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1、关于氧化磷酸化第一页，讲稿共五十七页哦 氧化磷酸化氧化磷酸化是有机分子在细胞内氧化分是有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水，并释放出能量形成解成二氧化碳和水，并释放出能量形成ATPATP的过程的过程。实质：实质：需氧细胞通过一系列酶的催化作用实现的一系列需氧细胞通过一系列酶的催化作用实现的一系列以电子传递为基础的氧化还原反应。以电子传递为基础的氧化还原反应。概述第二页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of o
2、xidative phosphorylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies in biological energy transductions.第三页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（一）电子传递过程 电子传递过程包括电子从还原型辅酶上通过 一系列按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子形式脱下，其电子沿着一系
3、列的电子载体转移，最后转移到分子氧。质子和离子型氧结合成水。在电子传递过程中释放出的大量自由能则使ADP磷酸化成ATP。第四页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（二）电子传递链（二）电子传递链电子从电子从NADH到到O2的传递所经过的途径形象地被称为的传递所经过的途径形象地被称为电子链电子链，也称呼，也称呼吸链。由一系列的递氢体吸链。由一系列的递氢体(hydrogen transfer)和递电子体和递电子体(eletron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有将代谢物脱下的成对氢原子交给
4、氧生成水，同时有ATP生成。生成。第五页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链第六页，讲稿共五十七页哦（三）电子载体：（三）电子载体：呼吸链电子载体主要有：呼吸链电子载体主要有：NADNAD+、黄素蛋白、辅酶、黄素蛋白、辅酶Q Q、铁硫蛋白、铜原子、细胞色素等。、铁硫蛋白、铜原子、细胞色素等。线粒体的电子传递链第七页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链1 1、NADNAD+即烟酰胺嘌呤二核苷酸，是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链。（NAD：RH，NADP：RPO3H2）第八页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链第九页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链NAD+-linked dehy
5、drogenases remove two hydrogen atoms from their substrates.One of these is transferred as a hydride ion(:H-)to NAD+;the other is released as H+in the medium第十页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链2 2、黄素蛋白：、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。第十一页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链3 3、辅酶、辅酶Q Q：是脂溶
6、性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。第十二页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链第十三页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链4 4、铁硫蛋白：、铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有FeS、2Fe-2S和4Fe-4S三种类型 第十四页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链第十五页，讲稿共五十七页哦All iron-sulfur proteins participate in one-electron transfers in which on
7、e iron atom of the iron-sulfur cluster is oxidized or reduced.At least eight Fe-S proteins function in mitochondrial electron transfer.The reduction potential of Fe-S proteins varies from-0.65 V to+0.45 V,depending on the microenvironment of the iron within the protein.线粒体的电子传递链第十六页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递
8、链5、铜原子：位于线粒体内膜的细胞色素氧化酶上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。第十七页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链6、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。第十八页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链Typical visible absorption spectra of cytochromes第十九页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（四）呼吸链的复合体 第二十页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（四）呼吸链的复合体
