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1、第三节 电子传递和氧化呼吸链,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。,一、生物氧化概述,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一系列氧化还原反应过程。,（一）生物氧化的特点,在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能
2、使释放的能量尽可能得到有效的利用。,.,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：,（二）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,（三）H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱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
3、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,二、电子传递链（呼吸链）,（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,（一）线粒体结构,嵴,.,线粒体外膜 自由透过小分子和离子线粒体内膜 不能自由透过大部分小分子和离子,包括H+。
4、含有：电子传递体（复合体I、II、III、IV） ADP-ATP转运载体 ATP合酶（FoF1） 其他载体线粒体基质含有丙酮酸脱氢酶 柠檬酸循环酶系 脂肪酸-氧化酶系 DNA，核糖体其他酶 ATP、ADP、Pi、Mg2+ 、 Ca2+ 、 K+ 可溶的中间代谢产物,.,Cristae (the infoldings of the inner membrane of mitochondria) is where the respiratory chain is located.,.,（二）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
5、膜的载体上，经过一系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（electron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。,.,呼吸链由4个多蛋白的复合物（I, II, III, 和 IV;3个是质子泵）和2个移动的电子载体，泛醌（Q或辅酶Q）以及细胞色素c组成。呼吸链中蛋白质的辅基包括：黄素类（FMN，FAD），血红素（血红素 A，铁原卟啉IX ，血红素 C），铁硫聚簇（ 2Fe-2S, 4Fe-4S), 和 铜 。,.,呼吸链上很多电子载体的
6、顺序通过多种研究得以阐明,方法一：测量标准还原电位（E0）电子倾向于从低还原电位（E0）的载体流向还原电位高的载体（不过在真正的细胞中可能有偏差）,.,Electron carriers may have an order of increasing E0,.,方法二：氧化作用动力学研究完全的还原伴随着O2的突然传导；较早的氧化作用更接近呼吸链的末端；使用快速而灵敏的分光光度技术跟随细胞色素的氧化作用，发现最大吸收峰的波长不同。,.,Reduced,Reduced,Reduced,Oxidized,Oxidized,方法三: 各种特异性抑制剂的作用，在阻止步骤之前的处于还原态而阻止之后的处于氧
7、化态。,鱼藤酮,抗霉素 A,.,方法四:分离并鉴定每个多蛋白质复合物：链上组分中特有的电子供体和受体可以确定。,.,（三）呼吸链的组成,黄素蛋白酶类（flavoproteins, FP） 铁-硫蛋白类（ironsulfur proteins)细胞色素类（cytochromes）辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,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,
8、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,两条主要呼吸链,1.NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体）,NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫蛋白（Fe-S）是该酶的辅基，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 传递氢机理:,.,NADH dehydrogenase (Complex I),NADH + 5H+N + Q NAD+ + QH2 + 4H+P,.,辅酶Q是呼吸链电子传递的枢纽Ubiq
9、uinone (Q)accepts electronsfrom both NADHand FADH2 in therespiratory chain,.,FMN can accept one electron or FMNH2 can donate one electron to form a semiquinoneradical intermediate.,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与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。,.,铁硫蛋白参与电子传递,2Fe-2S,Different t
10、ypes of iron-sulfur centers,2Fe-2S,4Fe-4S,Ferredoxin（铁氧还蛋白）,Iron atoms cycle between Fe2+ (reduced) and Fe3+(oxidized).,2. CoQ,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌，通过醌/酚的互变传递氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,.,泛醌是一个移动的
11、电子/质子载体,脂溶性的苯醌有一个很长的异戊二烯侧链，可以接受1或2个电子，形成半醌或还原型辅酶Q。（QH2）； QH2扩散到下一个复合物（III）；是唯一的一个不结合于一种蛋白的电子载体。,.,.,3. 琥珀酸-Q还原酶（复合体）,琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。 琥珀酸 FADH2 Fe-S CoQ,.,4.细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体）,含有两种细胞色素（细胞色素b、细
12、胞色素c1）和一铁硫蛋白（ 2Fe-2S ）。细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,细胞色素（cytochrome, cyt）,特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。 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。,.,细胞色素=血红素+蛋白质血红素有a,b和cCyt c是水溶性的，存在于内外
13、膜之间，在复合体III和IV间传递电子血红素中的铁得失电子而还原和氧化,.,Cyt a: 600 nmCyt b: 560 nmCyt c: 550 nm,Reduced cytochromeshas three absorptionbands in the visible wavelengths,.,Cytochrome bc1 complex (Complex III),.,5.细胞色素c,在复合体III和之间传递电子。（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）是唯一能溶于水的细胞色素。相对分子质量为13000，由104个氨基酸构成的单一肽链。,.,半胱氨酸,.,6.
