生物氧化呼吸链和氧化磷酸化

1、生物氧化呼吸链和氧化磷酸化第七章第七章 生物氧化生物氧化 序言序言第一节第一节 线粒体的结构与功能线粒体的结构与功能第二节第二节 电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化 生物细胞将糖、脂、蛋白质等燃料分子氧化分解,最终生成CO2和H2O并释放出能量的作用称为生物氧化(biological oxidation)。生物氧化的能量是逐步释放的；生物氧化的能量是逐步释放的；生物氧化过程中产生的能量储存在高能化生物氧化过程中产生的能量储存在高能化合物（合物（主要是主要是ATPATP）中；中；生物氧化具有严格的细胞内定位：生物氧化具有严格的细胞内定位： 原核生物原核生物

2、 细胞膜细胞膜 真核生物真核生物 线粒体线粒体节首章首高能磷酸化合物举例 生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接生物体内代谢产生的能量只有一小部分直接形成形成ATP，大部分是以还原型辅酶，大部分是以还原型辅酶NADH和和FADH2形式贮存的；形式贮存的；本章将重点讨论这些还原型辅酶被氧化、生本章将重点讨论这些还原型辅酶被氧化、生成成ATP的过程，即的过程，即电子传递电子传递和和氧化磷酸化氧化磷酸化（electrontransport and oxidative phosphorylation）。）。 氧化磷酸化作用：氧化磷酸化作用： 与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸与生物氧化作用

3、相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使化作用。是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使ADPADP形成高能形成高能ATPATP的作用。的作用。 底物水平磷酸化作用：底物水平磷酸化作用： 从一个高能化合物（例如从一个高能化合物（例如1,3-1,3-二磷酸甘油酸），将二磷酸甘油酸），将磷酰基转移给磷酰基转移给ADPADP形成形成ATPATP的过程称为底物水平磷酸化的过程称为底物水平磷酸化作用，即作用，即ATPATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷酰基的形成直接与一个代谢中间物上的磷酰基转移相耦联。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成转移相耦联。底物水平磷酸

4、化不需要氧，是酵解中形成ATPATP的机制。的机制。 在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内，相关的酶嵌入线粒体内膜。线粒体中体内，相关的酶嵌入线粒体内膜。线粒体中的氧化磷酸化是由两个紧密偶联的过程构成的氧化磷酸化是由两个紧密偶联的过程构成的：的：线粒体的线粒体的NADH和和FADH2通过呼吸电子传递通过呼吸电子传递链（链（respiratory electrontransport chain）被氧化；被氧化；质子浓度梯度可作为自由能库。质子浓度梯度可作为自由能库。第一节第一节 线粒体的结构与功能线粒体的结构与功能一、线粒体的基本特征一、线粒体的基本特征 真核

5、生物中，氧化磷酸化在线粒体中进行。真核生物中，氧化磷酸化在线粒体中进行。 u外膜含蛋白相对较少，容许分子量小于外膜含蛋白相对较少，容许分子量小于1000010000的离子和水的离子和水溶性代谢物跨膜扩散；溶性代谢物跨膜扩散；u内膜含有丰富的蛋白质，向线粒体腔内高度皱褶形成内膜含有丰富的蛋白质，向线粒体腔内高度皱褶形成“嵴嵴”，使得表面积大大增加。内膜容许不带电荷的分子（例如水、使得表面积大大增加。内膜容许不带电荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的极性分子和离子不能自由分子氧和二氧化碳）通透，但大的极性分子和离子不能自由通透，需要特殊的跨膜转运蛋白协助才行；通透，需要特殊的跨膜转运蛋

6、白协助才行；u线粒体内膜和外膜之间的空隙称为线粒体内膜和外膜之间的空隙称为“膜间隙膜间隙”，膜间隙中含，膜间隙中含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。u执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及执行氧化磷酸化氧化反应的复合物以及ATP合成酶合成酶复合物都嵌在内膜中。复合物都嵌在内膜中。u线粒体基质中含有丙酮酸脱氢酶、及催化柠檬酸循环线粒体基质中含有丙酮酸脱氢酶、及催化柠檬酸循环和脂肪酸氧化的大多数酶。和脂肪酸氧化的大多数酶。二、线粒体的跨膜转运系统二、线粒体的跨膜转运系统 在线粒体外反应产生的在线粒体外反应产生的NADH不能直接通过呼吸链进不能直接通过呼吸链进行氧化

7、磷酸化，如行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脱氢反应和乳酸脱氢磷酸甘油醛脱氢反应和乳酸脱氢反应产生的反应产生的NADH； 线粒体外的线粒体外的NADH不能自由通过线粒体内膜，必须借助某不能自由通过线粒体内膜，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能进行电子传递，这就些能自由通过线粒体内膜的物质才能进行电子传递，这就是所谓穿梭机制。体内主要有两种穿梭机制。是所谓穿梭机制。体内主要有两种穿梭机制。 在哺乳在哺乳动物的肝动物的肝脏和其它脏和其它的某些组的某些组织，存在织，存在着活跃的着活跃的苹果酸苹果酸-天天冬氨酸穿冬氨酸穿梭 机 制 。梭 机 制 。主要存在于哺乳动物的肌肉和脑组织中。 第二节第二节

8、 电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）线粒体的内膜中有线粒体的内膜中有5种与氧化磷酸化有关的种与氧化磷酸化有关的蛋白质复合物，每种复合物都催化能量转蛋白质复合物，每种复合物都催化能量转换过程中的某一部分反应。换过程中的某一部分反应。I至至IV复合物含复合物含有很多辅助因子，它们参与电子传递，而有很多辅助因子，它们参与电子传递，而复合物复合物V是是ATP合成酶。合成酶。标准还原电位（单位为伏特）与标准自由标准还原电位（单位为伏特）与标准自由能的变化（单位为能的变化（单位为kJ/mol）有直接的关系：）有直接的关系： N NADHDH氧化呼吸链 是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多