9、 1、复合体I 第二十一页，讲稿共五十七页哦1、在NADH脱氢酶的作用下，NADH将一个氢负离子转移给FMN，形成FMNH2。2、FMNH2经两步将2H传给辅酶Q。辅酶Q一次接受一个电子，经过半醌阴离子中间物（Q-），最后达到充分还原态泛醌醇（QH2）。3、每从NADH转移一对电子给Q，将有4个质子被转移到膜间隙。复合体I中依次进行的反应线粒体的电子传递链第二十二页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链第二十三页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链2、复合体II（琥珀酸-Q还原酶）复合体II至少由4条肽链组成，含有一个FAD，3个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传
10、递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。第二十四页，讲稿共五十七页哦第二十五页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链3、复合体III（细胞色素还原酶）第二十六页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链二个QH2参与电子传递过程，使二个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个QH2。这样使得携带二个电子的载体QH2经过细胞色素还原酶后转交给带一个电子的细胞色素C。这有利于电子的有效利用。第二十七页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链4、复合体IV（细胞色素氧化酶）细胞色素氧化酶接受和传递电子的顺序是：细胞色素C CuA 血红素a血红素a3 CuB，最后交给分子氧形成水。第二十八页，讲稿共五十七页哦线粒体的电
11、子传递链第二十九页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链A model for the mechanism of O2 reduction by cytochrome oxidase第三十页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（五）两条主要的呼吸链 复合物、组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化 第三十一页，讲稿共五十七页哦线粒体的电子传递链（六）电子传递的抑制剂 第三十二页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制第三十三页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制1、化学渗透假说：电子传递链像一个质子泵，电子传递过程中所释放的能量，可促使质子由线粒体基质移位
12、到线粒体内膜外膜间空间形成质子电化学梯度，即线粒体外侧的H+浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子传递被泵出的质子，在H+浓度梯度的驱动下通过FoF1ATP酶中的特异的H+通道或“孔道”流动返回线粒体基质时，则由于H+流动返回所释放的自由能提供FoF1ATP酶催化ADP与Pi偶联生成ATP。第三十四页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制此假说主要包括以下几点内容：偶联需要完整的线粒体内膜。膜对带电的溶剂是不通透的，否则质子浓度梯度将消 失，离子代谢物通过特殊的转运体跨过膜。通过电子传递链的电子传递产生质子浓度梯度，使得线粒体内膜外侧（膜间隙）的H浓度升高。位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的质子转移
13、驱动反应中催化ADP磷酸化第三十五页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制第三十六页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制2、质子梯度的形成电子传递使复合体、推动H 跨过线粒体内膜到 线粒体的间隙，线粒体间隙与细胞溶胶相接触。H 跨膜流动的 结果造成线粒体内膜内部基质的 H 浓度低于间隙。线粒体基质形成负电势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。第三十七页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制质子转移的机制有两种假设：（1）氧化还原回路机制 该机制由Mitchell 提出。他认为线粒体内膜呼吸链的各个氧化还原中心即FMN、CoQ、细胞
14、色素以及铁硫聚簇的排列可能既能执行电子的转移，又能转移基质的质子。前一个被还原的氧化还原中心被后一个氧化还原中心再氧化，同时相伴而产生的是质子的转移，包括质子由基质泵出和在线粒体内膜外的质子回流到基质一边。第三十八页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制（2）质子泵机制 这个机制的内容是，电子传递导致复合体的构像变化。质子转移是氨基酸侧链PK值变化产生影响的结果。构像变化造成氨基酸侧链PK值的改变，结果发挥质子泵作用的侧链暴露在外并交替地暴露在线粒体内膜的内侧或外侧，从而是质子发生移位。这种系统即认为是质子泵的机制第三十九页，讲稿共五十七页哦 1960年，年，E.Racker的氧化磷酸化的重组实验
15、：的氧化磷酸化的重组实验：超声波超声波胰蛋白酶胰蛋白酶或尿素或尿素重组重组亚亚线粒体囊泡线粒体囊泡有电子传递能力有电子传递能力但不能使但不能使ADPADP磷酸化磷酸化具备氧化磷酸化能力具备氧化磷酸化能力氧化磷酸化的机制3、ATP合酶的结构和作用机理 第四十页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制3、ATP合酶的结构和作用机理 ATP合酶（ATP synthetase），分子量500KD。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的Fo（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子。第四十一页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每
