第八章电子传递体系与氧化磷酸化ppt课件

谷草转氨酶
谷草转氨酶
天冬氨酸 -酮戊二酸 Ⅲ -酮戊二酸 天冬氨酸
呼吸链
Ⅳ
（Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ为膜上的转运载体）
2,4-二硝基苯酚的解偶联作用
NO2 H+
NO2
O-
NO2
外
内
NO2
NO2
NO2
线
OH
粒
体
内
膜
NO2 OH
一、生物氧化的特点 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
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，又能使释 放的能量尽可得到有效的利用。
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 （ eclctron transfer chain),因为其 功能和呼吸作用直接相关， 亦称为呼吸链。
原
0.4
自
由
能
0.6
变
化
0.8
NADH
FMN Fe-S CoQ
复合体 I
NADH 脱氢酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
复合物 III
细胞色素 C还原酶
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素C
氧化酶
O2
铁-硫蛋白
2Fe-2S
线粒体基质
(bL)
c1
(b562)
(b566)
(bH)
Cyt b
细胞色素还原酶 部分结构模式
ADP + Pi
生物氧化过程中 释放出的自由能
ATP + H2O
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生的ATP分子数。
NAD+
3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮
线
粒
体
内
FADH2
膜
3-磷酸甘油
FAD
NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2
（线粒体基质）
苹果酸-草酰乙酸穿梭作用
细胞液
线粒体内膜体
线粒体基质
NAD+ 苹果酸
苹果酸 脱氢酶
Ⅰ
苹果酸
NAD+
苹果酸 脱氢酶
NADH+H+ 草酰乙酸 谷氨酸
Ⅱ
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+H+
第八章 电子传递体系与氧化磷酸化
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 和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧 化体系作一般介绍。
思考
目录
第一节 生物氧化的特点和方式 第二节 线粒体电子传递体系 第三节 氧化磷酸化作用 第四节 其它氧化体系（自学）
第一节 生物氧化的特点和方式
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。
Cyt c
Cyt aa3 复合物 IV
O2
第三节 氧化磷酸化作用
一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、氧化磷酸化的解偶联和抑制 四、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 五、葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 六、能荷
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+Pi→ATP）,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。
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 F1
配置 /亚基之间的不
对称的相互作用,引起
H+通道
O催 S亚C化基P位的点中性柄心质的-螺转旋变被,
认为是转子,亚基I和II
与FO亚基组合在一起组 成定子,它压住 /异
DCCD质结六合聚蛋体白.
有于ADP与Pi 结合的构象
ATP酶作用机理
Cyt c
Cyt aa3
复合物 IV
细胞色素
氧化酶
O2
NADH呼吸链电子传递和水的生成
MH2
还原型代 谢底物
M
氧化型代 谢底物
NAD+ NADH+H+
FMNH2
Fe
FMN
CoQ
S
CoQH2
2e 2Fe2+
细胞色素
b- c- c1 -aa3
2Fe3+
2H+
1
2 O2 O2H2O
琥珀酸 延胡索酸
FADH2呼吸链电子传递和水的生成
NAD(P)H +
黄素蛋白酶类
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白
递氢机理：FAD(FMN)+2H
FAD(FMN)H2
类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）
需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）
铁硫蛋白
特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和
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.
