生物氧化呼吸鏈和氧化磷酸化

1、生物氧化呼吸鏈和氧化磷酸化第七章第七章 生物氧化生物氧化 序言序言第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的結構與功能線粒體的結構與功能第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈）第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化 生物細胞將糖、脂、蛋白質等燃料分子氧化分解,最終生成CO2和H2O并釋放出能量的作用稱為生物氧化(biological oxidation)。生物氧化的能量是逐步釋放的；生物氧化的能量是逐步釋放的；生物氧化過程中產(chǎn)生的能量儲存在高能化生物氧化過程中產(chǎn)生的能量儲存在高能化合物（合物（主要是主要是ATPATP）中；中；生物氧化具有嚴格的細胞內(nèi)定位：生物氧化具有嚴格的細胞內(nèi)定位： 原核生物原核生物

2、 細胞膜細胞膜 真核生物真核生物 線粒體線粒體節(jié)首章首高能磷酸化合物舉例 生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接形成形成ATP，大部分是以還原型輔酶，大部分是以還原型輔酶NADH和和FADH2形式貯存的；形式貯存的；本章將重點討論這些還原型輔酶被氧化、生本章將重點討論這些還原型輔酶被氧化、生成成ATP的過程，即的過程，即電子傳遞電子傳遞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： 與生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸與生物氧化作用

3、相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉移而使化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉移而使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： 從一個高能化合物（例如從一個高能化合物（例如1,3-1,3-二磷酸甘油酸），將二磷酸甘油酸），將磷?；D移給磷酰基轉移給ADPADP形成形成ATPATP的過程稱為底物水平磷酸化的過程稱為底物水平磷酸化作用，即作用，即ATPATP的形成直接與一個代謝中間物上的磷?；男纬芍苯优c一個代謝中間物上的磷酰基轉移相耦聯(lián)。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成轉移相耦聯(lián)。底物水平磷酸

4、化不需要氧，是酵解中形成ATPATP的機制。的機制。 在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)，相關的酶嵌入線粒體內(nèi)膜。線粒體中體內(nèi)，相關的酶嵌入線粒體內(nèi)膜。線粒體中的氧化磷酸化是由兩個緊密偶聯(lián)的過程構成的氧化磷酸化是由兩個緊密偶聯(lián)的過程構成的：的：線粒體的線粒體的NADH和和FADH2通過呼吸電子傳遞通過呼吸電子傳遞鏈（鏈（respiratory electrontransport chain）被氧化；被氧化；質子濃度梯度可作為自由能庫。質子濃度梯度可作為自由能庫。第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的結構與功能線粒體的結構與功能一、線粒體的基本特征一、線粒體的基本特征 真核

5、生物中，氧化磷酸化在線粒體中進行。真核生物中，氧化磷酸化在線粒體中進行。 u外膜含蛋白相對較少，容許分子量小于外膜含蛋白相對較少，容許分子量小于1000010000的離子和水的離子和水溶性代謝物跨膜擴散；溶性代謝物跨膜擴散；u內(nèi)膜含有豐富的蛋白質，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成內(nèi)膜含有豐富的蛋白質，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成“嵴嵴”，使得表面積大大增加。內(nèi)膜容許不帶電荷的分子（例如水、使得表面積大大增加。內(nèi)膜容許不帶電荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的極性分子和離子不能自由分子氧和二氧化碳）通透，但大的極性分子和離子不能自由通透，需要特殊的跨膜轉運蛋白協(xié)助才行；通透，需要特殊的跨膜轉運蛋

6、白協(xié)助才行；u線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為“膜間隙膜間隙”，膜間隙中含，膜間隙中含有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。u執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應的復合物以及執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應的復合物以及ATP合成酶合成酶復合物都嵌在內(nèi)膜中。復合物都嵌在內(nèi)膜中。u線粒體基質中含有丙酮酸脫氫酶、及催化檸檬酸循環(huán)線粒體基質中含有丙酮酸脫氫酶、及催化檸檬酸循環(huán)和脂肪酸氧化的大多數(shù)酶。和脂肪酸氧化的大多數(shù)酶。二、線粒體的跨膜轉運系統(tǒng)二、線粒體的跨膜轉運系統(tǒng) 在線粒體外反應產(chǎn)生的在線粒體外反應產(chǎn)生的NADH不能直接通過呼吸鏈進不能直接通過呼吸鏈進行氧化

