生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化

關(guān)于生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日生物細(xì)胞將糖、脂、蛋白質(zhì)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(biologicaloxidation)。第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日生物氧化的特點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合物（主要是ATP）中；生物氧化具有嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位：

原核生物細(xì)胞膜真核生物線粒體節(jié)首章首第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日高能磷酸化合物舉例第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日

生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是以還原型輔酶NADH和FADH2形式貯存的；本章將重點討論這些還原型輔酶被氧化、生成ATP的過程，即電子傳遞和氧化磷酸化（electrontransportandoxidativephosphorylation）。

第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日氧化磷酸化作用：

與生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移而使ADP形成高能ATP的作用。底物水平磷酸化作用：

從一個高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸），將磷?；D(zhuǎn)移給ADP形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接與一個代謝中間物上的磷?；D(zhuǎn)移相耦聯(lián)。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成ATP的機制。第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)，相關(guān)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(gòu)成的：線粒體的NADH和FADH2通過呼吸電子傳遞鏈（respiratoryelectrontransportchain）被氧化；質(zhì)子濃度梯度可作為自由能庫。

第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)與功能第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、線粒體的基本特征

真核生物中，氧化磷酸化在線粒體中進(jìn)行。外膜含蛋白相對較少，容許分子量小于10000的離子和水溶性代謝物跨膜擴(kuò)散；內(nèi)膜含有豐富的蛋白質(zhì)，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成“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、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(zhuǎn)運蛋白協(xié)助才行；線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為“膜間隙”，膜間隙中含有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應(yīng)的復(fù)合物以及ATP合成酶復(fù)合物都嵌在內(nèi)膜中。線粒體基質(zhì)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。第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、線粒體的跨膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)在線粒體外反應(yīng)產(chǎn)生的NADH不能直接通過呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脫氫反應(yīng)和乳酸脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的NADH；線粒體外的NADH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(zhì)才能進(jìn)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。第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日

在哺乳動物的肝臟和其它的某些組織，存在著活躍的蘋果酸-天冬氨酸穿梭機制。

第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

主要存在于哺乳動物的肌肉和腦組織中。

第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)電子傳遞鏈（呼吸鏈）

線粒體的內(nèi)膜中有5種與氧化磷酸化有關(guān)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，每種復(fù)合物都催化能量轉(zhuǎn)換過程中的某一部分反應(yīng)。I至IV復(fù)合物含有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而復(fù)合物V是ATP合成酶。標(biāo)準(zhǔn)還原電位（單位為伏特）與標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化（單位為kJ/mol）有直接的關(guān)系：

第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日NADH氧化呼吸鏈

是細(xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因為生物氧化過程中絕大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶：返回第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日琥珀酸氧化呼吸鏈

由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細(xì)胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復(fù)合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細(xì)胞色素b：返回第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日線粒體中某些重要底物氧化時的呼吸鏈返回第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日線粒體呼吸鏈的組成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（CoQ）細(xì)胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）節(jié)首章首第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日煙酰胺腺嘌呤二核苷酸

利用分子中煙酰胺基團(tuán)的可逆性還原而遞氫，還原形成的NADH即可參與組成呼吸鏈而進(jìn)行電子傳遞。

NAD＋和NADH結(jié)構(gòu)示意圖返回第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日

返回第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白（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(zhuǎn)移到泛醌上。返回第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日泛醌

是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能進(jìn)行可逆的加氫反應(yīng)，故也屬于遞氫體。返回第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日細(xì)胞色素細(xì)胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下：

2CytFe3++2e－2CytFe2+細(xì)胞色素是屬于色蛋白類的結(jié)合蛋白質(zhì)，輔基是鐵卟啉的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，故稱為細(xì)胞色素。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與吸收光譜的不同可將細(xì)胞色素分為a、b和c三類。細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)示意圖返回第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三節(jié)氧化磷酸化

一、化學(xué)滲透理論

Mitchell在1961年提出了氧化磷酸化的機制－化學(xué)滲透理論（chemiosmotictheory）。

Mitchell認(rèn)為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質(zhì)子濃度梯度，而這一質(zhì)子梯度又可以進(jìn)一步驅(qū)動ATP的形成。

第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日化學(xué)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。膜對帶電的溶劑是不通透的，否則質(zhì)子濃度梯度將消失，離子代謝物通過特殊的轉(zhuǎn)運體跨過膜。通過電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度，使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間隙）的H＋濃度升高。位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶在跨膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移驅(qū)動反應(yīng)中催化ADP磷酸化。

第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、ATP合成機制

1979年P(guān)aulBoyer提出了ATP合成的結(jié)合-變換機制（binding-changemechanism），他認(rèn)為：

ATP合成酶含有3個催化部位，在任一給定時間，每一部位處于不同的構(gòu)象：開、松弛、或緊縮。所有3個催化部位都依次經(jīng)歷上述3種構(gòu)象變化。第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日ATP的形成和釋放主要涉及以下幾個步驟：

一分子的ADP和Pi結(jié)合在開部位。質(zhì)子跨過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，引起3個催化部位發(fā)生構(gòu)象變化。開構(gòu)象（含有新結(jié)合的ADP和Pi）轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙诓课?，已被ADP和Pi填充的松弛部位轉(zhuǎn)變?yōu)榫o縮部位，載有ATP的緊縮部位轉(zhuǎn)變?yōu)殚_部位。ATP從開部位被釋放出來，同時在緊縮部位ADP和Pi縮合形成ATP。第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、P/O比

指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。ATP合成與質(zhì)子濃度梯度緊密偶聯(lián)，即ATP合成伴隨著質(zhì)子濃度梯度的下降。三個電子復(fù)合物I、III和IV傳遞大約導(dǎo)致線粒體內(nèi)的10個H＋轉(zhuǎn)移到膜間隙（復(fù)合物I轉(zhuǎn)移4個H＋；復(fù)合物III轉(zhuǎn)移4個H＋；復(fù)合物IV轉(zhuǎn)移2個H＋）。經(jīng)ATP合成酶流回線粒體基質(zhì)可以驅(qū)動2.5個ATP的合成。第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日而象那樣從支路復(fù)合物II進(jìn)入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復(fù)合物III傳遞到復(fù)合物IV，只能驅(qū)動6個質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。而象對二（二甲氨基）苯二胺那樣直接提供2個電子給復(fù)合物IV可以使2個質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙。

第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日四、氧化磷酸化抑制劑

氧化磷酸化抑制劑可分為三類，即呼吸抑制劑、磷酸化抑制劑和解偶聯(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(chǔ)，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(cè)均為還原狀態(tài)，其氧一側(cè)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：第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：專一抑制NADH→CoQ的電子傳遞。2、抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分離得到，專一抑制CoQ→Cytc的電子傳遞。3、氰化物、疊氮化物、CO、H2S：抑制細(xì)胞色素c氧化酶。第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、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(jié)合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。

第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、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(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行。解偶聯(lián)劑作用的本質(zhì)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。第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日解偶聯(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。第五十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日習(xí)題1.化學(xué)滲透學(xué)說要點是什么？2.2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)機制是什么？3.注射2,4-二硝基苯酚到動物體內(nèi)可能引起什么現(xiàn)象？為什么？4.簡述ADP對呼吸鏈的調(diào)控作用。5.比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制劑和解偶聯(lián)試劑對生物氧化作用的影響并舉