9、数脱氢酶都是以NAD+为辅酶：返回琥珀酸氧化呼吸链 由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b：返回线粒体中某些重要底物氧化时的呼吸链返回烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADNAD）黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMNFMN和和FADFAD）铁硫蛋白（铁硫中心）铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（泛醌（CoQCoQ）细胞色素（细胞色素（ CytaCyta 、CytbCytb、CytcCytc）节首章首烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的N

10、ADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。 NAD和NADH结构示意图返回 返回铁硫蛋白（铁硫中心）铁硫蛋白（铁硫中心） 分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2或4个对酸不稳定硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。返回泛醌泛醌 是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应，故也属于递氢体。返回细胞色素细胞色素细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下： 2CytFe3+ + 2e 2CytFe2+细胞色素细胞色素 是属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉

11、的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。 细胞色素细胞色素c c的结构示意图的结构示意图返回第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化一、化学渗透理论一、化学渗透理论 Mitchell在在1961年提出了氧化磷酸化的机制年提出了氧化磷酸化的机制化学渗透理论（化学渗透理论（chemiosmotic theory）。）。Mitchell认为：还原型辅酶的氧化可以产生认为：还原型辅酶的氧化可以产生跨膜（线粒体内膜）的质子浓度梯度，而这一质跨膜（线粒体内膜）的质子浓度梯度，而这一质子梯度又可以进一步驱动子梯度又可以进一步驱动ATP的形成

12、。的形成。化学渗透理论主要包括以下几点内容：化学渗透理论主要包括以下几点内容：偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子是不通透的，否则质子浓度梯度将消失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。代谢物通过特殊的转运体跨过膜。通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度，通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度，使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的H浓度升浓度升高。高。位于线粒体内膜上的位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的质子合成酶在跨膜的质子转 移 驱 动 反 应 中 催 化转 移 驱 动 反 应

13、中 催 化 A D P 磷 酸 化 。磷 酸 化 。二、二、ATPATP合成机制合成机制 1979年年Paul Boyer提出了提出了ATP合成的结合合成的结合-变换机制（变换机制（binding-change mechanism），），他认为：他认为： ATP合成酶含有合成酶含有3个催化部位，在任一给定时个催化部位，在任一给定时间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧间，每一部位处于不同的构象：开、松弛、或紧缩。所有缩。所有3个催化部位都依次经历上述个催化部位都依次经历上述3种构象变种构象变化。化。ATP 的形成和释放主要涉及以下几个步骤：的形成和释放主要涉及以下几个步骤： 一分子的一分子

14、的ADP和和Pi结合在开部位。结合在开部位。质子跨过线粒体内膜进入基质，引起质子跨过线粒体内膜进入基质，引起3个催个催化部位发生构象变化。开构象（含有新结化部位发生构象变化。开构象（含有新结合的合的ADP和和Pi）转变为松弛部位，已被）转变为松弛部位，已被ADP和和Pi填充的松弛部位转变为紧缩部位，填充的松弛部位转变为紧缩部位，载有载有ATP的紧缩部位转变为开部位。的紧缩部位转变为开部位。ATP从开部位被释放出来，同时在紧缩部从开部位被释放出来，同时在紧缩部位位ADP和和Pi缩合形成缩合形成ATP。三、三、P/OP/O比比 指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生的指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生

15、的ATP分分子数。子数。 ATP合成与质子浓度梯度紧密偶联，即ATP合成伴随着质子浓度梯度的下降。三个电子复合物I、III和IV传递大约导致线粒体内的10个H转移到膜间隙（复合物I转移4个H ；复合物III转移4个H ；复合物IV转移2个H ）。经ATP合成酶流回线粒体基质可以驱动2.5个ATP的合成。 而象那样从支路复合物而象那样从支路复合物II进入电子传递链的电子经复合物进入电子传递链的电子经复合物III传传递到复合物递到复合物IV，只能驱动，只能驱动6个质子的转移。而象对二（二甲氨个质子的转移。而象对二（二甲氨基）苯二胺那样直接提供基）苯二胺那样直接提供2个电子给复合物个电子给复合物IV

16、可以使可以使2个质子转个质子转移到膜间隙。移到膜间隙。四、四、氧化磷酸化抑制剂 氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂解偶联剂。一、呼吸抑制剂 这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种：1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：专一抑制NADHCoQ的电子传递。2、抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQCyt c的电子传递。3

17、、氰化物、叠氮化物、CO、H2S：抑制细胞色素c氧化酶。二、磷酸化抑制剂 这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定会抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可与F0的OSCP(p189)结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。 三、解偶联剂(uncoupler) 解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成。解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化。解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。新生儿和动物棕色脂肪组织线粒体中有独特的解偶联蛋白，使氧化磷酸化处于

18、解偶联状态，这对于维持他们的体温十分重要。常 用 的 解 偶 联 剂 有 2 ， 4 - 二 硝 基 酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。习题习题 1. 化学渗透学说要点是什么？化学渗透学说要点是什么？ 2. 2,4-二硝基苯酚的解偶联机制是什么？二硝基苯酚的解偶联机制是什么？ 3. 注射注射2,4-二硝基苯酚到动物体内可能引起二硝基苯酚到动物体内可能引起什么现象？为什么？什么现象？为什么？ 4. 简述简述ADP对呼吸链的调控作用。对呼吸链的调控作用。 5. 比较电子传递抑制剂，氧化磷酸化抑制比较电子传递抑制剂，氧化磷酸化抑制剂和解偶