14、 细胞色素氧化酶（复合体、细胞色素c氧化酶 ）,由 cyta和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+ 、 Fe2+间循环，同时Cu2+ 、 Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2，也叫末端氧化酶。,The three critical subunits of cytochrome oxidase (Complex IV)A 204 kD 13-subunit protein complex, with structure determined in 1996,CuB,He
15、me a,Heme a3,2CuA,CuA,CuA,.,The electronpath in Complex IV,.,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,（四）机体内两条主要呼吸链和能量的变化,电子传递链标准氧化还原自由能变化,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FM
16、N,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C还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,.,.,The chemiosmoticmodel by Mitchell,.,（五）电子传递 抑制剂,概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。 电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化-还原状态可以测出）,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV
17、,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,第四节 氧化磷酸化作用,一、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磷酸化。,类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）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分子氧所产
18、生的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 3,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,2e-,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,3.质子梯度的形成4.ATP合成的机制,1978年获诺贝尔化学奖,ATP合酶催化ATP的合成,H+被吸引到膜的Fo通道的基质侧，在Fo和F1连接处形成高浓度的H+通过ATP合酶每传送
19、4H+引导1个ATP的生成,.,线粒体ATP合酶复合体组分,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。,三、化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis),.,化学渗透假说原理示意图,4H+,2H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,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+排出的数目和途径,H2O,2H+,Cy
20、tc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc1,CytbK,Cytbr,Cyta,FeS,Cyta3,2e-,2e-,NADH+H+,NAD+,O2 +2H+ H2O,4H+,2H+,2H+,复合物 III,.,Boyer和Walker的工作,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合成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)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，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。 英国科学家Walke
21、r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。,.,ATP合酶结构示意图,定子,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III 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I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,基质表面,外表面,.,Rotation of the g subunit and the ring of c subu
22、nitsin the F0F1 complexwas observed byin vitro studies using fluorescencemicroscopy,肌动蛋白,.,ATP合成,L态：低亲和力态，ATP合成,O态：开放态，亲和力极低，ATP释放,T态：紧密结合态，ATP合成,当H+通过Fo时， Fo旋转，旋转导致F13个亚基构象的改变F1 构象的变化促使ADP+Pi合成ATP并释放,ATP酶作用机理,ATP,有利于ADP与Pi结合的构象,有利于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,.,Oxidative Phosphorylation(on inner membran
23、eof mitochondria),四、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,1.磷酸甘油穿梭系统 2.苹果酸天冬氨酸穿梭系统,胞浆NADH不能直接进入线粒体,.,胞浆NADH不能直接进入线粒体穿梭系统：3-磷酸甘油穿梭NADH FADH2脑、骨骼肌等（速度快）苹果酸-天冬氨酸穿梭NADH NADH心、骨骼肌等,线粒体外NADH的氧化,3-磷酸甘油穿梭：NADH FADH2,-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）,苹果酸-草酰乙酸穿梭
24、作用,（、 、 、 为膜上的转运载体）,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时将H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用，亦称质子载体。,.,离子载体（离子载体抑制剂）,是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子结合，并作为他们的载体使它们能够穿过膜，消除跨膜的电位梯度。缬氨霉素（K+）短杆菌肽（K+ Na+）,五、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，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确，因为质子泵、
25、ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定， 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数依次为4、2和4。,.,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
26、(38个ATP)少了6（或8）个ATP分子，成为32（或30）个。,.,1个葡萄糖彻底氧化合成ATP计算,六、能 荷,意义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在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。,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,其它末端氧化酶系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、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 有哪些生理功能？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,
