生物化学与分子生物学第24章生物氧化课件.ppt

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1、第第24章章生物氧化电子传递和氧化磷酸化生物氧化电子传递和氧化磷酸化Chapter 24 Biological oxidation-electron transfer chain and oxidative phosphorylation 生物氧化生物氧化：有机分子在机体氧化分解成二氧化有机分子在机体氧化分解成二氧化 碳和水并释放出能量的过程。碳和水并释放出能量的过程。特点：特点：在活的细胞中（在活的细胞中（pHpH接近中性、体温条件下），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。体参与下进行，

2、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（如高能化合物（如ATPATP）截获，再供给机体所需。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，又能使释放的能量尽可得到有效而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效 的利用。的利用。第一节第一节 电子传递和氧化呼吸链电子传递和氧化呼吸链 1 1、概念、概念 需氧细胞内糖、脂肪、蛋白质（氨基酸）等通需氧细胞内糖、脂肪、蛋白质（氨基酸）等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括过各自的分解途径所形成的还原性

3、辅酶，包括NADHNADH和和FADHFADH2 2，通过电子传递途径被重新氧化。即还原型通过电子传递途径被重新氧化。即还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称为分子氧并生成水，这个电子传递体系称为电子传递电子传递链链,由于消耗氧，故也叫由于消耗氧，故也叫呼吸链呼吸链。v电子传递链在电子传递链在原核生物原核生物存在于存在于质膜质膜上，在上，在真核真核 细胞细胞存在于存在于线粒体内膜线粒体内膜上。上。2 2、呼吸链的组成、

4、呼吸链的组成 由一系列氢传递体和电子传递体组成，按电子由一系列氢传递体和电子传递体组成，按电子亲和力顺序排列。亲和力顺序排列。主要是蛋白复合体，大致分为四个部分：主要是蛋白复合体，大致分为四个部分：复合体复合体复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体复合体复合体 酶名称酶名称NADH-QNADH-Q还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶细胞色素还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 辅基辅基 FMNFMN，Fe-SFe-S FAD FAD，Fe-SFe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-SFe-S 铁卟啉，铁卟啉，CuCuNADH NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧

5、化呼吸链电电子子传传递递链链标标准准氧氧化化还还原原自自由由能能变变化化NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等琥珀酸等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶-0.2-0.400.20.40.60.8E0/VADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPFADH2 NADH-Q还原酶是电子传递链中还原酶是电子传递链中第一个质第一个质子泵子泵，它是一个大的蛋白质复合体

6、。，它是一个大的蛋白质复合体。1)NADH-Q还原酶还原酶 (NADH脱氢酶、复合体脱氢酶、复合体)MW：88 kDa34条多肽链条多肽链辅基：辅基：FMN和铁和铁-硫聚簇（硫聚簇（Fe-S）辅酶：辅酶辅酶：辅酶Q以以FMN或或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋。为辅基的蛋白质统称黄素蛋。FMN通过氧化还原通过氧化还原变化可接收变化可接收NADH+H+的氢和电子。的氢和电子。传递电子和氢传递电子和氢NADH+H+FMN FMNH2+NAD+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN

7、(黄素蛋白辅基黄素蛋白辅基)FMNFMNH22H2H接受的氢原子接受的氢原子接受的氢原子接受的氢原子接受的氢原子接受的氢原子半醌中间物半醌中间物接受的电子接受的电子铁硫聚簇（铁硫聚簇（Fe-SFe-S中心中心）铁硫聚簇主要以（铁硫聚簇主要以（Fe-SFe-S）、）、(2Fe-2S)(2Fe-2S)或或 (4Fe-4S)(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。铁硫聚簇通过铁硫聚簇通过FeFe3+3+Fe Fe2+2+变化，将氢从变化，将氢从FMNHFMNH2 2上脱下上脱下传给传给CoQCoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子

8、同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.CysCys S S S S S S CysCys FeFe3+3+FeFe3+3+CysCys S S S S S S CysCys CysCys S S S S S S CysCys FeFe3+3+FeFe2+2+CysCys S S S S S S CysCys +e-CoQCoQH22H2H辅酶辅酶Q Q（泛醌、亦简称泛醌、亦简称Q Q）功能基团是苯醌功能基团是苯醌,通过醌通过醌/酚的互变传酚的互变传递氢，递氢，Q(Q(醌型结构醌型结构)很容易接受很容易接受2 2个电子个电子和和2 2个质子，还原成个质子，还原成QHQH2 2（还原型）；还原型

