線粒體呼吸鏈課件

呼吸鏈的組成及作用機(jī)理(1)煙酰胺脫氫酶類（nicotinamidedehydrogenases)(或稱吡啶脫氫酶類，pyridinedehydrogenases)(2)黃素酶類（flavoprotein,flavinlinkeddehydrogenase,）或稱NADH脫氫酶（NADHdehydrogenase)黃素單核苷酸（FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)(3)輔酶Q(coenzymeQ,CoQ)(泛醌ubiquinone)(4)細(xì)胞色素類（cytochromes)Cytb,Cytc,Cytc1,Cyta1a3人體重要的呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈（由CoI、Flavoprotein、Iron-sulfurprotein、CoQ、Cytochromecomplex組成)琥珀酸(succinate)氧化呼吸鏈（由SuccinatedHE、CoQ及Cyt復(fù)合物組成兩條重要的氧化呼吸鏈呼吸鏈功能

復(fù)合物的分離

復(fù)合物I和II催化電子由不同的供體（NADH：復(fù)合物I；琥珀酸：復(fù)合物II）轉(zhuǎn)移到泛醌；復(fù)合物III把電子由泛醌傳遞給CytC；復(fù)合物IV完成電子由CytC到O2的傳遞過程。線粒體電子傳遞鏈蛋白質(zhì)組成煙酰胺（吡啶）脫氫酶類

催化底物脫氫的一類酶，屬脫氫酶類，包括脫氫酶復(fù)合物，但它們的輔酶大多相同，主要有兩種：

1.NAD+（CoI）：

NicotinamideAdenineDinucleotide 2.NADP+(CoII):NicotinamideAdenineDinucleotidePhosphate

NAD(P)+的結(jié)構(gòu)NAD(P)H的氧化還原NAD（P）H連接的脫氫酶

催化的一些重要反應(yīng)黃素酶類（NADH脫氫酶） 這類酶是與黃素相關(guān)的脫氫酶或是黃素蛋白，因輔基中含核黃素而得名，線粒體中可能與一種鐵硫蛋白（Iron-sulfurprotein，F(xiàn)e-S）組成復(fù)合體。 種類多，酶蛋白不同，但輔基只有兩種：

黃素單核苷酸（FlavinMononucleotide,FMN),是NADH脫氫酶（FP1）的輔基。 黃素腺嘌呤二核苷酸（FlavinAdenineDinucleotide,FAD)是琥珀酸脫氫酶（FP2）的輔基。 此類酶催化由NADH或琥珀酸分子上脫氫，生成FMNH2或FADH2。FMN(FAD)的氧化還原鐵-硫中心（Iron-sulfurCenters,鐵硫蛋白) 最早由HelmutBeinert發(fā)現(xiàn)，鐵不出現(xiàn)在血紅素中，而與無機(jī)硫原子和/或蛋白質(zhì)Cys殘基的硫原子相連。鐵硫中心（Fe-S）最簡單的是單鐵原子與4個Cys的-SH相連，更復(fù)雜的是有2個或4個鐵原子。Rieske鐵硫蛋白則為1個鐵原子與兩個His殘基相連。 所有的鐵硫蛋白參與一個電子的轉(zhuǎn)移，其中的鐵原子或被氧化、或被還原，線粒體中至少有8個鐵硫蛋白參與電子傳遞。鐵-硫中心

（Iron-sulfurCenters)輔酶Q的氧化還原氧化型泛醌半醌自由基氫醌底物到輔酶Q

的電子流動琥珀酸酯酰輔酶A酯酰輔酶A脫氫酶３－磷酸甘油３－磷酸甘油脫氫酶NADH：CoQ氧化還原酶

（復(fù)合物I，NADH到泛醌）復(fù)合物II：琥珀酸到泛醌

也稱琥珀酸脫氫酶，是TCA循環(huán)中唯一的一個線粒體內(nèi)膜結(jié)合的酶，雖比復(fù)合物I小而簡單，但含有兩類輔基和至少4種不同的蛋白，1個蛋白與FAD及有4個鐵原子的Fe-S中心共價結(jié)合；1個鐵硫蛋白。電子由琥珀酸流向FAD，然后通過Fe-S中心到泛醌。 呼吸鏈上還有其他底物的電子流經(jīng)Q，但不經(jīng)過復(fù)合物II，如脂酰CoA脫氫酶、3-磷酸甘油脫氫酶等（見圖）。復(fù)合物III：泛醌到細(xì)胞色素c

