電子傳遞體系與氧化磷酸化

目錄第一節(jié)生物氧化的特點和方式第二節(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)）目前一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點第一節(jié)生物氧化的特點和方式

一、生物氧化的特點二、生物氧化過程中CO2的生成三、生物氧化過程中H2O的生成四、有機物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細(xì)胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），其實質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。目前二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點生物氧化的特點

生物氧化在活細(xì)胞中進行，pH中性，反應(yīng)條件溫和，一系列酶和電子傳遞體參與氧化過程，逐步氧化，逐步釋放能量，轉(zhuǎn)化成ATP。對于真核細(xì)胞，生物氧化多在線粒體內(nèi)進行；在不含線粒體的原核細(xì)胞中，生物氧化在細(xì)胞膜上進行。目前三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點生物氧化的化學(xué)本質(zhì)——氧化還原反應(yīng)脫電子、氫，加氧——氧化反應(yīng)接受電子、氫，脫氧——還原反應(yīng)供電子體或供氫體受電子體或受氫體偶聯(lián)進行

目前四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點生物氧化與體外燃燒的比較

生物氧化體外燃燒反應(yīng)條件

溫和劇烈

(體溫、pH近中性)(高溫、高壓)反應(yīng)過程

逐步進行的酶促反應(yīng)一步完成能量釋放

逐步進行瞬間釋放

（化學(xué)能、熱能）（熱能）CO2生成方式

有機酸脫羧碳和氧結(jié)合H2O

需要不需要目前五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(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目前六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點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

H2O2eO=2H+目前七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點脂肪葡萄糖、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,其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個階段目前八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點1、食物中有機大分子在消化道消化降解為有機小分子如：淀粉→葡萄糖2、有機小分子被細(xì)胞攝取，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進一步降解為更小的有機小分子（糖酵解）

如：葡萄糖→2丙酮酸

+2ATP3、有機小分子丙酮酸穿過線粒體膜進入線粒體基質(zhì)

丙酮酸+輔酶A→乙酰輔酶A+2H++CO2

4、乙酰輔酶A

2CO2+8H++輔酶A5、電子傳遞和氧化磷酸化三羧酸循環(huán)（2ATP）能量轉(zhuǎn)換目前九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點細(xì)胞質(zhì)線粒體目前十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點第二節(jié)線粒體電子傳遞體系

一、線粒體結(jié)構(gòu)特點二、電子傳遞呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成四、機體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化五、電子傳遞抑制劑目前十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點線粒體結(jié)構(gòu)目前十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點線粒體呼吸鏈

線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，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)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。氧化電子傳遞鏈位于原核生物的質(zhì)膜上，真核生物中位于線粒體的內(nèi)膜上。

目前十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類（flavoproteins,FP）2.鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）4.細(xì)胞色素類（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）Cytb目前十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFe-SFADH2復(fù)合體II復(fù)合體IV復(fù)合體I復(fù)合體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CytbH目前二十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點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-c1-c-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目前二十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點

兩種呼吸鏈的比較:相同:1.將H傳遞給O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反復(fù)使用；3.CoQ是兩種呼吸鏈的匯合點。不同點:

NADH呼吸鏈琥珀酸呼吸鏈

普遍程度較普遍次要起始物

NADHFADH2ATP2.51.5目前二十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADH目前二十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前二十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前三十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前三十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前三十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前三十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點細(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)17KCytcⅠ36KIII21KⅡ23K,12K8K,,4K,4K線粒體基質(zhì)(bH)(b562)(bL)(b566)2Fe-2Sc1鐵-硫蛋白

Cytb目前三十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點NADH呼吸鏈電子傳遞過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呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化目前三十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+目前三十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為生物膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類（如L—氨基酸氧化酶）單加氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機理：FAD(FMN)+2H＋

FAD(FMN)H2目前三十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點鐵硫蛋白

+e

傳遞電子機理：Fe3+Fe2+

-e

特點：含有Fe和對酸不穩(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。Fe通過蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的－SH與蛋白質(zhì)相連結(jié)。目前三十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點CoQ特點：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。