9、）；QHQH2 2也也容易给出容易给出2 2个电子和个电子和2 2个质子，重新氧化成个质子，重新氧化成Q Q。因此，因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。子的传递体。R:R:哺乳动物中为哺乳动物中为1010个异戊二烯单位，简写为个异戊二烯单位，简写为Q Q1010 非哺乳动物中为非哺乳动物中为6-86-8个异戊二烯单位。个异戊二烯单位。作用作用:使辅酶使辅酶Q Q成为非极性化合物，在线粒体内膜成为非极性化合物，在线粒体内膜 的脂双层中可以迅速扩散。的脂双层中可以迅速扩散。泛醌泛醌（醌型或氧化型）（醌型或氧化型）泛醌泛醌H（半醌型）半醌型）二氢二氢泛醌泛醌

10、（氢醌型或还原型）（氢醌型或还原型）辅酶辅酶Q Q：线粒体内膜，线粒体内膜，结合结合 游离游离 接受：接受：NADHNADH、琥珀酸脱氢酶，脂酰琥珀酸脱氢酶，脂酰-CoACoA脱氢酶以及其脱氢酶以及其 它黄素酶类脱下的氢。它黄素酶类脱下的氢。(R)接受的负氢离子接受的负氢离子接受的氢原子接受的氢原子接受的电子接受的电子NAD+NADHHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)2(Fe-S)2e2HCoQCoQH2NADH-QNADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环紫MH2紫M Complex 两个过程：两个过程：1.1.通过通过FMNFMN将基

11、质将基质NADHNADH上的上的:H:H-和一个质子传给和一个质子传给CoQCoQ，放能。，放能。2.2.从基质将从基质将4 4个质子转运到内外膜间隙，需能。个质子转运到内外膜间隙，需能。是呼吸链上第一个质子泵是呼吸链上第一个质子泵2)2)琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶（复合体还原酶（复合体 ）琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，位于线粒也是此复合体的一部分，位于线粒体内膜上，其体内膜上，其辅基包括辅基包括FADFAD和和Fe-SFe-S聚簇聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基其辅基FADFAD还原为还原为FADHFADH2 2

12、，然后然后FADHFADH2 2又将电子传递又将电子传递给给Fe-SFe-S聚簇。聚簇。最后电子由最后电子由Fe-SFe-S聚簇传递给琥珀酸聚簇传递给琥珀酸-CoQCoQ还原酶的还原酶的辅酶辅酶CoQCoQ。电子在从电子在从FADHFADH2 2转移到转移到CoQCoQ上的标准氧化还原上的标准氧化还原电势变化不能产生足够的自由能来合成电势变化不能产生足够的自由能来合成ATPATP，因因此此步骤没有此此步骤没有ATPATP生成。生成。2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)FADFADH22e2H延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸3）细胞色素还原酶）细胞色素

13、还原酶（细胞色素（细胞色素bc1bc1复合体、复合体复合体、复合体、辅酶、辅酶Q-Q-细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶 ）位于位于线粒体内膜线粒体内膜上，其辅基包括上，其辅基包括Cytb562（bH/bK）、）、Cytb566（bL/bT）、Cytc1和铁硫和铁硫蛋白（蛋白（2Fe-2S）。）。两种两种Cytb在细胞色素还原在细胞色素还原酶中以游离形式存在，而酶中以游离形式存在，而Cytc1则以则以共价键与蛋共价键与蛋白质连接白质连接。Cytbc1复合体的作用是将电子从复合体的作用是将电子从QH2转移到转移到CytcCoQ-CytC还原酶还原酶 复合体复合体IIIIII以以Q Q循环方式传递

