電子傳遞與氧化磷酸化

電子傳遞與氧化磷酸化第一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第八章電子傳遞體系與氧化磷酸化主要內(nèi)容：重點(diǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。對(duì)非線粒體氧化體系作一般介紹。返回第二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一目錄第一節(jié)生物氧化的特點(diǎn)和方式第二節(jié)線粒體電子傳遞體系第三節(jié)氧化磷酸化作用第四節(jié)其它氧化體系（自學(xué)）第三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一節(jié)生物氧化的特點(diǎn)和方式

一、生物氧化的特點(diǎn)二、生物氧化過(guò)程中CO2的生成三、生物氧化過(guò)程中H2O的生成四、有機(jī)物在體內(nèi)氧化釋能的三個(gè)階段

糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過(guò)程稱(chēng)為生物氧化（biologicaloxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。第四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一生物氧化的特點(diǎn)

在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過(guò)程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過(guò)程中既不會(huì)因氧化過(guò)程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。第五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類(lèi)型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO2-2H+第七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個(gè)階段第八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第二節(jié)線粒體電子傳遞體系

一、線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、電子傳遞呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成四、機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化五、電子傳遞抑制劑第九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一線粒體結(jié)構(gòu)第十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一線粒體呼吸鏈

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱(chēng)電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，亦稱(chēng)為呼吸鏈。第十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類(lèi)（flavoproteins,FP）2.鐵-硫蛋白類(lèi)（iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫(xiě)作CoQ）4.細(xì)胞色素類(lèi)（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類(lèi)鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）第十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合體I復(fù)合物IIINADH脫氫酶細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈第十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2e第十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一呼吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降FADH22e-NADH氧化還原電位第十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧化還原自由能變化NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合體I復(fù)合物IIINADH脫氫酶細(xì)胞色素C還原酶細(xì)胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/V第十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一細(xì)胞色素還原酶部分結(jié)構(gòu)模式細(xì)胞色素氧化酶結(jié)構(gòu)示意圖線粒體基質(zhì)17KCytc36KIII21K23K,12K8K,,4K,4K線粒體基質(zhì)(bH)(b566)(bL)(b562)2Fe-2Sc1鐵-硫蛋白

Cytb第十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一NADH呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中自由能變化總反應(yīng):NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反應(yīng)：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中自由能變化第十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一煙酰胺脫氫酶類(lèi)

特點(diǎn)：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機(jī)理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一黃素蛋白酶類(lèi)

特點(diǎn)：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類(lèi)別：黃素脫氫酶類(lèi)（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類(lèi)（如L—氨基酸氧化酶）加單氧酶（如賴(lài)氨酸羥化酶）遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第二十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一鐵硫蛋白

+e

傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+

-e

特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe—S中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第二十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一CoQ

特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。

+2H

傳遞氫機(jī)理：CoQCoQH2

－2H第二十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一細(xì)胞色素

傳遞電子機(jī)理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。

類(lèi)別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類(lèi)，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱(chēng)細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱(chēng)其為末端氧化酶。第二十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2HCoQH2第二十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e第二十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一細(xì)胞色素血紅素的結(jié)構(gòu)傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e波長(zhǎng)/nm

還原型Cytc的吸收光譜第二十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物III魚(yú)藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸鏈的比擬圖解第二十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第三節(jié)氧化磷酸化作用一、

氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理三、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用五、葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算六、能荷

第二十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一氧化磷酸化

代謝物在生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過(guò)程稱(chēng)氧化磷酸化。類(lèi)別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過(guò)程中釋放出的自由能第二十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一磷氧比（P/O

）

呼吸過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱(chēng)為磷氧比。由于在氧化磷酸化過(guò)程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈：P/O~

2.5ADP+PiATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈：P/O~

1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第三十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理

1、線粒體ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶聯(lián)假說(shuō)

1953年EdwardSlater

化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)

1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說(shuō)3、質(zhì)子梯度的形成4、ATP合成的機(jī)制1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)五、能荷第三十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一線粒體ATP合酶第三十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一

氧化磷酸化重建示意圖第三十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)(ΔH+)驅(qū)動(dòng)ATP的合成?；瘜W(xué)滲透假說(shuō)

(chemiosmotichypothasis)第三十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一化學(xué)滲透假說(shuō)原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

第三十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目和途徑H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbKCytbrCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+復(fù)合物III12第三十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Boyer和Walker的工作

英國(guó)科學(xué)家Walker通過(guò)x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)，證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個(gè)β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說(shuō)。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

美國(guó)科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機(jī)理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說(shuō)，認(rèn)為ATP合成酶β亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來(lái)。在ATP合成過(guò)程中，三個(gè)β亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。第三十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型IIIIVIII定子轉(zhuǎn)子

旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過(guò)Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對(duì)稱(chēng)的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.第三十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖定子旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過(guò)Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對(duì)稱(chēng)的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.OSCPF1H+通道FO柄DCCD結(jié)合蛋白基質(zhì)表面外表面第三十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一ATP酶作用機(jī)理

ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象有于ADP與Pi生成的構(gòu)象有利于ATP釋放的構(gòu)象第四十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

蘋(píng)果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）第四十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一-磷酸甘油穿梭（線粒體基質(zhì)）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+線粒體內(nèi)膜（細(xì)胞液）磷酸甘油脫氫酶第四十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一蘋(píng)果酸-草酰乙酸穿梭作用細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-酮戊二酸蘋(píng)果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋(píng)果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)蘋(píng)果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋(píng)果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）呼吸鏈第四十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外第四十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一五、能荷

定義式：能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對(duì)數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間，反映細(xì)胞能量水平。能荷對(duì)代謝的調(diào)節(jié)可通過(guò)ATP、ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。能荷相對(duì)速率ATP的利用途徑

ATP的生成途徑能荷對(duì)ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對(duì)速率的影響第四十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算

葡萄糖分解通過(guò)糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或GTP的分子數(shù)，根據(jù)化學(xué)計(jì)算可以得到明確的答復(fù)。但是氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)橘|(zhì)子泵、ATP的合成以及代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程并不需要是完整的數(shù)值甚至不需要是固定值，根據(jù)當(dāng)前最新測(cè)定，H+經(jīng)NADH-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵出到膜外的細(xì)胞液側(cè)時(shí)，一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和4。合成一個(gè)ATP分子是由3個(gè)H+通過(guò)ATP合酶所驅(qū)動(dòng)，多余的一個(gè)H+，可能用于將ATP從