+2H

傳遞氫機理：CoQCoQH2

－2H目前三十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2H＋

CoQH2目前四十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前四十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前四十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e目前四十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點細(xì)胞色素體系（Cyt）（1）Cyt的本質(zhì)細(xì)胞色素=酶蛋白+血紅素（2）Cyt的分類30多種a類：a、a1、a2、a3

…b類：b、b1～7、P450…c類：c、c1、c2、c3…目前四十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點細(xì)胞色素

傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+

Cu2+

Cu+－e－e

特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含6種（bH、bL、c1、c、a和a3)，cytbH、cytbL和cytc1、cytc在呼吸鏈中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物存在，有的時候也稱為細(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，因此亦稱其為末端氧化酶。目前四十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e目前四十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前四十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點電子傳遞抑制劑

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魚藤酮安密妥抗霉素ACN-CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸鏈的比擬圖解目前四十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前四十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前五十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點第三節(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

目前五十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點氧化磷酸化

代謝物在生物氧化過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)的過程稱氧化磷酸化。磷酸化類別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能目前五十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點磷酸化電子傳遞水平磷酸化：電子沿著氧化電子傳遞鏈傳遞的過程中所伴隨的將ADP磷酸化為ATP的作用，或者說是ATP的生成與氧化電子傳遞鏈相偶聯(lián)的磷酸化作用。底物水平磷酸化：是指ATP的形成直接與一個代謝中間物（如PEP）上的磷酸基團轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。目前五十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點磷氧比（P/O

）

呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，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)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至原子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~

2.5ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~

1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP目前五十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機理

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

1953年EdwardSlater化學(xué)偶聯(lián)假說

1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說

1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說*1978年獲諾貝爾化學(xué)獎氧還回路3、質(zhì)子梯度的形成

質(zhì)子泵4、ATP合成的機制目前五十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點線粒體ATP合酶目前五十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點

氧化磷酸化重建示意圖目前五十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點內(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H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成?；瘜W(xué)滲透假說

(chemiosmotichypothasis)目前五十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點化學(xué)滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+

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

氧化

目前五十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點目前六十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點線粒體電子傳遞和H+排出的數(shù)目與途徑H2O2H+CytcCytcCytcQFMNFeSFeSCytc1CytbLCytbHCytaFeSCyta32e-2e-NADH+H+NAD+O2+2H+H2O4H+4H+2H+12目前六十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十點ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖定子OSCP

F6F1H+通道FO柄DCCD結(jié)合蛋白基質(zhì)表面外表面目前六十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十點Boyer和Walker的工作

英國科學(xué)家Walker通過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β亞基的確有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。

美國科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為ATP合酶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)使已合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。目前六十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十點ATP合酶作用機理ADP+PiProtonFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtonFlux有利于ADP與Pi結(jié)合的構(gòu)象有利于ATP生成的構(gòu)象有利于ATP釋放的構(gòu)象目前六十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十點ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過Fo引起亞基c寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動,這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基a和b與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.動畫演示1、

2、

3目前六十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十點四、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

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

（線粒體）目前六十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十點3-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）甘油-3-磷酸脫氫酶甘油-3-磷酸脫氫酶目前六十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十點蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉(zhuǎn)運載體）呼吸鏈目前六十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十點2,4-二硝基苯酚（DNP）的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外CCCP(苯腙羰基氰化物),FCCP(三氟甲氧基苯腙羰基氰化物)具有同樣作用。寡霉素、纈氨霉素、短桿菌肽等則具有另外的抑制機制。目前六十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十點五、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。能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP、ADP和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。（如ATCase）能荷相對速率ATP的利用途徑

ATP的生成途徑能荷對ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對速率的影響能荷是細(xì)胞中高能磷酸狀態(tài)的一種數(shù)量上的衡量。目前七十頁\總數(shù)七十七頁\編于十點葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算

葡萄糖分解通過糖酵解和檸檬酸循環(huán)形成的ATP或GTP的分子數(shù)，加上氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP分子數(shù)構(gòu)成了葡萄糖徹底氧化所生成的ATP總數(shù)。根據(jù)測定，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，一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、4和2。合成一個ATP分子是由3個H