14、电子，它使循环方式传递电子，它使QHQH2 2上的电子分两路传上的电子分两路传递一个通过递一个通过CytC1CytC1，另一个通过，另一个通过CytbCytb，分别还原两个，分别还原两个CytC,QCytC,Q本身则本身则被氧化。被氧化。QHQH2 2+2CytC1+2CytC1（氧化型）（氧化型）+2H+2H内内+Q+2CytC1Q+2CytC1（还原型）（还原型）+4H+4H外外+细胞色素细胞色素：以铁卟啉（血红素）为辅基的电子：以铁卟啉（血红素）为辅基的电子传递蛋白质的总称传递蛋白质的总称,几乎存在于所有的生物体几乎存在于所有的生物体内。高等动物线粒体呼吸链中主要含有内。高等动物线粒体呼

15、吸链中主要含有5 5种种:细胞色素（细胞色素（cytochrome，Cyt）Cyt主要是通过辅基中主要是通过辅基中Fe3+Fe2+的互变起的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。一个电子。Cyta Cyta3 Cytb Cytc Cytc1血红素血红素A铁铁-原卟啉原卟啉IX（也叫也叫b型血红素）型血红素）c型血红素型血红素细胞色素的辅基细胞色素的辅基铁卟啉：铁卟啉：Fe3+Fe2+e e 波长波长nm还原型还原型Cytc的吸收光谱的吸收光谱CytaCyta的辅基的辅基CytbCytb的辅基的辅基CytcCytc的辅基的辅基细胞色素细胞色素c

16、cl起着在复合体起着在复合体IIIIII和和之间传递电子的作用，之间传递电子的作用，细胞色素细胞色素c c 交互地与细胞色素还原酶的交互地与细胞色素还原酶的C C1 1和和细胞色素氧化酶接触。细胞色素氧化酶接触。l 是是唯一能溶于水的细胞色素唯一能溶于水的细胞色素。由一条。由一条多肽链组成，含多肽链组成，含104104个氨基酸残基，分子量个氨基酸残基，分子量13 13 kDakDa。细胞质细胞质线粒体基质线粒体基质线粒体线粒体外膜外膜线粒体线粒体内膜内膜无血红素细无血红素细胞色素胞色素c c成熟的细成熟的细胞色素胞色素c c血红素血红素合成酶合成酶4)细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶（复合体（复合

17、体、细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶 ）Cyta与与CuA相配合，相配合，Cyta3与与CuB相配合，当电子传相配合，当电子传递时，细胞色素的递时，细胞色素的Fe3+Fe2+间循环，同时间循环，同时Cu2+Cu+间间循环，将电子从循环，将电子从Cytc直接传递给直接传递给O2。O2是最终的电子是最终的电子受体。受体。细胞色素氧化酶也叫末端氧化酶细胞色素氧化酶也叫末端氧化酶。是嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白。其辅基包括两个血红是嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白。其辅基包括两个血红素素 cyta、a3 组成及组成及2个铜原子（个铜原子（CuA，CuB），），构成构成4个个氧化氧化-还原活性中心。还原活性中心。

18、细胞色素氧化酶催化氧接受细胞色素氧化酶催化氧接受4 4个电子的过程。个电子的过程。FeFe3+3+CuCu2+2+FeFe3+3+Cu Cu+FeFe2+2+Cu Cu+e-e-FeFe2+2+-O Cu Cu+=OFeFe3+3+-O-Cu Cu2 2+=O-O-H-H-H-HO O2 2e e-+2H+2H+2H2H2 2O O容易与氧容易与氧气结合气结合过氧中过氧中间体间体高铁中高铁中间体间体FeFe4+4+=O2-2-Cu Cu2+2+O-H-H-H-He e-+2H+2H+3、呼吸链的电子传递抑制剂呼吸链的电子传递抑制剂1）概念：）概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递能够阻断呼吸链中

19、某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。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电子传递抑制剂的使用是研究呼吸链中呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物（阻断部位物质的氧化质的氧化-还原状态可以测出）还原状态可以测出）2）常用的几种电子传递）常用的几种电子传递 抑制剂及其作用部位抑制剂及其作用部位鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素:其作用是其作用是 阻阻断电子在断电子在NADH-Q还原酶内的传递，所以阻断还原酶内的传递，所以阻断了了电子由电子由NADH向向CoQ的传递。的传递。抗霉素抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中干扰电子在细

