电子传递氧化磷酸化.ppt

1、概念：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（biological oxidation），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，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。,生物氧化,CO2的生成,方式：生物氧化过程中生成的CO2并不是代谢物上的碳原子与吸入的氧直接化合的结果，而是有机酸脱羧作用生成的。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。根据所脱羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为脱羧和脱羧；又根据反应的同时是否伴有氧化反应，分为单纯脱羧和氧化脱羧。 类型：-脱羧和-脱羧（从

2、脱羧的位置） 氧化脱羧和单纯脱羧 （脱羧方式）,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,氧化磷酸化的P/O比,磷氧比（PO）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。 但是, 近年来很多实验结果都证明，以NADH作为电子供体时，测得的P/O比值大于2,所以P/O比值不一定是整数

3、。例如，-羟丁酸经过NADH途径的P/O比值为2.42.6，产生的ATP数目为2.5；而琥珀酸经过FADH2的P/O比值为1.7，产生的ATP数目为1.5。,目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5 个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。,

4、 10 protons are pumped per NADH, and 6 per FADH2 oxidized via the respiratory chain.,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（eclctron transfer chain), 因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。 柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。,电子传递链的概念,电子传递的方向,在电子传递链中，有

5、一系列电子传递体，这些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位决定的。呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。,NADH,FMN,Fe-S,CoQ,Cytb,Fe-S,Cytc1,Cytc,Cytaa3,O2,FAD,电子传递形成跨膜的质子梯度,在电子传递过程中，还伴随有H+从线粒体内膜的基质侧，向内膜的外侧运输，结果造成跨线粒体内膜的质子梯度，这样在膜内外既造成质子的浓度梯度，又造成电势梯度，这种电化学势梯度贮存有能量，当质子由膜的外侧向内侧运动时，推动ATP合成。,电子传递链,呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组

6、成，在线粒体内膜上有4种参与电子传递的蛋白质复合体，分别为 NADHQ还原酶（NADH-Q reductase） 琥珀酸Q还原酶（succinate-Q reductase） 细胞色素还原酶（cytochrome reductase） 细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）,电子传递链各个成员,1.NADHQ还原酶,NADHQ还原酶又称为NADH脱氢酶，简称为复合体。该酶含有FMN辅基和Fe-S聚簇，催化反应时，先将NADH的电子传递到FMN上，再传给Fe-S聚簇，最后传给辅酶Q。Fe-S聚簇有几种类型，含有Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白，又称为非血红素铁蛋白。 Fe-S聚簇

7、通过其中的Fe2+和Fe3+的变化来传递电子。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用,简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，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。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。 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

8、型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2,2.辅酶Q,辅酶Q (Coenzyme Q)又称泛醌（ubiquinone），有时简称为Q或UQ，是一种脂溶性物质，它可以接受1个电子还原成半醌中间体，再接受1个电子还原成对苯二酚形式。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩散。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的是具有10个异戊二烯单位的侧链，简写为Q10，在非哺乳动物中这个侧链可能只有6-8个异戊二烯单位。,3.琥珀酸Q还原酶,琥珀酸Q还原酶又称为复合体，完整的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子

9、质量约140103，含有一个以FAD为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。 其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。,4.细胞色素还原酶,细胞色素还原酶又称复合体、辅酶Q细胞色素c还原酶。它的作用是将还原型辅酶Q的电子传递给细胞色素c。细胞色素还原酶中含有细胞色素b，也含有2Fe-2S聚簇。,细胞色素（cytochrome),细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。还原型细胞色素具有明显的可见光吸收，可以看到、和三个吸收峰，其中峰的波长随细胞色素种类的不同

10、而各有特异的变化，可用来区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别称为细胞色素a、b和c，同一种细胞色素血红素因结合的蛋白质不同，其吸收峰的波长会发生小的变化，如细胞色素还原酶中含有的细胞色素b就分为bH（b562）和bL（b566）两种。,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

11、为末端氧化酶。,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜中自由扩散，还原型辅酶Q（氢醌） 将一个电子交给Fe-S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。 Q循环是指在线粒体内膜中电子传递链上QH2分别传递一个电子到细胞色素中，即共使2个细胞色素得到电子，从而被氧化。,简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它的作用是将还原型细胞色素c的电子传递给分子O2，生成H2O。它是位于线粒体呼吸链末端

