證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的課件

證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的生物工程學(xué)院021班向生光證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)實(shí)1前言三羧酸循環(huán)等呼吸代謝過(guò)程中脫下的氫被NAD+或FAD所接受。細(xì)胞內(nèi)的輔酶或輔基數(shù)量是有限的，它們必須將氫交給其它受體之后，才能再次接受氫。在需氧生物中，氧氣便是這些氫的最終受體。這種有機(jī)物在生物活細(xì)胞中所進(jìn)行的一系列傳遞氫和電子的氧化還原過(guò)程，稱(chēng)為生物氧化(biologicaloxidation)。生物氧化與非生物氧化的化學(xué)本質(zhì)是相同的，都是脫氫、失去電子或與氧直接化合，并產(chǎn)生能量。然而生物氧化與非生物氧化不同，它是在生活細(xì)胞內(nèi)，在常溫、常壓、接近中性的pH和有水的環(huán)境下，在一系列的酶以及中間傳遞體的共同作用下逐步地完成的，而且能量是逐步釋放的。生物氧化過(guò)程中釋放的能量可被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用，貯存在高能磷酸化合物（如ATP、GTP等）中，以滿足需能生理過(guò)程的需要。前言三羧酸循環(huán)等呼吸代謝過(guò)程中脫下的氫被NAD+或F2概念電子傳遞過(guò)程包括包括電子從還原型輔酶通過(guò)一系列按照電子親和力遞增順序排列的電子載體所構(gòu)成的電子傳遞到氧的過(guò)程。氧化磷酸化作用指的是伴隨電子從底物到氧的傳遞，ADP被磷酸化形成ATP的酶促過(guò)程。概念電子傳遞過(guò)程包括包括電子從還原型輔酶通過(guò)一系列按照電子親3氧化磷酸化的機(jī)理在電子傳遞過(guò)程中所釋放出的自由能是怎樣轉(zhuǎn)入ATP分子中的，這就是氧化磷酸化作用的機(jī)理問(wèn)題。有多種假說(shuō)，如化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)、化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)和構(gòu)象學(xué)說(shuō)。不過(guò)，目前為大家所公認(rèn)的、實(shí)驗(yàn)證據(jù)較充足的是英國(guó)生物化學(xué)家米切爾的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。

