的条件下，质子沿膜表面迅速的转移，其速度超过在大量水相中的速度。的转移，其速度超过在大量水相中的速度。第54页/共73页化学渗透假说示意图第55页/共73页跨膜质子移动示意图跨膜质子移动示意图第56页/共73页三 质子梯度的形式w 电子传递使复合体,推动H+跨过线粒体内膜到线粒体的间隙, H+跨膜流动的结果造成线粒体内部基质H+浓度低于间隙.线粒体内部基质形成负电势,而间隙形成正电势，这样产生电化学梯度即电动势，称为质子动势。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。第57

34、页/共73页四四ATPATP的生成的生成w ATPATP的生成是由一个酶复合体系完成的，的生成是由一个酶复合体系完成的，这个复合体系称为这个复合体系称为ATPATP合酶。合酶。第58页/共73页（1 1）ATPATP合酶复合体合酶复合体w 线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为球状颗粒，称为ATPATP酶复合体，是酶复合体，是ATPATP合成的场合成的场所。所。w ATPATP合酶，含有合酶，含有5 5种不同的亚基（按种不同的亚基（按3 3 、3 3 、1 1 、1 1 和和1 1 的比例结合）。的比例结合）。OSCPOSCP为一个蛋白，

35、是能为一个蛋白，是能量转换的通道。量转换的通道。F F0 0为一个疏水蛋白，是与线粒为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。体电子传递系统连接的部位。w 线粒体呼吸链的电子传递过程是在内膜上线粒体呼吸链的电子传递过程是在内膜上进行的。进行的。第59页/共73页 胞液胞液ATP合酶合酶ATP合酶催化跨膜质子梯度形成合酶催化跨膜质子梯度形成ATP，位于线粒体膜内侧，位于线粒体膜内侧球状头部球状头部F1，催化，催化ATP生成生成F0构成质子通道构成质子通道F0和和F1之间的柄部之间的柄部OSCP：寡霉素敏感蛋：寡霉素敏感蛋白白第60页/共73页ATP合成合成第61页/共73页五氧化磷酸化的

36、解偶联和抑制氧化磷酸化的影响因素氧化磷酸化的影响因素1.解偶联剂解偶联剂2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂3.离子载体抑制剂离子载体抑制剂第62页/共73页1.解偶联剂解偶联剂使电子传递与磷酸化（使电子传递与磷酸化（ATP合成）解耦联，不合成）解耦联，不影响电子传递，但影响电子传递，但ATP不能合成，如不能合成，如2，4二二硝基苯酚（硝基苯酚（DNP）2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制这类试剂的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用，如寡霉素作用，如寡霉素第63页/共73页

37、w 离子载体抑制剂离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质。通过增加线粒体内膜对这是一类脂溶性物质。通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程，一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程，如缬氨霉。如缬氨霉。第64页/共73页 六六 细胞溶胶内细胞溶胶内NADH的再氧化的再氧化w 细胞溶胶内的NADH不能透过线粒体内膜进人线粒体氧化。因此通过两种“穿梭”途径解决NADH再氧化问题。一种称为甘油3磷酸穿梭途径，另一种称为苹果酸一天冬氨酸穿梭途径。 第65页/共73页1甘油甘油3磷酸穿梭途径磷酸穿梭途径w 由糖酵解过程产生的由糖酵解过程产生的NADH虽不能穿过线粒体内膜，但虽不能穿过线粒体内膜

38、，但是是NADH上的电子却可以进入到线粒体内膜。在这里起上的电子却可以进入到线粒体内膜。在这里起电子载体电子载体(carrier)作用的即是甘油作用的即是甘油3磷酸磷酸(glycerol3phosphate)。后者可以容易地穿梭于线粒体的内膜，。后者可以容易地穿梭于线粒体的内膜，起到穿梭起到穿梭(shuttle)搬运作用，搬运作用，第66页/共73页第67页/共73页2苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭途径天冬氨酸穿梭途径w 在心脏和肝脏细胞溶胶内在心脏和肝脏细胞溶胶内NADH的电子进入的电子进入线粒体是通过苹果酸线粒体是通过苹果酸天冬氨酸穿梭途径。这天冬氨酸穿梭途径。这条途径是在细胞溶胶中条途径是在细

39、胞溶胶中NADH的电子由细胞溶的电子由细胞溶胶的苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使后者转变胶的苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使后者转变为苹果酸，同时为苹果酸，同时NADH即氧化为即氧化为NAD+。苹果酸。苹果酸通过苹果酸通过苹果酸-酮戊二酸载体穿过线粒体膜。进酮戊二酸载体穿过线粒体膜。进入线粒体内膜的苹果酸在线粒体内膜基质内被入线粒体内膜的苹果酸在线粒体内膜基质内被NAD+氧化失去电子又转变为草酰乙酸，氧化失去电子又转变为草酰乙酸，NAD+又形成又形成NADH(在基质内在基质内)。 第68页/共73页第69页/共73页 九九 氧的不完全还原氧的不完全还原 前面已经阐明，氧由细胞色素氧化酶彻底还原需要4个

40、电子。但在其他的一些氧化反应中会产生一些部分还原的氧的形式。任何来源的电子，例如，半胱氨酸的巯基(或还原型的维生素C，都很容易使氧发生不完全还原，形成氧的自由基(Oxygen radicals)。一个电子使氧还原形成超氧化物负离子，两个电子使氧还原形成过氧化氢，3个电子使氧还原形成羟自由基。反应式如下：第70页/共73页w 不完全还原形式的氧反应性极强，对机体非常有害。羟不完全还原形式的氧反应性极强，对机体非常有害。羟自由基是其中最强的氧化剂也是最活跃的诱变剂自由基是其中最强的氧化剂也是最活跃的诱变剂(mutagen)(mutagen)。这种自由基当机体受到电离辐射时就会产。这种自由基当机体受

41、到电离辐射时就会产生。生。w 生物要存活必须将这些毒性极强的高活性氧转变为活性生物要存活必须将这些毒性极强的高活性氧转变为活性较小的形式。需氧细胞有几种主要的自我保护机制使机较小的形式。需氧细胞有几种主要的自我保护机制使机体免受不完全还原氧的侵害。体免受不完全还原氧的侵害。w 其中最主要的一种方式是通过酶的作用，包括超氧化物其中最主要的一种方式是通过酶的作用，包括超氧化物歧化酶歧化酶(superoxide dismutase)(superoxide dismutase)、过氧化氢酶、过氧化氢酶(catalase)(catalase)和过氧化物酶和过氧化物酶(peroxidase)(peroxi

42、dase)。 第71页/共73页过氧化氢酶过氧化氢酶2H2O2 2H2O+O2 w 过氧化物酶也可以破坏过氧化氢，但需有一个可提供过氧化物酶也可以破坏过氧化氢，但需有一个可提供电子的化合物作为电供体存在，此电子共体用电子的化合物作为电供体存在，此电子共体用AH2表示。表示。反应如下式：反应如下式：过氧化氢过氧化氢AH2+ H2O2 2H2O2+Aw 谷胱甘肽过氧化物酶是一种含硒的酶，存在于红细谷胱甘肽过氧化物酶是一种含硒的酶，存在于红细胞内。它与谷胱甘肽的氧化相偶联，催化红细胞内过氧胞内。它与谷胱甘肽的氧化相偶联，催化红细胞内过氧化氢的分解。反应如下式：化氢的分解。反应如下式：谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶H2O22GSH GSSG2H2O谷胱甘肽谷胱甘肽 谷胱甘肽谷胱甘肽（还原型）（还原型） （氧化型）