20、胞色素还原酶中Cytb上的传递，所以阻断电子由上的传递，所以阻断电子由QH2向向CytC1的传递。的传递。氰化物（氰化物（CN-）、）、叠氮化物（叠氮化物（N3-）、）、一氧化一氧化碳（碳（CO）等：等：其作用是阻断电子在细胞色素其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由氧化酶中传递，即阻断了电子由Cytaa3向分子向分子氧的传递。氧的传递。鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抗霉素抗霉素A A 氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物 呼吸链的电子传递抑制剂图示呼吸链的电子传递抑制剂图示 NADH NADH-Q还原酶还原酶 CoQ

21、cytb cytc1 cytc cytaa3 O2生物体内高能磷酸化合物生物体内高能磷酸化合物ATPATP的生成主要由三种方式：的生成主要由三种方式：第四节第四节 氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 光合磷酸化光合磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化:是与电子传递过程偶联的磷酸化过是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子从底物到程。即伴随电子从底物到O O2 2的传递，的传递，ADPADP被磷酸被磷酸化生成化生成ATPATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。联的作用称为氧化磷酸化。一、概念一、概念这是需氧生物

22、合成这是需氧生物合成ATP的主要途径。的主要途径。真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体线粒体内膜内膜上进行。原核生物则在上进行。原核生物则在质膜质膜上进行。上进行。线粒体结构线粒体结构外膜外膜:平滑，含约平滑，含约50%50%脂类和脂类和50%50%蛋白，蛋白蛋白，蛋白质中有些可以形成孔道蛋白，能通过分子量质中有些可以形成孔道蛋白，能通过分子量小于小于4000-50004000-5000的物质。的物质。内膜内膜:含约含约20%脂类和脂类和80%蛋白。它是细胞质蛋白。它是细胞质和线粒体基质之间的主要屏障。内膜有许多和线粒体基质之间的主要屏障。内膜有许多向内的

23、折叠，称为向内的折叠，称为嵴嵴。嵴与嵴之间形成。嵴与嵴之间形成区室区室。内膜上有许多球状颗粒（内膜球体），内膜内膜上有许多球状颗粒（内膜球体），内膜还含有许多富含蛋白质的跨膜颗粒（如电子还含有许多富含蛋白质的跨膜颗粒（如电子传递链颗粒、跨膜运送颗粒等）。传递链颗粒、跨膜运送颗粒等）。二、氧化磷酸化偶联部位及二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比比 当一对电子经呼吸链传给氧（当一对电子经呼吸链传给氧（1/2O2)的过程中所产的过程中所产生的生的ATP分子数。实质是伴随分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧数之比机磷酸的分子数与消耗分子氧数之比,称为称为P/O

24、比。比。1、P/O比：比：1940年，年，S.Ochoa测定了在呼吸链中测定了在呼吸链中O2的消耗与的消耗与ATP生成的关系，提出生成的关系，提出P/O比的概念。比的概念。目前认为，每个目前认为，每个NADH+H+的电子对，经传递能将的电子对，经传递能将10个个质子泵出，而琥珀酸则为质子泵出，而琥珀酸则为6个质子，每驱动一个个质子，每驱动一个ATP合合成需成需4个质子，则个质子，则NADH+H+经呼吸链氧化经呼吸链氧化P/O比为比为2.5(3),FADH2经呼吸链氧化经呼吸链氧化P/O比为比为1.5(2)。2、形成、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）的部位（氧化与磷酸化偶联部位）v电子传

25、递链将电子传递链将NADHNADH和和FADHFADH2 2上的电子传递给氧的上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给过程中释放自由能，供给ATPATP的合成。其中释放的合成。其中释放大量自由能的部位有大量自由能的部位有3 3处，这处，这3 3个部位就是个部位就是ATPATP合合成的部位，称为成的部位，称为偶联部位偶联部位。v即即复合物复合物(将将NADHNADH上的电子传递给上的电子传递给CoQCoQ的过程的过程)、（将电子由（将电子由CoQCoQ 传递给细胞色素传递给细胞色素c c的过程）、的过程）、（将电子从细胞色素（将电子从细胞色素c c传递给氧的过程）传递给氧的过程），ATPATP的

