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1、第4章 电子传递体系与氧化磷酸化,主要内容：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。,思考,目 录,第一节 生物氧化的特点和方式 第二节 线粒体电子传递体系 第三节 氧化磷酸化作用* 第四节 其它氧化体系（自学）,第一节 生物氧化的特点和方式,一、生物氧化的特点 二、生物氧化过程中CO2的生成 三、生物氧化过程中H2O的生成 四、有机物在体内氧化释能的三个阶段,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
2、一系列氧化还原反应过程。,生物氧化的特点,生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。 对于真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行；在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。,生物氧化的化学本质,氧化还原反应,脱电子、氢，加氧,氧化反应,接受电子、氢，脱氧,还原反应,供电子体或供氢体,受电子体或受氢体,偶联进行,生物氧化与体外燃烧的比较,CO2的生成,方式：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。 类型：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱
3、下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,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,1 、食物中有机大分子在消化道消化降解为有机小分子 如：
4、淀粉葡萄糖 2、有机小分子被细胞摄取，在细胞质内进一步降解为 更小的有机小分子（糖酵解） 如：葡萄糖2丙酮酸 +2ATP 3、有机小分子丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质 丙酮酸+辅酶A乙酰辅酶A+2H+CO2 4、乙酰辅酶A 2CO2+ 8H+ +辅酶A 5、电子传递和氧化磷酸化,能量转换,细胞质,线粒体,第二节 线粒体电子传递体系,一、线粒体结构特点 二、电子传递呼吸链的概念 三、呼吸链的组成 四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 五、电子传递抑制剂,线粒体结构,线粒体呼吸链,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
5、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。 氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。,呼吸链的组成,1. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 3. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀
6、酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,FADH2呼吸链电
7、子传递和水的生成,2e,两种呼吸链的比较:,相同: 1. 将H传递给O2生成水； 2. H和O2消耗，其它可反复使用； 3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。,不同点: NADH呼吸链 琥珀酸呼吸链 普遍程度 较普遍 次要 起始物 NADH FADH2 ATP 2.5 1.5,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,细胞色素还原酶部分结构模式,细胞色素氧化酶结构示意图,铁-硫蛋白,Cyt b,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,烟酰胺脱氢
8、酶类,特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理:,黄素蛋白酶类,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为生物膜组成蛋白,类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,铁硫蛋白,特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成FeS中心。Fe通过蛋白质分子中的4个Cys残基的SH与蛋白质相连结。,CoQ,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,细胞色素,特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为
9、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)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，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，因此亦称其为末端氧化酶。,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH2,铁硫蛋白的结构,细胞色素体系（Cyt）,（1） Cyt的本质,细胞色素 = 酶蛋白 + 血红素,（2） Cyt的分类,30多种,a类：a、a1、a2、 a3 ,b类：b、b17、P450 ,c类：c、c1、c2、 c3 ,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt
10、c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,抗霉素 A的抑制部位,NAD FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸链的比拟图解,第三节 氧化磷酸化作用,一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 六、能荷,氧化磷酸化,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
11、磷酸化。,磷酸化类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,磷酸化,电子传递水平磷酸化：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。 底物水平磷酸化：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生
12、的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 2.5,实测得FADH2呼吸链： P/O 1.5,2e-,2e-,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*,1978年获诺贝尔化学奖,氧还回路 3、质子梯度的形成 质子泵 4、ATP合成的机制,线粒体ATP合酶,氧化磷酸化重建示意图,电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进
13、入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势( H+ )驱动ATP的合成。,化学渗透假说 (chemiosmotic hypothasis),化学渗透假说原理示意图,4H+,4H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,3H+,3H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,线粒体电子传递和H+排出的数目与途径,H2O,2H+,Cytc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc1,CytbL,CytbH,Cyta,FeS,Cyta3,2e-,2e-
14、,NADH+H+,NAD+,O2 +2H+ H2O,4H+,4H+,2H+,Boyer和Walker的工作,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使已合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，
15、三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,ATP合酶结构示意图,定子,OSCP, F6,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,基质表面,外表面,ATP合酶作用机理,ATP,有利于ADP与Pi结合的构象,有利于ATP生成的构象,有利于ATP释放的构象,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基c 寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置 /亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变, 亚基的中心 -螺旋被认为是转子,亚基a和b与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,动画演示1、 2、 3,四、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,
16、 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸天冬氨酸穿梭系统,3-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,甘油-3-磷酸脱氢酶,甘油-3-磷酸脱氢酶,苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,2,4-二硝基苯酚（DNP）的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,CCCP(苯腙羰基氰化物), FCCP(三氟甲氧基苯腙羰基氰化物)具有同样作用。寡霉素、缬氨霉素、短杆菌肽等则具有另外的抑制机制。,五、能 荷,意义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在
17、01之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。（如ATCase）,能荷,相对速率,ATP的利用途径,ATP的生成途径,能荷对ATP的生成途径和ATP 的利用途径相对速率的 影响,能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量。,葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算,葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或GTP的分子数，加上氧化磷酸化产生的ATP分子数构成了葡萄糖彻底氧化所生成的ATP总数。根据测定，H+经NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子
18、数依次为4、4和2。合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一个H+ ，可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传至02，所产生的 ATP分子数是2.5个。在细胞色素还原酶的水平进入电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的NADH，它们的电子对只产生1.5个ATP分子。这样，当一分子葡萄糖彻底氧化为CO2和水所得到的ATP分子数和过去传统的统计数(36个或38个ATP)少了？,6个ATP分子，成为30个或32个。,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：30 ATP 或 32 ATP,* *,* *,第四节 其它氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是
19、一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在一些其它氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的其它氧化系统如下：,多酚氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶系统 黄素蛋白氧化酶系统 超氧化物歧化酶氧化系统 植物抗氰氧化酶系统,问答题,1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体 外氧化异同。 2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？ 3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？ 名词解释 生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 呼吸链 磷氧比（P0） 能荷,