12、的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。 cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,6.细胞色素氧化酶,复合物（细胞色素氧化酶）由6-13条多肽链组成，总的相对分子质量约60103-170103，以二聚体形式存在。每个单体包括细胞色素aa3和含铜蛋白。 其作用是催化电子从还原型细胞色素c传递给氧分子，同时发生质子的跨膜移位。所以复合物既是电子传递体，又是质子移位体。,1、鱼藤酮等 阻断从NADH向CoQ的传递,鱼藤酮（roten

13、one）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。,2、抗霉素A 阻断复合物III的电子传递,抗霉素A（antimycin A），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。,3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S 阻断复合物IV向O2的传递,氰化物（cyanide, CN）、叠氮化物（azide, N3）、一氧化碳（carbon

14、 monoxide, CO）和硫化氢( hydrogen sulphide )，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN）和叠氮化物（N3）能与血红素a3的高铁形式（ferric form）作用而形成复合物,而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3的亚铁形式（ferrous form）。,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,二. 氧化磷酸化作用,底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合 物

15、直接将磷酸基团转移给ADP，使之 磷酸化生成ATP。 氧化磷酸化：NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成ATP的主要途径。,二、氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase） 2、能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 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,这个假

16、说是1953年由Edward Slater最先提出。假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生的能量来驱动ATP的合成。这一假说完全是依据底物水平磷酸化机理提出的，例如在糖酵解中，由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应就产生了一种活泼且具有高能磷酸基转移势能的酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油，随后其分子中的高能磷酸基团在磷酸甘油酸激酶的作用下被转移到ADP生成ATP。虽然在糖酵解过程中存在这种例证，但是人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间物。,化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis,这个假说是196

17、4年由P.D.Boyer提出。该假说认为作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能构象和高能构象。电子传递的结果使低能构象转变为高能构象，后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定的实验根据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化，但由于测定构象比较困难，支持这个假说的实验太少。,构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis,英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出化学渗透假说，他认为电子传递释放出的自由能及ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度

18、相偶联的。也就是说，电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATP合成。由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且Peter Mitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。,化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis,由上述化学渗透假说可知，该模型必需具备两个条件：一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封闭系统，否则质子梯度将不复存在；二是要求呼吸链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起，并定向地传递质子、电子和进行氧化

19、磷酸化反应。,化学渗透假说的实验证据, 氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在。 线粒体内膜对H+、OH、K+、Cl等离子都是不通透的。 破坏H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化作用的进行。 线粒体内膜上的电子传递能够将H+从基质运输到膜间隙。 人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和F1Fo ATP合酶后，在照光时有ATP的合成。,质子转移的两种假设机制,（1）氧化还原回路机制,该机制由Mitchell提出。他认为电子传递链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可以结合H+，当它们被还原时，在膜内侧结合H+，而被氧化时，在膜外侧释放H+，这样就把H+从膜内运到了膜外。,（2）质子泵机制,这个机制的内

20、容是，电子传递导致复合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+，构象变化后在膜外侧释放H+，从而把H+从膜内侧运到膜外。,质子转移的两种假设机制,F1和Fo的亚基组成,F1由5种肽链组成，33。Fo由3种疏水亚基组成，a1b2c9-12。Fo形成跨膜的管道，质子通过此管道流回到膜内侧时驱动ATP合成。F1的、和亚基分别由510、482、272、146和50个氨基酸残基组成，F1的总分子量为371kD。、亚基是同源的，每一个亚基结合有1个ATP，催化位点在亚基上，亚基上ATP结合位点的功能还不清楚，因为缺失这个位点并不影响F1的活性。,该假说是 1964年由美国生物化学家Paul Boyer最先

21、提出，他认为电子传递过程中，线粒体内膜上的蛋白质组分发生了构象变化，转变成一种高能形态。这种高能形态通过将能量转移到ADP合成ATP后，又得以恢复其原来的构象。随着人们对ATP合酶结构的研究和认识不断深入，在构象偶联假说的基础上形成了ATP合酶结合变化和旋转催化假说。,ATP酶-构象偶联假说,当质子推动力驱使H+经F0质子通道进入时，F0组分质子化而发生构象改变，积累足够的扭矩力，推动相对33旋转120，使处于T态的催化部位释放ATP变成O态，同时L态催化部位上生成ATP变为T态，O态结合ADP+Pi变为L态,侧面观 顶面观,解偶联剂（uncoupler）是指那些不阻断呼吸链的电子传递，但能抑