26、合成是由线粒体内膜上的的合成是由线粒体内膜上的ATPATP合酶合酶（复合体（复合体，H H+-ATP-ATP酶酶）催化的。）催化的。（氧氧 还还 电电 位位）NADHQCyt bCyt cCyt aO269.5102.340.5 自由能变化自由能变化（单位：（单位：KJ/molKJ/mol）ADP+Pi ATP 合成合成1mol ATP需需30.5KJ-0.4-0.4-0.2-0.20 00.20.20.40.40.60.60.80.8复合物复合物 IVIV复合物复合物 IIIIII复合物复合物 I I所以，所以，3 3个个 ATPATP共截获的能量为：共截获的能量为：43%43%330.5

27、KJ330.5 KJ69.5+40.5+102.5 KJ69.5+40.5+102.5 KJ三、氧化磷酸化作用的机理三、氧化磷酸化作用的机理1.1.有关氧化磷酸化机理的几种假说有关氧化磷酸化机理的几种假说 化学偶联假说化学偶联假说 构象偶联假说构象偶联假说 化学渗透假说化学渗透假说（1 1）化学偶联假说（）化学偶联假说（19531953年年,E.Slater,E.Slater）（chemical coupling hypothesischemical coupling hypothesis）认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价

28、中间物，它们随后裂解驱动氧化学反应形成高能共价中间物，它们随后裂解驱动氧化磷酸化，即将其能量转移到化磷酸化，即将其能量转移到ADPADP中形成中形成ATPATP。（2 2）构象偶联假说（）构象偶联假说（1964,P.Boyer1964,P.Boyer）（conformational coupling hypothesisconformational coupling hypothesis）认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过种高能形式通过ATPATP

29、的合成而恢复其原来的构象。的合成而恢复其原来的构象。(3)(3)化学渗透假说（化学渗透假说（19611961）（ChemiosmoticChemiosmotic hypothesis hypothesis）19611961年由英国生物化学家年由英国生物化学家Peter MitchellPeter Mitchell最先提出。最先提出。认为电子传递释放的自由能和认为电子传递释放的自由能和ATPATP的合成是与的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动传递释放的自由能驱动H H+从线粒体基质跨过内膜从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙

30、，从而形成跨线粒体内膜的进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H H+离子梯离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势电化学电势驱驱动动ATPATP的合成。的合成。获得获得19781978年的诺贝尔化学奖年的诺贝尔化学奖NADHNADH呼吸链中的三个复合物呼吸链中的三个复合物、起着质子泵的作用，将起着质子泵的作用，将H H+从线粒体从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。基质跨过内膜进入膜间隙。化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图H H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起

31、质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F Fo oF F1 1-ATP-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATPATP的合的合成。成。线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 O2 H2O+-H+e-H+ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图支持化学渗透假说的实验证据：支持化学渗透假说的实验证据：氧

32、化磷酸化作用的进行需要封闭的氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜存在。线粒体内膜对线粒体内膜对H H+OH OH-K K+ClCl-都是不通透的。都是不通透的。破坏破坏H H+浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑 制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H H+从线粒从线粒 体内膜逐出到线粒体膜间隙。体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质 子，并且在一定条件

33、下质子能够沿膜表面迅速转移。子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATPATP形成形成 有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体 的高能存在形式。的高能存在形式。H H+如何通过电子传递链如何通过电子传递链“泵泵”出的？出的？关于关于H H+通过电子传递链通过电子传递链“泵泵”出的两种假设出的两种假设q氧化氧化-还原回路机制还原回路机制(MitchellMitchell提出）：提出）：线粒体内膜呼吸链的线粒体内膜呼吸链的各个氧各个氧-还中心还中心即即FMNFMN、Co

34、QCoQ、CytCCytC以及以及Fe-SFe-S中心的排列可能即执中心的排列可能即执行电子转移又能转移基质的质子。但是在电子传递链中，行电子转移又能转移基质的质子。但是在电子传递链中，(H+e(H+e-）载体只有两个即载体只有两个即FMN FMN CoQCoQ，则三个则三个ATPATP合成部位中还缺少一个合成部位中还缺少一个(H(H+e+e-）载体，假设载体，假设CoQCoQ发挥两次作用发挥两次作用 (Q(Q循环）循环）。q质子泵机制：质子泵机制：电子传递导致复合体的构象变化，而造成电子传递导致复合体的构象变化，而造成AAAA侧侧 链链pKpK 的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外