ATP合酶结构示意图
基质表面
外表面 定子
旋转催化理论认为
2H+
FAD
Fe
FADH2
CoQH2
S
CoQ
2Fe3+
细胞色素
b- c1 - c-aa3
2e 2Fe2+
O2-
1
2 O2
H2O
呼吸链中电子传递时自由能的下降
NADH FADH2
2e-
电
-0.4 E0/V
子
传 -0.2
递
链
琥珀酸等 FMN Fe-S
标
0
准
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q
氧
0.2
还原酶
化
还
传递电子机理：Fe3+
+e -e
Fe2+
电子传递 抑制剂
鱼藤酮 安密妥
琥珀酸
FMN
Fe-S
复合物 II
抗霉素A
NAD FP Q b c aa3
NAD FP Q b c aa3
抗霉素 A的 抑制部位
呼吸链的比拟图解
氰化物 CO
NADH FMN
复合物 I
Fe-S CoQ
Cyt b
复合物 III
Fe-S Cyt c1
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：
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+ NADH+H+ NAD+
2e
电子传递链
2H+
1\2 O2 O= H2O
线粒体结构
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β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。
ATPase的旋转催化模型
定子
转子
II I
IV III
氧化
__________
NADH+H+
2e-
ADP+Pi
2H+ ATP
4H+ 2H+ H2O
2H+
高 质
4H+
子 浓
2H+ 度
质子流 2H+
2H+
FeS FMN
FeS 2e-
NADH+H+ NAD+
线粒体电子传递和H+
4H+
Cytc Cytc
CytbCKytc
1
Q
FeS Cytbr
复合物 III
2H+
例 实测得NADH呼吸链： P/O~ 3
NADH
2e-
1 2
O2
ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP
H2O
实测得FADH2呼吸链： P/O~ 2
FADH2
2e-
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
1 2
O2
H2O
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
传递电子机理：
+e
Fe3+
Fe2+
－e
+e
Cu2+
Cu+
－e
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H
CoQH2
铁硫蛋白的结构及递电子机理
1Fe 0S24Cys
2Fe 2S24Cys
4Fe 4S24Cys
传递电子机理：Fe3+
+e -e
Fe2+
S Fe
细胞色素血红素的结构 还原型Cytc的吸收光谱
波长/nm
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：α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和单纯脱羧
例： R
H2N-CH-COOH
氨基酸脱羧酶
R CH2-NH2 +CO2
O
丙酮酸脱氢酶系
CH3-C-Cห้องสมุดไป่ตู้OH
CH3COSCoA+CO2
CoASH NAD+
NADH+H+
S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成 Fe—S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。
+e
传递电子机理：Fe3+
Fe2+
-e
CoQ
特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂
溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由 泳动。
+2H
传递氢机理：CoQ
CoQH2
－2H
细胞色素
•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 3、质子梯度的形成 4、ATP合成的机制
线粒体 ATP合酶
化重建示意图
化学渗透
(chemiosmotic hy
辅酶Q （CoQ）
Cyt b
Fe-S 细胞色素类 Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3 O2
FADH2 呼吸链
琥珀酸等 FAD
Fe-S
复合物 II
琥珀酸-辅酶Q 还原酶
NADH
FMN Fe-S CoQ
复合体 I
NADH 脱氢酶
Cyt b Fe-S Cyt c1
复合物 III
细胞色素 还原酶
NADH 呼吸链
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 链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，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。
Cytc
Cyta Cyta3
2e-
1 2
O2
+2H+
HH2O2O
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β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β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。
ADP+Pi
Proten Flux
有利于ATP 释放的构象
有于ADP与Pi 生成的构象
ATP
Proten Flux
ADP+Pi
H+
ATP +H2O
四、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用
• 磷酸甘油穿梭系统
酵解
（细胞质）
氧化磷酸化
（线粒体）
•苹果酸天冬氨酸穿梭系统
-磷酸甘油穿梭
NADH
（细胞液）
磷酸二羟丙酮
呼吸链的组成
1. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （iron—sulfur proteins) 3. 辅酶Ｑ （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）
琥珀酸等
黄素蛋白 （F AD）
铁硫蛋白 （Fe-S）
NADH
黄素蛋白 （FMN） 铁硫蛋白 （Fe-S）
Cyt c
23K
III
21K 36K
,4K ,12K
8K
线粒体基质 17K
,, 4K
细胞色素氧化酶 结构示意图
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应: NADH+H++1/2O2→NAD++H2O ΔG°′=-nFΔE°′
=-2×96.5×[0.82-(-0.32)] =-220.07千焦·mol-1
FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化
总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2O ΔG°′=-nFΔE°′
= -2×96.5×[0.82-(-0.18)] =-193.0千焦·mol-1
烟酰胺脱氢酶类
特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在
于线粒体、基质或胞液中。
传递氢机理:
NAD(P) + + 2H+ +2e H+
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( ΔH+ )驱动 ATP的合成。
内膜
膜间隙
H+
e-
基质
底物 电子传递链
H+
ADP+Pi