第八章电子传递与氧化磷酸化ppt课件.ppt

,8-1 生物氧化概述,8-2 线粒体的结构与功能8-3 电子传递链8-4 氧化磷酸化8-5 线粒体外NADH2的氧化,第八章 电子传递与氧化磷酸化,主要内容,本章重点、难点,重点:（1）呼吸链的概念及其组成，常见的电 子传递抑制剂的作用部位。 （2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径，磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比。难点: 氧化磷酸化的偶联机制：化学渗透学说， ATP合酶的旋转催化理论。,一、生物氧化的概念和特点二、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,第一节 生物氧化概述(P171),（一）生物氧化的概念,概念：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）。实质：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，又称为细胞呼吸。,一、生物氧化的概念和特点,返回,1. 反应由酶催化，反应条件温和；2. 反应分步进行，顺序性3. 能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于 ATP中，能量利用率高。注：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。,（二）生物氧化的特点,二、生物氧化中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： 分为单纯脱羧和氧化脱羧,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+、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 。,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O2-,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。,四、生物氧化的三个阶段,第二节 线粒体的结构与功能(P179),线粒体的结构特点,线粒体有两层膜。中间有膜间隙。1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白质含有线粒体孔道蛋白,外膜的主要功能：保持线粒体的形态2.内膜:含有许多生物活性蛋白质，包括电子传递链和氧化磷酸化的有关组分及许多转运蛋白，是线粒体功能的主要承担者.内膜形成了许多向内褶叠的嵴，嵴的存在大大增加了内膜的面积， 扩大了它产生ATP的能力。3.基质(matrix)：在嵴和嵴之间构成分隔的区室，内部充满胶状的基质,基质内含有大量的酶及线粒体DNA和核糖体,线粒体是生物氧化的发生场所,线粒体的功能,线粒体普遍存在于动植物细胞内，是需氧细胞产生ATP的主要部位。真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生的。,第三节 电子传递链（P180）,定义:线粒体基质是底物氧化的场所，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，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的电子传递系统称为电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,一、呼吸链的种类,返回,二.呼吸链的组成,(1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,(2) NADH-Q还原酶(复合物）,(3) 铁硫蛋白,(4) 辅酶Q,(5) 细胞色素还原酶(复合物）,(6) 细胞色素氧化酶(复合物）,(7) 琥珀酸-Q还原酶复合物(复合物 ）,呼吸链由一系列的递氢体和递电子体组成。,返回,(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,NAD+ 和NADP+的结构,NAD+：R=HNADP+：R=PO32-,(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类),功能：将底物上的氢 激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+,OR,(1)NAD+或NADP+,(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类),以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激活脱下，其中一个氢原子以氢阴离子(hydride ion)(H-)的形式转移到NAD+或NADP+上，另外一个则以氢离子(H+)形式游离到溶液中。 每一个氢阴离子(H- )携带着两个电子，即 NAD+ + 2e- +2H+ NADH + H+ NADP+ + 2e- +2H+ NADPH + H+ 大多数脱氢酶以NAD+ 为辅酶，所以NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,(2)NADH-Q还原酶（复合物）,NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，以FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）为辅基，以辅酶Q为辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 以 FMN 或 FAD 为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。 FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。 FMN(FAD)+2H FAD(FMN)H2,NADH-Q 还原酶先与(NADH+H+)结合并将(NADH+H+) 上的两个氢转移到 FMN 辅基上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。 NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,铁硫蛋白复合物,CoQ,e,e,(3)铁硫蛋白,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 )，构成铁硫中心（铁硫聚簇），Fe通过蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。称为铁硫蛋白（非血红素铁蛋白）。一次可传递一个电子至CoQ。,铁硫聚簇借Fe2+和 Fe3+的互变传递电子，每次传递一个电子.(Fe3+ Fe2+ ),+e-,(4)辅酶Q(泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶),辅酶Q（泛醌, CoQ, Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋白质组分，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型（氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和FADH2上的H和电子都必须经过辅酶Q最终传递到氧分子，因此，它是电子传递链的中心和电子集中点。,细胞色素类(cytochrome,cyt）,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。 高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素,b、 c 、c1 、a、a3等。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子(细胞色素为单电子传递体)。,(5)细胞色素C还原酶,（细胞色素bc1复合体，即复合物）,含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素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,cytbc1,（6）细胞色素C,细胞色素C是唯一能溶于水的、可被分离出来的独立蛋白质成分，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以及细胞色素氧化酶接触）.,(7)细胞色素C氧化酶,(复合物）,由 cyt.a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，在细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环，将电子直接传递给O2,也叫末端氧化酶。,(8) 琥珀酸-Q还原酶（复合物）,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。,* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。,人线粒体呼吸链复合体,呼吸链的种类和组成, NADH呼吸链NADH 复合体 CoQ 复合体Cytc 复合体O2 琥珀酸(FADH2) 呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cytc 复合体O2,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,氧化还原电位由低 高, E0越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。 