7、磷酸化，如行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脫氫反應和乳酸脫氫磷酸甘油醛脫氫反應和乳酸脫氫反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)生的NADH； 線粒體外的線粒體外的NADH不能自由通過線粒體內(nèi)膜，必須借助某不能自由通過線粒體內(nèi)膜，必須借助某些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質才能進行電子傳遞，這就些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質才能進行電子傳遞，這就是所謂穿梭機制。體內(nèi)主要有兩種穿梭機制。是所謂穿梭機制。體內(nèi)主要有兩種穿梭機制。 在哺乳在哺乳動物的肝動物的肝臟和其它臟和其它的某些組的某些組織，存在織，存在著活躍的著活躍的蘋果酸蘋果酸-天天冬氨酸穿冬氨酸穿梭 機 制 。梭 機 制 。主要存在于哺乳動物的肌肉和腦組織中。 第二節(jié)第二節(jié)

8、 電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈（呼吸鏈）線粒體的內(nèi)膜中有線粒體的內(nèi)膜中有5種與氧化磷酸化有關的種與氧化磷酸化有關的蛋白質復合物，每種復合物都催化能量轉蛋白質復合物，每種復合物都催化能量轉換過程中的某一部分反應。換過程中的某一部分反應。I至至IV復合物含復合物含有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而復合物復合物V是是ATP合成酶。合成酶。標準還原電位（單位為伏特）與標準自由標準還原電位（單位為伏特）與標準自由能的變化（單位為能的變化（單位為kJ/mol）有直接的關系：）有直接的關系： N NADHDH氧化呼吸鏈 是細胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因為生物氧化過程中絕大多

9、數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶：返回琥珀酸氧化呼吸鏈 由琥珀酸脫氫酶復合體、CoQ和細胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細胞色素b：返回線粒體中某些重要底物氧化時的呼吸鏈返回煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADNAD）黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸（FMNFMN和和FADFAD）鐵硫蛋白（鐵硫中心）鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（泛醌（CoQCoQ）細胞色素（細胞色素（ CytaCyta 、CytbCytb、CytcCytc）節(jié)首章首煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 利用分子中煙酰胺基團的可逆性還原而遞氫，還原形成的N

10、ADH即可參與組成呼吸鏈而進行電子傳遞。 NAD和NADH結構示意圖返回 返回鐵硫蛋白（鐵硫中心）鐵硫蛋白（鐵硫中心） 分子中常含2或4個Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個對酸不穩(wěn)定硫，其中一個Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉移到泛醌上。返回泛醌泛醌 是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結構能進行可逆的加氫反應，故也屬于遞氫體。返回細胞色素細胞色素細胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下： 2CytFe3+ + 2e 2CytFe2+細胞色素細胞色素 是屬于色蛋白類的結合蛋白質，輔基是鐵卟啉

11、的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細胞內(nèi)，故稱為細胞色素。根據(jù)其結構與吸收光譜的不同可將細胞色素分為a、b和c三類。 細胞色素細胞色素c c的結構示意圖的結構示意圖返回第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化一、化學滲透理論一、化學滲透理論 Mitchell在在1961年提出了氧化磷酸化的機制年提出了氧化磷酸化的機制化學滲透理論（化學滲透理論（chemiosmotic theory）。）。Mitchell認為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生認為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質子濃度梯度，而這一質跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質子濃度梯度，而這一質子梯度又可以進一步驅動子梯度又可以進一步驅動ATP的形成

12、。的形成?；瘜W滲透理論主要包括以下幾點內(nèi)容：化學滲透理論主要包括以下幾點內(nèi)容：偶聯(lián)需要完整的線粒體內(nèi)膜。膜對帶電的溶劑偶聯(lián)需要完整的線粒體內(nèi)膜。膜對帶電的溶劑是不通透的，否則質子濃度梯度將消失，離子是不通透的，否則質子濃度梯度將消失，離子代謝物通過特殊的轉運體跨過膜。代謝物通過特殊的轉運體跨過膜。通過電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質子濃度梯度，通過電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質子濃度梯度，使得線粒體內(nèi)膜外側（膜間隙）的使得線粒體內(nèi)膜外側（膜間隙）的H濃度升濃度升高。高。位于線粒體內(nèi)膜上的位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶在跨膜的質子合成酶在跨膜的質子轉 移 驅 動 反 應 中 催 化轉 移 驅 動 反 應

13、中 催 化 A D P 磷 酸 化 。磷 酸 化 。二、二、ATPATP合成機制合成機制 1979年年Paul Boyer提出了提出了ATP合成的結合合成的結合-變換機制（變換機制（binding-change mechanism），），他認為：他認為： ATP合成酶含有合成酶含有3個催化部位，在任一給定時個催化部位，在任一給定時間，每一部位處于不同的構象：開、松弛、或緊間，每一部位處于不同的構象：開、松弛、或緊縮。所有縮。所有3個催化部位都依次經(jīng)歷上述個催化部位都依次經(jīng)歷上述3種構象變種構象變化?；TP 的形成和釋放主要涉及以下幾個步驟：的形成和釋放主要涉及以下幾個步驟： 一分子的一分子

14、的ADP和和Pi結合在開部位。結合在開部位。質子跨過線粒體內(nèi)膜進入基質，引起質子跨過線粒體內(nèi)膜進入基質，引起3個催個催化部位發(fā)生構象變化。開構象（含有新結化部位發(fā)生構象變化。開構象（含有新結合的合的ADP和和Pi）轉變?yōu)樗沙诓课?，已被）轉變?yōu)樗沙诓课?，已被ADP和和Pi填充的松弛部位轉變?yōu)榫o縮部位，填充的松弛部位轉變?yōu)榫o縮部位，載有載有ATP的緊縮部位轉變?yōu)殚_部位。的緊縮部位轉變?yōu)殚_部位。ATP從開部位被釋放出來，同時在緊縮部從開部位被釋放出來，同時在緊縮部位位ADP和和Pi縮合形成縮合形成ATP。三、三、P/OP/O比比 指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生

15、的ATP分分子數(shù)。子數(shù)。 ATP合成與質子濃度梯度緊密偶聯(lián)，即ATP合成伴隨著質子濃度梯度的下降。三個電子復合物I、III和IV傳遞大約導致線粒體內(nèi)的10個H轉移到膜間隙（復合物I轉移4個H ；復合物III轉移4個H ；復合物IV轉移2個H ）。經(jīng)ATP合成酶流回線粒體基質可以驅動2.5個ATP的合成。 而象那樣從支路復合物而象那樣從支路復合物II進入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復合物進入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復合物III傳傳遞到復合物遞到復合物IV，只能驅動，只能驅動6個質子的轉移。而象對二（二甲氨個質子的轉移。而象對二（二甲氨基）苯二胺那樣直接提供基）苯二胺那樣直接提供2個電子給復合物個電子給復合物IV

16、可以使可以使2個質子轉個質子轉移到膜間隙。移到膜間隙。四、四、氧化磷酸化抑制劑 氧化磷酸化抑制劑可分為三類，即呼吸抑呼吸抑制劑、磷酸化抑制劑制劑、磷酸化抑制劑和解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑。一、呼吸抑制劑 這類抑制劑抑制呼吸鏈的電子傳遞，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基礎，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸鏈某一特定部位被抑制后，其底物一側均為還原狀態(tài)，其氧一側均為氧化態(tài)，這很容易用分光光度法(雙波長分光光度計)檢定，重要的呼吸抑制劑有以下幾種：1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：專一抑制NADHCoQ的電子傳遞。2、抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分離得到，專一抑制CoQCyt c的電子傳遞。3

17、、氰化物、疊氮化物、CO、H2S：抑制細胞色素c氧化酶。二、磷酸化抑制劑 這類抑制劑抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定會抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可與F0的OSCP(p189)結合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。 三、解偶聯(lián)劑(uncoupler) 解偶聯(lián)劑使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可以進行，而磷酸化不能進行。解偶聯(lián)劑作用的本質是增大線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而無ATP生成。解偶聯(lián)劑只影響氧化磷酸化而不干擾底物水平磷酸化。解偶聯(lián)劑的作用使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發(fā)。新生兒和動物棕色脂肪組織線粒體中有獨特的解偶聯(lián)蛋白，使氧化磷酸化處于

18、解偶聯(lián)狀態(tài)，這對于維持他們的體溫十分重要。常 用 的 解 偶 聯(lián) 劑 有 2 ， 4 - 二 硝 基 酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。習題習題 1. 化學滲透學說要點是什么？化學滲透學說要點是什么？ 2. 2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)機制是什么？二硝基苯酚的解偶聯(lián)機制是什么？ 3. 注射注射2,4-二硝基苯酚到動物體內(nèi)可能引起二硝基苯酚到動物體內(nèi)可能引起什么現(xiàn)象？為什么？什么現(xiàn)象？為什么？ 4. 簡述簡述ADP對呼吸鏈的調(diào)控作用。對呼吸鏈的調(diào)控作用。 5. 比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制劑和解偶