又稱細(xì)胞色素bc1復(fù)合物或泛醌：細(xì)胞色素c氧化還原酶。偶聯(lián)催化電子由氫醌到Cytc的轉(zhuǎn)移和質(zhì)子由膜內(nèi)基質(zhì)向膜外空間的運(yùn)輸。 復(fù)合物III和IV結(jié)構(gòu)的確定（1995-1998，X-射線晶體學(xué)）是線粒體電子轉(zhuǎn)移研究的里程碑。復(fù)合物III是一個由相同單體組成的二聚體，每個單體含有11個不同的亞基。泛醌到CytC：復(fù)合物III

（Cytbc1復(fù)合物或泛醌：CytC氧化還原酶）單體二聚體功能單位Q循環(huán)（TheQCycle)

根據(jù)復(fù)合物III的結(jié)構(gòu)和氧化還原反應(yīng)詳細(xì)的生物化學(xué)研究，提出了電子經(jīng)復(fù)合物的流動模型，Q循環(huán)的反應(yīng)為： QH2+2cytc1（氧化型）+2HN+

Q+2cytc1(還原型）+4Hp+

Q循環(huán)細(xì)胞色素還原酶與電子傳遞復(fù)合物IV：細(xì)胞色素C到O2

又稱細(xì)胞色素氧化酶，呼吸鏈的最后一步，把cytc的電子轉(zhuǎn)移給O2還原生成H2O。 是一個大酶（線粒體內(nèi)膜上，13個亞基，Mr204000），作用同樣是電子傳遞和質(zhì)子泵。三個亞基對于功能至關(guān)重要。亞基II有2個Cu離子（CuA）（與Cys殘基的-SH相連，亞基II有2個血紅素基團(tuán)（分別為a1、a3）和另一個Cu離子CuB）。

電子傳遞為：cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通過復(fù)合物時，酶從基質(zhì)中消耗4個“底物”H+，生成2H2O，每通過1e，利用氧化還原反應(yīng)的能量泵出1H+到內(nèi)膜外空間。細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合物IV）復(fù)合物IV的電子流向QH2-Cytc還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原酶

細(xì)胞色素還原酶模型呼吸鏈四個復(fù)合物的

電子和質(zhì)子流動總圖決定電子載體順序的方法魚藤酮抗霉素A電子傳遞與質(zhì)子梯度及ATP合成呼吸鏈中ATP的產(chǎn)生穿梭系統(tǒng)（ShuttleSystems)

有些NADH是在胞液中產(chǎn)生的，而呼吸鏈位于線粒體的內(nèi)膜上，線粒體的內(nèi)膜對NADH不能透過，必須通過一定的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制才能保證底物分子脫下的H可以通過呼吸鏈遞氫和遞電子被徹底氧化，釋放能量。這種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制即為穿梭系統(tǒng)，經(jīng)過穿梭系統(tǒng)把胞液中的NADH轉(zhuǎn)變?yōu)榫€粒體內(nèi)的NADH經(jīng)呼吸鏈被氧化。包括磷酸甘油穿梭、蘋果酸-草酰乙酸穿梭。穿梭系統(tǒng)(ShuttleSystem) 磷酸甘油穿梭(phosphoglycerolshuttle)磷酸甘油穿梭糖酵解３－磷酸甘油磷酸二羥丙酮穿梭系統(tǒng)(ShuttleSystem)

蘋果酸-草酰乙酸穿梭（Malate-oxaloacetateshuttle)蘋果酸-草酰乙酸穿梭α－酮戊二酸蘋果酸蘋果酸脫氫酶草酰乙酸天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶天冬氨酸谷氨酸蘋果酸α－酮戊二酸草酰乙酸谷氨酸天冬氨酸蘋果酸脫氫酶α－酮戊二酸－蘋果酸載體天冬氨酸－谷氨酸載體胞漿線粒體腺苷酸和磷酸轉(zhuǎn)位酶