氧化磷酸化的機(jī)理在電子傳遞過(guò)程中所釋放出的自由能是怎樣轉(zhuǎn)入A4經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1968年E.Racker等人用超聲波將線粒體破碎，線粒體內(nèi)膜碎可自然卷成顆粒朝外的小膜泡，這種小膜泡稱(chēng)為亞線粒體小泡（submitochondrialvesicle）或亞線粒體顆粒（submitochodrialparticles）。這些亞線粒體小泡具有電子傳遞和磷酸化的功能。如用胰蛋白酶或尿素處理，則小泡外面的顆?？山怆x下來(lái)，這樣的小泡便只能進(jìn)行電子傳遞，而不能使ADP磷酸化生成ATP。如果將這些顆粒重新裝配到無(wú)顆粒的小泡上時(shí)，則小泡又恢復(fù)了電子傳遞和磷酸化相偶聯(lián)的能力。由此可見(jiàn)，由NADH脫氫酶至細(xì)胞色素氧化酶的整個(gè)呼吸鏈的各種組分均存在于線粒體內(nèi)膜中，而顆粒是氧化磷酸化的偶聯(lián)因子，位于內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，它是基粒（ATP酶復(fù)合物）的組分之一。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1968年E.Racker等人用超聲波將線粒5氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)電子傳遞鏈ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)與組成氧化磷酸化作用與電子傳遞的偶聯(lián)氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)電子傳遞鏈6結(jié)論從以上各方面可以得知，線粒體的電子傳遞是由電子傳遞鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而氧化磷酸化也就是ATP的合成是在ATP合成酶中完成的。二者是偶聯(lián)的卻又是相對(duì)獨(dú)立的。從而說(shuō)明電子傳遞和氧化磷酸化是由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)論從以上各方面可以得知，線粒體的電子傳遞是由電子傳遞7THANKYOU!THANKYOU!8電子傳遞鏈所謂呼吸鏈(respiratorychain)即呼吸電子傳遞鏈(electrontransportchain)，是線粒體內(nèi)膜上由呼吸傳遞體組成的電子傳遞總軌道。呼吸鏈傳遞體能把代謝物脫下的電子有序地傳遞給氧，呼吸傳遞體有兩大類(lèi)：氫傳遞體與電子傳遞體。氫傳遞體包括一些脫氫酶的輔助因子，主要有NAD＋、FMN、FAD、UQ等。它們既傳遞電子，也傳遞質(zhì)子；電子傳遞體包括細(xì)胞色素系統(tǒng)和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白。呼吸鏈傳遞體傳遞電子的順序是：代謝物→NAD+→FAD→UQ→細(xì)胞色素系統(tǒng)→O2。電子傳遞鏈所謂呼吸鏈(respiratorychain)即9電子傳遞鏈的組成復(fù)合體I輔酶Q復(fù)合體II復(fù)合體III細(xì)胞色素c復(fù)合體IV電子傳遞鏈的組成復(fù)合體I10化學(xué)滲透假說(shuō)1.呼吸傳遞體不對(duì)稱(chēng)地分布在線粒體內(nèi)膜上呼吸鏈上的遞氫體與電子傳遞體在線粒體內(nèi)膜上有著特定的不對(duì)稱(chēng)分布，彼此相間排列，定向傳遞。2.呼吸鏈的復(fù)合體中的遞氫體有質(zhì)子泵的作用它可以將H+從線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)泵至外側(cè)。一般來(lái)說(shuō)一對(duì)電子從NADH傳遞到O2時(shí),共泵出6個(gè)H+。從FADH2開(kāi)始,則共泵出4個(gè)H+。膜外側(cè)的H+,不能自由通過(guò)內(nèi)膜而返回內(nèi)側(cè),這樣在電子傳遞過(guò)程中，在內(nèi)膜兩側(cè)建立起質(zhì)子濃度梯度(△pH)和膜電勢(shì)差(△E),二者構(gòu)成跨膜的H+電化學(xué)勢(shì)梯度△μH+，若將△μH+轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪妱?shì)V為單位，則為質(zhì)子動(dòng)力。質(zhì)子的濃度梯度越大，則質(zhì)子動(dòng)力就越大，用于合成ATP的能力越強(qiáng)?；瘜W(xué)滲透假說(shuō)113.由質(zhì)子動(dòng)力推動(dòng)ATP的合成質(zhì)子動(dòng)力使H+流沿著ATP酶（偶聯(lián)因子）的H+通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)時(shí)，釋放的自由能推動(dòng)ADP和Pi合成ATP（圖片）。化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)已得到充足的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。當(dāng)把線粒體懸浮在無(wú)O2緩沖液中,通入O2時(shí)，介質(zhì)很快酸化，跨膜的H+濃度差可以達(dá)到1.5pH單位，電勢(shì)差達(dá)0.5V，內(nèi)膜的外表面對(duì)內(nèi)表面是正的,并保持相對(duì)穩(wěn)定，證實(shí)內(nèi)膜不允許外側(cè)的H+滲漏回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)。但當(dāng)加入化學(xué)滲透假說(shuō)解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚(DNP)時(shí)，跨膜的H+濃度差和電勢(shì)差就不能形成，就會(huì)阻止ATP的產(chǎn)生。有人將嗜鹽菌的紫膜蛋白和線粒體ATPase嵌入脂質(zhì)體,懸浮在含ADP和Pi溶液中，在光照下紫膜蛋白從介質(zhì)中攝取H+，產(chǎn)生跨膜的H+濃度差，推動(dòng)ATP的合成。當(dāng)人工建立起跨內(nèi)膜的合適的H+濃度差時(shí)，也發(fā)現(xiàn)ADP和Pi合成了ATP。3.由質(zhì)子動(dòng)力推動(dòng)ATP的合成質(zhì)子動(dòng)力使H+流沿著ATP12線粒體中氧化磷酸化反應(yīng)的一般機(jī)理