当电子从E0 值低的物质传到E0值高的物质时，伴随着自由能的降低，即释放能量: G0= nFE0 = nF （E0受体 E0 供体） 其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。,呼吸链各组分的排列顺序,呼吸链中电子流动方向与ATP的生成,FADH2,2e-,NADH,三.电子传递抑制剂(P184),返回,凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂.,鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素,抗霉素A,D,鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q传递 ； 抗霉素A：阻断细胞色素b到c1之间的电子传递; 氰化物、叠氮化物、硫化氢、一氧化碳：阻断电子从细胞色素aa3到氧的传递。,各种抑制剂的作用位点,第四节、氧化磷酸化作用,一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式,二、氧化磷酸化的作用机制,三、磷氧比值,五、氧化磷酸化的调控,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,返回,1、概念：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。,呼吸链,能,氧化,磷酸化,偶联,H2O,一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式,氧化磷酸化,呼吸链,线粒体,胞液,2、ATP的生成方式,2) 氧化（电子传递水平）磷酸化,1) 底物水平磷酸化,返回,(1)底物水平磷酸化,定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。,每次底物磷酸化产生一个ATP,1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP,3-磷酸甘油酸激酶,底物水平磷酸化见于下列三个反应（1）,实验证明，电子由NADH到氧的传递过程中，ATP是在三个不连续的部位生成的: 部位I是在NADH和辅酶Q之间； 部位II 是在辅酶Q和细胞色素c之间； 部位III 是在细胞色素aa3和氧之间。,（2）自由能变化与ATP的生成部位,合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。,在NADH氧化过程中：有三个反应的G -30.5 kJ / mol FMNH2 Q G -55.6kJ/mol cyt.b cyt.c -34.7 kJ/mol cyt.aa3 O2 -102.1kJ/mol这三个反应分别与ADP的磷酸化反应偶联。这些部位称为呼吸链的偶联部位。,二、氧化磷酸化的作用机制,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）,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。,(一)化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis),化学渗透假说的基本要点：,该学说认为线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵，在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，驱动线粒体内膜内侧（基质侧）的H+迁移到内膜外侧（膜间空间），这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和跨膜电位梯度（）；当质子顺浓度梯度回流到基质侧时，这种跨膜的梯度差形成的质子驱动力被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，使ADP磷酸化成ATP。化学渗透学说的关键：电子传递与ATP的合成是通过跨膜的质子梯度相偶联的。,化学渗透学说,质子梯度的形成,ATP酶如何利用质子推动力催化ADP+Pi合成ATP?Boyer 创立“结合变化学说”，后得到 Walker 的研究证实， 二人获得1997年诺贝尔化学奖。,嵌于线粒体内膜上，由亲水部分 F1(33亚基)和疏水部F0(a1b2c912亚基)组成。其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。,ATP合酶 (F0F1 ATP合酶) 的结构(p187):,H+通道,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,提出结合变化学说，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。,结合变化学说的要点,当质子推动力驱使H+经F0质子通道流回基质时， F1组分因质子化而发生构象的改变，从而推动ATP合酶旋转至一种特殊构象，使得与ATP合酶紧密结合的ATP被释放。,（二）ATP合酶的结合变化学说(p189)(binding change hypothesis),ATP合酶作用机理,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,三、磷氧比值（P/O）,P/O值：是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗 无机磷的mol数，即产生的ATP的mol数。,实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。,两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）： NADH呼吸链： 3（产生3分子ATP） FADH2呼吸链：2（产生2分子ATP）,返回,四、 氧化磷酸化的解偶联和抑制,用特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成若干个反应，是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。 根据试剂的影响方式可分成三大类： 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂,（1）解偶联剂（Uncouplers),这类试剂的作用是使电子传递和ATP形成两个过程分离，失掉它们的紧密联系，它只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能都变为热能。典型的解偶联试剂是2,4二硝基苯酚(2,4dinitrophenol，DNP)。,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,解偶联试剂的作用机理,在pH7的环境下，DNP以脂不溶性的解离态存在，不能透过线粒体膜；而在酸性环境中，DNP接受质子后成为不解离的形式而变为脂溶性，从而容易地透过膜，同时将一个质子带入膜内。解偶联试剂使内膜对H+的通透性增加，将其带到 H+ 浓度低的一边。这样就破坏了跨膜 H+ 梯度的形成。这种由破坏 H+ 梯度而引起解偶联现象的试剂又称为质子载体。,新生儿或新生动物，冬眠的动物褐色脂肪组织 生热蛋白（解偶联蛋白，UCP） 提供质子返回基质的通道 质子不通过F1F0-ATP酶， 氧化散热，维持体温，不生成ATP,解偶联的意义：,（2）氧化磷酸化抑制剂,氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程。 由于它干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过程，结果也使电子传递不能进行。 表现结果：既抑制氧的利用又抑制ATP的形成 如寡霉素(oligomycin)，直接作用于线粒体ATP合酶的Fo组分。,(3)离子载体抑制剂(ionophores),是一类脂溶性物质，能与某些离子结合，并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜，通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。和解偶联试剂的区别：它是作为H+离子以外的其他一价阳离子的载体。如缬氨霉素(valinomycin)能够结合K+离子，与K+形成脂溶性的复合物，从而容易地使K+通过膜。又如短杆菌肽(gramicidin)可使K+，Na+以及其他一些一价阳离子穿过线粒体内膜。,五、氧化磷酸化的调控ADP与ATP的调节作用,质量作用比：ATP/ADPPi ： 抑制氧化磷酸化，ATP生成ATP/ADPPi ： 促进氧化磷酸化，ATP生成,H2O + NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,返回,第五节 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用(p190), 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸天冬氨酸穿梭系统,（一）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）,3-磷酸甘油脱氢酶,3-磷酸甘油脱氢酶,（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭,