线粒体氧化体系与呼吸链氧化磷酸化与ATP的生成培训课件

线粒体氧化体系与呼吸链 氧化磷酸化与ATP的生成
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线粒体氧化体系
➢ 主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程
➢ 特点：反应温和，需要酶的催化，氧化反应逐步进行，能量逐步释放
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营养物质氧化的一般过程
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红素 a3，CuA,
侧）
CuB
泛醌和细胞色素c 不包含在上述四 种复合体中
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（一） 复合体Ⅰ将NADH+H+中的电子传递给泛醌
➢ 复合体Ⅰ：NADH-泛醌还原酶、NADH脱氢酶 ➢ 接受来自NADH+H+的电子并转移给泛醌 ➢ 复合体Ⅰ可催化两个同时进行的过程：
电子传递： NADH→FMN→Fe-S→ Q 质子的泵出：复合体Ⅰ有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜 基质侧泵到胞浆侧
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复合体Ⅰ介导的电子传递过程
NADH+H+
FMN
NAD+
FMNH2
还原型Fe-S 氧化型Fe-S
Q QH2
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（二）复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递到泛醌
➢ 复合体Ⅱ：琥珀酸-泛醌还原酶，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶 ➢ 电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S →Q ➢ 复合体Ⅱ：无H+泵的功能
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（三）复合体Ⅲ将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c
➢ 复合体Ⅲ：泛醌-细胞色素C还原酶 ➢ 人复合体Ⅲ含有 Cyt b(b562, b566)、Cyt c1和一种可移动的铁
释放的能量用于生成ATP
线粒体氧化体系与呼吸链线粒体内膜的传递电子的复合体
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人线粒体呼吸链复合体的组成
人线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称
质量 （kD）
多肽链 数
功能辅基
含结合位点
复合体 I NADH-泛
850
醌还原酶
复合体 II 琥珀酸-泛
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➢氧化过程如何偶联ADP 的磷酸化过程？
➢每条呼吸链各产生多少 ATP？
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（一）P/O 比值
指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对 电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）
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呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位
氧化还原对
NAD+ /NADN+H+
FMN /FMNH2 FAD /FADH2 Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+ Q10 /Q10H2
E0‘(V) －0.32 －0.219 －0.219 0.05(0.10) 0.06
4个H+，复合体Ⅲ有质子泵作用 ➢ Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包
含在复合体中 ➢ Cyt c将获得的电子传递到复合体IV
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（四）复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧
➢ 复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶 ➢ 电子传递：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3–CuB→O2 ➢ CuA和Cyt a3–CuB形成双核中心，将电子传递给O2 ➢ 质子泵功能：每传递2个电子使2个H+跨内膜向膜间隙侧转移
熟悉
1. 化学渗透学说与ATP的生成机制 2. 呼吸链抑制剂的种类及作用特点 3. ROS的种类及生成机制 4. 清除ROS的抗氧化酶
了解 微粒体的生物氧化
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第一节
线粒体氧化体系与呼吸链
Biological oxidation in mitochondria and the mitochondrial respiratory chain
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一、呼吸链由4种具有传递电子能力的蛋白质复合体组成
➢ 4个蛋白质复合体，位于线粒体内膜 ➢ 含多种具有传递电子能力的辅基，如FMN、Fe-S、金属离子等 ➢ 蛋白复合体、泛醌以及细胞色素c协同完成电子传递到氧的过程 ➢ 电子传递过程伴随H+移至线粒体内膜的胞质侧，形成跨内膜H+梯度，
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（二）自由能变化
➢ 根据自由能变化确定偶联部位
⊿Gº’ = -nF ⊿Eº'
n：传递电子数；F：法拉第常数
➢ 合成1摩尔ATP 需能量约30.5kJ
偶联部位
NADH~CoQ CoQ~Cytc Cyta-a3~O2
电位变化 (∆E0')
自由能变化 (∆G0')
0.36V
69.5KJ/mol
0.21V
血红素a 血红素b
➢通过血红素辅基 Fe2+⇌ Fe3++e- 反应传递电子 ➢单电子传递体
血红素c
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具有传递电子能力的蛋白复合体组成线粒体呼吸链
线粒体呼吸链： 生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程 与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多 种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为线粒体呼吸链（ mitochodrial respiratory chain）。也称电子传递链(electron transfer chain)