線粒體中氧化磷酸化反應(yīng)的一般機(jī)理131.復(fù)合體Ⅰ

又稱(chēng)NADH∶泛醌氧化還原酶(NADH∶ubiquinoneoxidoreductase)。分子量700X103～900X103,含有25種不同的蛋白質(zhì),包括以黃素單核苷酸(flavinmononucleotide,FMN)為輔基的黃素蛋白和多種鐵硫蛋白，如水溶性的鐵硫蛋白(ironsulfurprotein,IP)、鐵硫黃素蛋白(iron

sulfurflavoprotein，F(xiàn)P)、泛醌(ubiquinone,UQ)、磷脂(phospholipid)。復(fù)合體Ⅰ的功能在于催化位于線粒體基質(zhì)中由TCA循環(huán)產(chǎn)生的NADH＋H＋中的2個(gè)H＋經(jīng)FMN轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間空間，同時(shí)再經(jīng)過(guò)Fe-S將2個(gè)電子傳遞到UQ(又稱(chēng)輔酶Q,CoQ)；UQ再與基質(zhì)中的H＋結(jié)合，生成還原型泛醌(ubiquinol,UQH2)。該酶的作用可為魚(yú)藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素A(piericidinA)、巴比妥酸(barbitalacid)所抑制。它們都作用于同一區(qū)域，都能抑制Fe-S簇的氧化和泛醌的還原。

1.復(fù)合體Ⅰ又稱(chēng)NADH∶泛醌氧化還原酶(NADH∶ubi14證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的課件152.復(fù)合體Ⅱ

又稱(chēng)琥珀酸，泛醌氧化還原酶(succinate∶ubiquinoneoxidoreductase)分子量約140×103，含有4～5種不同的蛋白質(zhì)，主要成分是琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase,SDH)、黃素腺嘌呤二核苷酸(flavinadeninedinucleotide,FAD)、細(xì)胞色素b(cytochromeb)和3個(gè)Fe-S蛋白。復(fù)合體Ⅱ的功能是催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并將H轉(zhuǎn)移到FAD生成FADH2，然后再把H轉(zhuǎn)移到UQ生成UQH2。該酶活性可被2-噻吩甲酰三氟丙酮(thenoyltrifluoroacetone,TTFA)所抑制。

2.復(fù)合體Ⅱ又稱(chēng)琥珀酸，泛醌氧化還原酶(succi16證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的課件173.復(fù)合體Ⅲ

又稱(chēng)UQH2∶細(xì)胞色素C氧化還原酶(ubiquinone∶cytochromecoxidoreductase),分子量250×103，含有9～10種不同蛋白質(zhì)，一般都含有2個(gè)Cytb，1個(gè)Fe-S蛋白和1個(gè)Cytc1。復(fù)合體Ⅲ的功能是催化電子從UQH2經(jīng)Cytb→FeS→Cytc1傳遞到Cytc，這一反應(yīng)與跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，即將2個(gè)H＋釋放到膜間空間。也有人認(rèn)為在電子從Fe-S傳到Cytc1之前，先傳遞給UQ，同時(shí)UQ與基質(zhì)中的H+結(jié)合生成UQH2。UQH2再將電子傳給Cytc1，同時(shí)將2個(gè)H+釋放到膜間空間。3.復(fù)合體Ⅲ又稱(chēng)UQH2∶細(xì)胞色素C氧化還原酶(ubiqu18泛醌︰線粒體復(fù)合物Ⅲ（細(xì)胞色素c氧化還原酶）的假想構(gòu)成和膜局部構(gòu)造泛醌︰線粒體復(fù)合物Ⅲ（細(xì)胞色素c氧化還原酶）的假想構(gòu)成和膜194.復(fù)合體Ⅳ