35、侧的变化，发挥质子泵作用的侧链暴露在内膜内侧或外侧 （交替变化），从而使质子发生移位。合成一个（交替变化），从而使质子发生移位。合成一个ATPATP，大约需要大约需要 2-32-3个跨膜质子。个跨膜质子。v线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为粒，称为F Fo oF F1 1-ATP-ATP合酶，也叫合酶，也叫ATPATP合酶复合体或合酶复合体或ATPATP合酶，合酶，是是ATPATP合成的场所。它由合成的场所。它由F Fo o、F F1 1两部分组成。两部分组成。vF Fo o由由4 4种不同的肽链组成，是跨线粒体内膜的疏水蛋种不

36、同的肽链组成，是跨线粒体内膜的疏水蛋白质，白质，它是质子通道它是质子通道。F F1 1由由5 5种种9 9条肽链组成，呈球状，条肽链组成，呈球状，是复合体的头，与是复合体的头，与F Fo o结合后这个头伸向膜内基质。结合后这个头伸向膜内基质。vF Fo o是膜外质子返回膜内的通道，是膜外质子返回膜内的通道，F F1 1是催化是催化ATPATP合成的合成的部位，当膜外的质子经部位，当膜外的质子经F Fo o质子通道到达质子通道到达F F1 1时便推动时便推动ATPATP的合成。的合成。ATPATP的合成机制的合成机制F F1 1部分包括部分包括9 9个亚基个亚基:3 3、3 3、。亚基是催化亚基

37、是催化ATPATP合合成的部位，成的部位，亚基连接亚基连接F FO O和和F F1 1。OSCP F1H+通道通道 FO柄柄DCCD结合蛋白结合蛋白基质表面基质表面外表面外表面 F6F Fo o上有二环己基二亚胺（上有二环己基二亚胺（DCCDDCCD，DCCDCC，DCCIDCCI）结合蛋白，这些蛋结合蛋白，这些蛋白围成桶状，具有离子通道，通白围成桶状，具有离子通道，通道内部有谷氨酸残基（大肠杆菌道内部有谷氨酸残基（大肠杆菌是天冬氨酸残基），这些残基可是天冬氨酸残基），这些残基可与与DCCDDCCD结合，从而结合，从而抑制质子通过抑制质子通过F Fo o 。连接连接F F1 1部分和部分和F

38、Fo o部分是一个部分是一个短柄，包含有两种蛋白质，短柄，包含有两种蛋白质，寡霉素敏感性付与蛋白寡霉素敏感性付与蛋白（OSCPOSCP）和偶合因子和偶合因子6 6（F F6 6），），寡霉素可与寡霉素可与F Fo o结合，抑制质结合，抑制质子通过子通过F Fo o。氧化磷酸化重建示意图氧化磷酸化重建示意图ATP酶作用机理酶作用机理（结合变化机制）（结合变化机制）ADP+PiProton FluxH+ATP+H2O ATPProton FluxADP+Pi有利于有利于ADP与与Pi结合的构象结合的构象有利于与有利于与ATP 结合的构象结合的构象有利于有利于ATP释放的构象释放的构象不同的化学因素

39、对氧化磷酸化作用的影响方式不不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同，据此将它们分成三大类：同，据此将它们分成三大类：四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.1.解偶联剂解偶联剂 其作用是使电子传递和其作用是使电子传递和ATPATP形成的两个过程分开，形成的两个过程分开，失掉它们的紧密联系，使失掉它们的紧密联系，使ATPATP不能合成，这种作用称为不能合成，这种作用称为解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂。解偶联剂解偶联作用，这类化合物成为解偶联剂。解偶联剂不不抑制电子传递抑制电子传递。不抑制底物水平的磷酸化。不抑制底物水平的磷酸化。解偶联剂解偶联剂 离子载体抑制

40、剂离子载体抑制剂 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线线粒粒体体内内膜膜内内外外DNP在在pH=7的环境中以的环境中以解离形式解离形式存在，是脂不溶的，不能过膜。存在，是脂不溶的，不能过膜。在酸性环境中接受在酸性环境中接受H+,成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时成为不解离形式，是脂溶性的，很容易过膜，同时 将将H+带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称质子载体型试剂。带入膜内，起消除质子浓度梯度的作用。亦称质子载体型试剂。起同样作用的有三氟甲氧基苯腙羰基氰化物

