电子传递体系与氧化磷酸化2

1、电子传递电子传递 抑制剂抑制剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 III鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO抗霉素抗霉素 A的的抑制部位抑制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸链的比拟图解呼吸链的比拟图解第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用一、 氧化磷酸化氧化磷酸化和和磷氧比（磷氧比（P/OP/O）的概念的概念二、二、氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理三三、氧化磷酸化的解偶联和抑制氧化磷酸

2、化的解偶联和抑制四、四、线粒体外线粒体外NADHNADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用五、五、葡萄糖彻底氧化生成葡萄糖彻底氧化生成ATPATP的总结算的总结算六、六、能荷能荷 氧化磷酸化氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成合成ATP（即即ADP+PiATPATP）, ,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程

3、中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能磷氧比（磷氧比（ P/O ）呼吸过程中无机磷酸（呼吸过程中无机磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比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，而每生成一分子氧原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子消耗一分子P Pi i ，因此，因此P/O的数值相当于的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATPATP分子数。分子数。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H

4、 H2 2O OH H2 2O O例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP二、氧化磷酸化的偶联机理二、氧化磷酸化的偶联机理 1 1、线粒体、线粒体ATPATP合酶合酶（mitochondrial ATPasemitochondrial ATPase）2 2、能量偶联假说、能量偶联假说 195

5、31953年年 Edward Slater Edward Slater 化学偶联假说化学偶联假说 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说3 3、质子梯度质子梯度的形成的形成4 4、ATPATP合成的机制合成的机制19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖线粒体线粒体ATP合酶合酶 氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATP

6、ATPH H+ +H H+ +H H+ +基质基质膜间隙膜间隙电子传递链电子传递链 电子传递的自由能电子传递的自由能驱动驱动H H+ +从线粒体基质从线粒体基质跨过内膜进入到膜间跨过内膜进入到膜间隙，从而形成隙，从而形成H H+ +跨线跨线粒体内膜的电化学梯粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化度，这个梯度的电化学势学势( ( H H+ + ) )驱动驱动ATPATP的合成。的合成。化学渗透假说化学渗透假说( (chemiosmotic hypothasis)chemiosmotic hypothasis)化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2

7、H+2H+ ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 线粒体电子传递和线粒体电子传递和H H+ +排出的数目和途径排出的数目和途径H H2 2O O2 2H H+ +CytcCytcCytcCytcCytcCytcQ QFMNFMNFeSFeSFeSFeSCytcCytc1 1CytbCytbK KCytbCytbr rCytaCytaFeSFeSCytaCyta3 32 2e e- -2 2e e- -NADH+HNADH+H+ +NADNAD+ +O O2

8、 2 +2H+2H+ + H H2 2O O4 4H H+ +2 2H H+ +2 2H H+ +复合物复合物 III12BoyerBoyer和和WalkerWalker的工作的工作 英国科学家英国科学家Walker通过通过x光衍射获得高分辩率的牛心光衍射获得高分辩率的牛心线粒体线粒体ATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构， 证明在证明在ATP酶合成酶合成ATP的催的催化循环中三个化循环中三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了从而有力地支持了Boyer的假说。的假说。 Boyer和和Walker共同获得共同获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 美国科学家美国科

9、学家Boyer为解释为解释ATP酶作用机理酶作用机理,提出提出旋转催化旋转催化假说，认为假说，认为ATP合成酶合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于有利于ADP和和Pi结合，一种构象结合，一种构象(T)可使结合的可使结合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三种构象第三种构象(O)使合成的使合成的ATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜变化，所需能量由跨膜H+提供。提供。ATPaseATPase的旋转催化模型的旋转催化模型ATPATP合酶结

10、构示意图合酶结构示意图四、四、 线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用 磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统 酵解酵解（细胞质）（细胞质）氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体） - -磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）苹果酸苹果酸- -草酰乙酸穿梭作用草酰乙酸穿梭作用细胞液细胞液线粒体内膜体线粒体内膜体天冬

11、氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、 、 、 为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外五、能五、能 荷荷定义式：能荷定义式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AM

12、P 意义意义： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相对数量决的相对数量决定，数值在定，数值在01之间，反之间，反映细胞能量水平。映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可能荷对代谢的调节可通过通过ATP 、 ADP和和AMP作为代谢中某些酶分子的作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节别构效应物进行变构调节来实现。来实现。能荷能荷相相对对速速率率ATP的利用途径的利用途径 ATP的的生成途径生成途径能荷对能荷对ATP的生成途径和的生成途径和ATP的利用途径相对速率的的利用途径相对速率的 影响影响葡萄糖彻底氧化生成葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算的总结算 葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形

13、成的葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或或GTP的分子数，根据的分子数，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分子数并不十分分子数并不十分准确，因为质子泵、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，值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定， H+经经NADH-Q还原酶、细胞还原酶、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，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

14、侧时，一对电子泵出的质子数依次为一对电子泵出的质子数依次为4、2和和4。合成一个。合成一个ATP分子是由分子是由3个个H+通过通过ATP合酶所驱动，多余的一个合酶所驱动，多余的一个H+ ，可能用于将可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从。因此一对电子从NADH传至传至02，所产生的，所产生的 ATP分子数是分子数是2.5个。在细胞色素个。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，它它们的电子对只产生们的电子对只产生1.5个个ATP分子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为分

15、子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为CO2和和水所得到的水所得到的ATP分子数和过去传统的统计数分子数和过去传统的统计数(36个个ATP)少了少了6个个ATP分子，成分子，成为为30个个。葡萄糖完全氧化产生的葡萄糖完全氧化产生的ATPATP酵解阶段：酵解阶段： 2 ATP 2 1 NADH兑换率兑换率 1:2.5 (或或1.5)2 ATP2 (1.5或或2.5 ATP )三羧酸循环：三羧酸循环：2 1 GTP 2 3 NADH 2 1 FADH22 1 ATP2 7.5 ATP2 1.5 ATP兑换率兑换率 1:2.5兑换率兑换率 1:1.5丙酮酸氧化：丙酮酸氧化：2 1NADH兑换率兑换率 1

16、：2.52 2.5 ATP总计：总计：30 ATP 或或 32 ATP第四节第四节 其它氧化系统其它氧化系统 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，它与物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在一些其它氧化系统，其特点是从底物脱氢到在一些其它氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的其它氧化系统如下：生物体内主要的其它氧化系统如下： 多酚氧化酶系统多酚氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶系统抗坏血酸氧化酶系统 黄素蛋白氧化酶系统黄素蛋白氧化酶系统 超氧化物歧化酶氧化