又稱(chēng)Cytc∶細(xì)胞色素氧化酶(Cytc∶cytochromeoxidase)分子量約160～170×103，含有多種不同的蛋白質(zhì)，主要成分是Cyta和Cyta3及2個(gè)銅原子，組成兩個(gè)氧化還原中心即CytaCuA和Cyta3CuB，第一個(gè)中心是接受來(lái)自Cytc的電子受體，第二個(gè)中心是氧還原的位置。它們通過(guò)Cu+Cu2+的變化，在Cyta和Cyta3間傳遞電子。其功能是將Cytc中的電子傳遞給分子氧，氧分子被Cyta3、CuB還原至過(guò)氧化物水平；然后接受第三個(gè)電子，O-O鍵斷裂，其中一個(gè)氧原子還原成H2O；在另一步中接受第四個(gè)電子，第二個(gè)氧原子進(jìn)一步還原。也可能在這一電子傳遞過(guò)程中將線粒體基質(zhì)中的2個(gè)H+轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間空間。CO、氰化物(cyanide,CN-)、疊氮化物(azide,N3-)同O2競(jìng)爭(zhēng)與Cytaa3中Fe的結(jié)合，可抑制從Cytaa3到O2的電子傳遞。4.復(fù)合體Ⅳ又稱(chēng)Cytc∶細(xì)胞色素氧化酶(Cytc20線粒體復(fù)合物Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）的假想結(jié)構(gòu)和膜局部結(jié)構(gòu)

線粒體復(fù)合物Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）的假想結(jié)構(gòu)和膜局部結(jié)構(gòu)

21電子傳遞的方向（圖片）黃素蛋白中的FADH2

琥珀酸-Q還原酶↓NAD→NADH-Q→Q→細(xì)胞色素→細(xì)胞色素c→

還原酶還原酶細(xì)胞色素氧化酶→氧

電子傳遞的方向（圖片）黃素蛋白中的F22圖5-11植物線粒體內(nèi)膜上的復(fù)合體及其電子傳遞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；UQ庫(kù)代表存在于線粒體中的泛醌庫(kù)圖5-11植物線粒體內(nèi)膜上的復(fù)合體及其電子傳遞23ATP合成酶adenosinetriphosphatesynthase，又叫H+-ATP酶復(fù)合物。由8種不同亞基組成,分子量分別是8.2×103～55.2×103，它們又分別組成兩個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合體(F1-F0)。F1從內(nèi)膜伸入基質(zhì)中，突出于膜表面，具有親水性，酶的催化部位就位于其中。F0疏水，嵌入內(nèi)膜磷脂之中，內(nèi)有質(zhì)子通道，它利用呼吸鏈上復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ運(yùn)行產(chǎn)生的質(zhì)子能，將ADP和Pi合成ATP，也能催化與質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)向內(nèi)膜外側(cè)轉(zhuǎn)移相聯(lián)的ATP水解。ATP合成酶adenosinetriphosphates24證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個(gè)不同的課件25圖5-14ATP生成過(guò)程中構(gòu)造變化的模型。F1復(fù)合物有三個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)。每一部位有三種完全不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。松散的核苷酸結(jié)合部位（L），緊密核苷酸結(jié)合部位（T）和開(kāi)放核苷酸結(jié)合部位（O）。在任何時(shí)候。F1復(fù)合物包括這三種不同的結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)與酶復(fù)合物的每一個(gè)催化中心相連。ADP和Pi開(kāi)始被結(jié)合到開(kāi)放狀態(tài)未被占有的部位（1）。質(zhì)子運(yùn)動(dòng)通過(guò)F0釋放能量引起γ亞單位旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)自發(fā)改變了三個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)的構(gòu)造。結(jié)合有ATP的T型被轉(zhuǎn)變成O型，ATP被釋放出來(lái)。同時(shí)，結(jié)合有ADP和Pi的L型被轉(zhuǎn)化成T型，疏水性的結(jié)合正有利于ATP生成。第上步中結(jié)合ADP和Pi的開(kāi)放部位轉(zhuǎn)化或松散型結(jié)構(gòu)（2）。被緊密結(jié)合的ADP和Pi轉(zhuǎn)化生成ATP，此步驟不需消耗能量和構(gòu)型改變（3）