線粒體利用質(zhì)子推動力合成ATP，但ADP和Pi必須運(yùn)到線粒體內(nèi)，合成好的ATP必須能運(yùn)出線粒體在胞質(zhì)中供能。 腺苷酸轉(zhuǎn)位酶(Adeninenucleotidetranslocase)是內(nèi)膜上的酶，為逆反轉(zhuǎn)運(yùn)體，可以把ADP和Pi轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)，也能把合成的ATP從線粒體運(yùn)到胞液。腺苷酸和磷酸轉(zhuǎn)位酶高能磷酸鍵的形成

生物氧化所釋放的能量并不是全以熱量的形式散發(fā)，除一部分以熱能形式用于維持體溫外，其余部分則以高能磷酸鍵的形式轉(zhuǎn)移和儲存，一旦需要再水解釋放以免浪費(fèi)。

異養(yǎng)生物體高能磷酸鍵的形成方式有兩種：

1.底物水平（底物）磷酸化、

2.電子傳遞水平（氧化）磷酸化。底物水平磷酸化（SubstrateLevelPhosphorylation)

代謝物質(zhì)分解過程中，底物分子因脫氫、脫水等作用，能量在分子內(nèi)部重排（重新分布）形成高能磷酸酯鍵，并轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP。高能磷酸鍵的形成及轉(zhuǎn)移

底物水平磷酸化(Substratelevelphosphorylation)氧化磷酸化

（OxidativePhosphorylation)

生物氧化過程中，代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化為水時所釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP的過程。實(shí)際上是氧化作用與氧化作用過程釋放的能量用于形成ATP過程（磷酸化作用）兩種作用的偶聯(lián)反應(yīng)。高能磷酸鍵的形成及轉(zhuǎn)移

氧化磷酸化（Coupledoxidativephosphorylation)氧化磷酸化偶聯(lián)的部位磷氧比（P/O）

代謝物脫下的氫經(jīng)呼吸鏈氧化生成水，一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞到O2生成水所產(chǎn)生的ATP分子的數(shù)目（即消耗1分子O2所產(chǎn)生ATP的數(shù)目）稱為磷氧比（P/O）。

代謝物脫下的2H經(jīng)NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時，生成3ATP（P/O3），經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時，生成2ATP（P/O2）。

新近的研究結(jié)果支持這樣的結(jié)論，2H經(jīng)NADH氧化呼吸鏈被氧化為水時，生成2.5ATP；

經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈氧化為水時，生成1.5ATP。影響氧化磷酸化作用的因素（1）ADP-Pi、ATP的調(diào)節(jié)作用ADP/ATP小，緩慢、表現(xiàn)為抑制作用ADP/ATP大，加快、表現(xiàn)為促進(jìn)作用（2）激素的調(diào)節(jié)作用

甲狀腺素能活化Na+、K+-ATPase,加快ATP分解為ADP+Pi,ADP進(jìn)入線粒體的數(shù)量增加，氧化磷酸化加快，耗氧及產(chǎn)熱增多——甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)（hyperthyroidism)，患者BMR(基礎(chǔ)代謝率basalmetabolicrate)增高。影響氧化磷酸化作用的因素（續(xù)）（3）抑制劑（inhibitors)的作用 A.解偶聯(lián)劑（uncoupler)的作用2，4－二硝基苯酚解除偶聯(lián)作用。（2,4-dinitrophenol,DNP)，B.Ｆ0Ｆ1ATP酶的抑制劑

寡霉素(oligomycin)，抑制氧的利用和ATP的形成。

C．離子載體（ionophores)

纈霉素可將Ｋ+帶到線粒體基質(zhì)中去，降低內(nèi)模外化學(xué)電勢，抑制ＡＴＰ合成Ｄ．電子傳遞抑制劑

CO的作用，與還原型Cytoxidase結(jié)合，使生物氧化中斷。

CN-的作用，與氧化型Cytoxidase結(jié)合，生成高鐵Cytoxidase,酶失活，電子不能傳給O2，呼吸中斷。

安密妥Isobarbi