16、个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。第四十二页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制ATP的合成机制构象耦联假说ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T（t
17、ight)构象底物与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一 起;在O(open)构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。第四十三页，讲稿共五十七页哦质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。氧化磷酸化的机制ATP的合成机制构象耦联假说第四十四页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制Noji H et al.Nature,1997,386:299-302第四十五页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制P/O比（每对电子沿传递链转移所产生的ATP数）取
18、决于跨膜转运的质子数。每分子ATP的合成大约需要4个质子的转移，NADH沿传递链传递伴随10个质子的跨膜转运，因此产生2.5ATP，FADH2沿传递链传递只伴随6个质子的跨膜转运，故产生1.5ATP。第四十六页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化的机制4、氧化磷酸化的解偶联和抑制（1）解偶联剂(uncoupler)解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行，解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成，解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化，解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。动物棕色脂肪组织线粒体中有独特的解偶联
19、蛋白，使氧化磷酸化处于解偶联状态，这对于维持动物的体温十分重要。常用的解偶联剂有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。第四十七页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化4、氧化磷酸化的解偶联和抑制（2）磷酸化抑制剂）磷酸化抑制剂与F0结合结合，阻断H+通道，从而抑制ATP合成。如：寡霉素（oligomycin）、二环己基碳化二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide，DCC)第四十八页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化5、细胞溶胶内NADH的再氧
20、化穿梭机制（1）甘油磷酸穿梭机制首先，在胞液甘油-3-磷酸脱氢酶催化下，NADH使磷酸二羟丙酮还原生成甘油-3-磷酸然后，甘油-3-磷酸被跨膜的甘油-3-磷酸脱氢酶复合物转换回二羟丙酮磷酸。在转换过程中，两个电子被转移到跨膜酶的FAD辅基上生成FADH2。FADH2将两个电子转给可移动的电子载体Q，然后再转给泛醌-细胞色素c氧化还原酶（复合物III）。胞液中的NADH通过这一途径转换成QH2后氧化所产生的能量（1.5个ATP）比线粒体内NADH氧化的能量（2.5个ATP）少。第四十九页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化5、细胞溶胶内NADH的再氧化穿梭机制第五十页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化5、细胞
21、溶胶内NADH的再氧化穿梭机制（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭机制首先，在苹果酸脱氢酶的催化下，胞液NADH将草酰乙酸还原为苹果酸。其次，苹果酸经二羧酸转位酶进入线粒体基质。在基质中，线粒体苹果酸脱氢酶催化苹果酸重新氧化为草酰乙酸，使线粒体内的NAD还原为NADH，经呼吸链氧化。草酰乙酸在线粒体天冬氨酸转氨酶的催化下，与谷氨酸反应生成a-酮戊二酸和天冬氨酸。a-酮戊二酸经二羧酸转位酶运出线粒体。第五十一页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化5、细胞溶胶内NADH的再氧化穿梭机制（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸经谷氨酸-天冬氨酸转位酶与谷氨酸交换运出线粒体。在胞液中，天冬氨酸和a-酮戊二酸在天冬氨酸转氨
22、酶的作用下生成谷氨酸和草酰乙酸，谷氨酸在与天冬氨酸的交换中重新进入线粒体，而草酰乙酸与胞液中的另一分子NADH反应，重复上述循环。胞液中的NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭途径可以转换为线粒体中的NADH，再经电子传递和氧化磷酸化过程，所以胞液中的一分子NADH也可以生成2.5分子ATP。第五十二页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化5、细胞溶胶内NADH的再氧化穿梭机制第五十三页，讲稿共五十七页哦氧化磷酸化6、葡萄糖彻底氧化的总结算第五十四页，讲稿共五十七页哦Questions:有功能的电子转移系统可以用纯化的电子传递链的组分和膜颗粒重新构成。根据下面的每套组分确定最后的电子受体。假定O2存在。NADH、CoQ、复合物、和；NADH、CoQ、细胞色素c、复合物和；琥珀酸、CoQ、细胞色素c、复合物、和；琥珀酸、CoQ、细胞色素c、复合物和。第五十五页，讲稿共五十七页哦Questions:把一种广泛使用的处方止痛药Demerol（地美罗）加入到处在呼吸状态的线粒体悬浮液中，NADH/NAD和CoQ/CoQH2的比例增高。哪个部位电子传递复合物被Demerol抑制？第五十六页，讲稿共五十七页哦感谢大家观看感谢大家观看第五十七页，讲稿共五十七页哦