圖5-14ATP生成過(guò)程中構(gòu)造變化的模型。26氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑

1.解偶聯(lián)劑(uncoupler)2.抑制劑(depressant)

3.離子載體抑制劑(ionophoredepressant)氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑

1.解偶聯(lián)劑(uncouple271.解偶聯(lián)劑(uncoupler)

植物在遇到干旱或某些化學(xué)物質(zhì)作用時(shí)，會(huì)抑制ADP形成ATP的磷酸化作用，但不抑制電子傳遞，使電子傳遞產(chǎn)生的自由能以熱的形式散失掉,導(dǎo)致氧化過(guò)程與磷酸化作用不偶聯(lián),這就是氧化磷酸化解偶聯(lián)現(xiàn)象。能對(duì)呼吸鏈產(chǎn)生氧化磷酸化解偶聯(lián)作用的化學(xué)試劑叫解偶聯(lián)劑。最常見(jiàn)的解偶聯(lián)劑有DNP，含有一個(gè)酸性基團(tuán)的DNP是脂溶性的，可以穿透線粒體內(nèi)膜，并把一個(gè)H+從膜外帶入膜內(nèi)，從而破壞了跨內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，抑制了ATP的生成。解偶聯(lián)時(shí)會(huì)促進(jìn)電子傳遞的進(jìn)行，O2的消耗加大。1.解偶聯(lián)劑(uncoupler)

植物在遇到干旱或某些282.抑制劑(depressant)

抑制劑與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于,這類(lèi)試劑不僅抑制ATP的形成，還同時(shí)抑制O2的消耗。這是因?yàn)橄窆衙顾?oligomycin)這一類(lèi)的化學(xué)物質(zhì)可以阻止膜間空間中的H+通過(guò)ATP合成酶的Fo進(jìn)入線粒體基質(zhì)，這樣不僅會(huì)阻止ATP生成，還會(huì)維持和加強(qiáng)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì),對(duì)電子傳遞產(chǎn)生反饋抑制,O2的消耗就會(huì)相應(yīng)減少。

2.抑制劑(depressant)

抑制劑與解偶聯(lián)劑的區(qū)293.離子載體抑制劑(ionophoredepressant)

離子載體抑制劑與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于它不是H+載體，而是可能和某些陽(yáng)離子結(jié)合，生成脂溶性的復(fù)合物，并作為離子載體使這些離子能夠穿過(guò)內(nèi)膜，這樣就增大了內(nèi)膜對(duì)某些陽(yáng)離子的通透性；同時(shí)因?yàn)樵谵D(zhuǎn)運(yùn)陽(yáng)離子到基質(zhì)中時(shí)消耗了自由能，降低了質(zhì)子動(dòng)力，從而抑制了ATP的形成。例如纈氨霉素(valinomycin)與K＋形成的復(fù)合物較易通過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，會(huì)抑制氧化磷酸化過(guò)程。3.離子載體抑制劑(ionophoredepressant30氧化磷酸化作用與電子傳遞的偶聯(lián)氧化還原的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。氫原子的轉(zhuǎn)移其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移，因?yàn)镠原子可分解為H+

與e-。當(dāng)電子從NADH或FADH2

經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過(guò)程稱(chēng)為氧化磷酸化。氧化磷酸化是生成ATP的一種主要方式，是細(xì)