41、（起同样作用的有三氟甲氧基苯腙羰基氰化物（FCCP）。）。直接作用于直接作用于ATPATP合酶复合体而抑制合酶复合体而抑制ATPATP合成的一合成的一类化合物。由于它干扰了由电子传递的高能状态形类化合物。由于它干扰了由电子传递的高能状态形成成ATPATP的过程，的过程，从而间接抑制电子传递从而间接抑制电子传递和降低和降低O O2 2的的利用率。（区别于电子传递链抑制剂）利用率。（区别于电子传递链抑制剂）寡霉素、双环己基碳二亚胺寡霉素、双环己基碳二亚胺:抑制抑制F FO OF F1 1某些蛋白的活性某些蛋白的活性2.2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂寡霉素等对利用氧的抑制作用可被寡霉素等对利用

42、氧的抑制作用可被DNPDNP解除。解除。是一类脂溶性物质，能与是一类脂溶性物质，能与H H+以外的其他一以外的其他一价阳离子结合，并作为他们的载体使他们能过价阳离子结合，并作为他们的载体使他们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。穿过膜，消除跨膜的电位梯度。3.3.离子载体离子载体（离子载体抑制剂离子载体抑制剂）缬氨霉素（缬氨霉素（K K+）短杆菌肽（短杆菌肽（K K+Na Na+）电子传递抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂电子传递抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂与电子传递、与电子传递、ATPATP形成和氧消耗的关系形成和氧消耗的关系例：例：HCN，二硝基苯酚，二硝基苯酚，寡霉素寡霉素HCN电子传

43、递中止电子传递中止ATP形成受阻形成受阻氧消耗停止氧消耗停止DNP电子传递电子传递okATP形成受阻形成受阻氧消耗氧消耗ok寡霉素寡霉素ATP形成受阻形成受阻电子传递受阻电子传递受阻氧消耗停止氧消耗停止DNPATP形成形成电子传递电子传递ok氧消耗氧消耗ok 真核细胞细胞质中产生的真核细胞细胞质中产生的NADHNADH必须在线粒必须在线粒体中才能经呼吸链氧化并生成体中才能经呼吸链氧化并生成ATPATP。但细胞质中但细胞质中通过通过EMPEMP途径产生的途径产生的NADHNADH不能直接透过线粒体内不能直接透过线粒体内膜。需通过两个穿梭途径进入。膜。需通过两个穿梭途径进入。甘油甘油-3-3-磷酸

44、穿梭磷酸穿梭 (昆虫飞行肌）昆虫飞行肌）苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭（肝肝 心中）心中）五、细胞质内五、细胞质内NADH的再氧化的再氧化1.1.甘油甘油-3-3-磷酸穿梭磷酸穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）NADHNADHFMN FMN CoQCoQ b b c c1 1 c c aaaa3 3 O O2 2线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油甘油-3-3-磷酸磷酸 NADHNADHNADNAD+甘油甘油-3-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶甘油甘油-3-3-磷酸磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮FADFAD FADHFADH2 2甘油甘油-3-3-磷磷酸脱氢酶酸脱

45、氢酶苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸NADHH内膜内膜线粒体内线粒体内线粒体外线粒体外-酮戊二酸酮戊二酸NADE1NADNADHHE1E2E2 谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸P1P22 2、苹果酸天冬氨酸穿梭：苹果酸天冬氨酸穿梭：E E1 1：苹果酸脱氢酶；苹果酸脱氢酶；E E2 2：天冬氨酸氨基转移酶；天冬氨酸氨基转移酶；P P1 1：苹果酸苹果酸-酮戊二酸载体；酮戊二酸载体；P P2 2：谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸载体天冬氨酸载体六、氧化磷酸化的调控六、氧化磷酸化的调控ADPADP作为关键物质对于氧化磷酸化作用的调节作为关键物质对于氧化磷酸化作用的调节称为呼吸控制（称为呼吸控制（respiratory control)respiratory control)。当细胞利用当细胞利用ATPATP做功时，做功时，ADPADP含量上升，促进氧含量上升，促进氧化磷酸化作用合成化磷酸化作用合成ATPATP。Chance Chance 和和WalliamsWalliams根据线粒体利用氧的情况，根据线粒体利用氧的情况，将呼吸功能分为五种状态将呼吸功能分为五种状态无底物无底物/无无ADP