22、制ADP通过磷酸化作用转化为ATP的化合物。它们也被称为氧化磷酸化解偶联剂。 最早发现的一个解偶联剂是2, 4-二硝基苯酚（2, 4-dinitrophenol, DNP），它是一种弱酸性亲脂化合物，在pH7条件下，DNP以解离形式存在，不能通过线粒体内膜。但是在酸性环境中，DNP转变为脂溶性的非解离形式，可携带质子透过线粒体内膜，这样就破坏了电子传递形成的跨膜质子电化学梯度。,氧化磷酸化的解偶联和抑制,在解偶联剂存在时，电子沿呼吸链的传递能正常进行，但不能偶联产生ATP，这样就使电子传递所产生的自由能以热能的形式被消耗。由于DNP解偶联剂只专一性地抑制与呼吸链相偶联的ATP的形成过程，因此，

23、它不会影响底物水平的磷酸化。,1解偶联剂（uncouplers）,H+,H+,线粒体内膜,内,外,这类化合物直接作用于ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。 它们使膜外质子不能通过ATP合酶复合体返回膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。 寡霉素 属于此类抑制剂，它与F0的一个亚基结合而抑制F1。,2氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）,3.离子载体抑制剂,离子载体抑制剂（ionophore）是指那些能与某种离子结合，并作为这些离子的载体携带离子穿过线粒体内膜的脂双层进入线粒体的化合物。 这类抑制剂均是脂溶性物质，它

24、们与解偶联剂的区别在于它们能结合除H+以外的其它一价阳离子，例如缬氨霉素（Valinomycin）可结合K+，短杆菌肽可结合K+、Na+和其它一价阳离子穿过线粒体内膜。因此离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终导致氧化磷酸化过程被抑制。,线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,线粒体外的NADH通过间接的途径 穿梭机制进入线粒体。动物细胞内已知有两个穿梭系统： 磷酸甘油穿梭系统，主要存在于肌细胞； 苹果酸穿梭系统，主要存在于肝细胞。,Bioenergy is chemical energy, studied in terms of free energy

25、 and free energy change (G ). ATP acts as the free energy carrier in cells. Bioenergy is mainly produced via stepwise electron flow (redox reactions) through a series of electron carriers having increasing levels of reduction potential (E). Electrons released from the oxidation of nutrient fuels are

26、 initially channeled to a few universal electron carriers (including NADH and FADH2).,Summary,1. 呼吸链存在于（ ）,A 细胞膜 B 线粒体外膜 C 线粒体内膜 D 微粒体 E 过氧化物酶体,2. 下列哪种物质不是NADH氧化呼吸链的组分？,A. FMN B. FAD C. 泛醌 D. 铁硫蛋白 E. 细胞色素c,3. ATP生成的主要方式是（ ）,A 肌酸磷酸化 B 氧化磷酸化 C 糖的磷酸化 D 底物水平磷酸化 E 高能化合物之间的转化,5 下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（ ）,A 所有高能

27、键都是磷酸键 B 高能磷酸键只存在于ATP C 高能磷酸键仅在呼吸链中偶联 D 有ATP参与的反应也可逆向进行 E 所有的生化转变都需要ATP参与,6. 下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？,A 丙酮酸脱氢酶 B 琥珀酸脱氢酶 C 黄嘌呤氧化酶 D 细胞色素c氧化酶 E SOD,7. 关于线粒体内膜外H+浓度叙述正确的是( ),A 浓度高于线粒体内 B 浓度低于线粒体内 C 可自由进入线粒体 D 进入线粒体需主动转运 E 进入线粒体需载体转运,8. 参与呼吸链电子传递的金属离子是( ),A 铁离子 B 钴离子 C 镁离子 D 锌离子 E 以上都不是,9. 呼吸链中,不具有质子泵功能的是( ),A 复合体 B 复合体 C 复合体 D 复合体 E