硫蛋白(Rieske protein) ➢ 泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集氢并穿梭传递到复合体Ⅲ ➢ 电子传递：QH2→(Cyt bL→Cyt bH) →Fe-S →Cytc1→Cytc
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复合体Ⅲ的电子传递
➢ 复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现 ➢ 复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放
➢功能基团：芳环中五价氮和三价 氮间的变化
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线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
➢水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2, ➢为单双电子传递体
FMN/FMNH2
➢结构中含核黄素 ➢ 异咯嗪环为功能基团
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线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
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线粒体氧化体系需要递氢体和递电子体
➢电子直接传递： Fe2+ ⇌ Fe3+ + e ➢以氢原子的形式传递电子 2H ⇌ 2H+ + 2e
递电子体
递氢体
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线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
➢水溶性辅酶或辅基： NAD+ /NADH, NADP+/NADPH ➢为双电子传递体
➢ 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：NADH和FADH2通过 线粒体呼吸链被氧化生成水的过程伴随着能量的释放，驱动ADP磷 酸化生成ATP。即NADH和FADH2的氧化过程与ADP磷酸化过程相 偶联，释放的能量用于生成ATP
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复合体 I
复合体 III 复合体 IV
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二、氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度
化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
➢ 电子经呼吸链传递时释放的能量，通过复合体的质子泵功能，转运H+从线 粒体基质到内膜的胞质侧
➢ 质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质，从而形成跨线粒体内膜的质子电 化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），储存电子传递释放的能量
➢ 质子的电化学梯度转变为质子驱动力，促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回 流至基质、释放储存的势能，用于驱动ADP与Pi结合生成ATP
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40.5KJ/mol
0.53V
102.3KJ/mol
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能否生成ATP (G0'是否大于30.5KJ)
能 能 能
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呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需
➢一对电子经NADH氧化呼吸链氧化，偶联生成2.5分子的ATP ➢一对电子经琥珀酸呼吸链氧化，偶联产生1.5分子ATP
140
43
FMN，Fe-S NADH（基质侧）
Q（脂质核心）
4
FAD，Fe-S 琥珀酸（基质侧）
醌还原酶
复合体 III 泛醌-细胞
250
色素 c 还原
酶
Q（脂质核心）
11
血红素 bL， Cyt c（膜间隙
bH，c1，Fe-S
侧）
复合体 IV 细胞色素 c
162
氧化酶
13 血红素 a，血 Cyt c（膜间隙
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• 复合体IV的电子传递过程
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复合体IV的CuB-Cyta3将电子传递给O2、生成水
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二、NADH和FADH2是呼吸链的电子供体
NADH和FADH2是线粒体呼吸链的电子供体，形成两条呼吸链
氧化还原对 Cyt c1 Fe3+ /Fe2+ Cyt c Fe3+ /Fe2+ Cyt a Fe3+ /Fe2+ Cyt a3 Fe3+ /Fe2+
1/2O2 /H2O
E0‘(V) 0.22 0.254 0.29 0.35 0.816
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➢ NADH氧化呼吸链 ➢ 琥珀酸氧化呼吸链
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第二节
氧化磷酸化与ATP的生成
Oxidative phosphorylation and production of ATP
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ATP生成方式
➢ 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation): 与底物分子的高能键水解相偶联，使ADP磷酸化生成ATP
➢脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）
➢人体：CoQ10，含10个异戊二烯单位 ➢可在线粒体内膜中自由扩散 ➢传递质子和电子
QH Q
QH2
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线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
铁硫蛋白 (iron-sulfur protein ) ➢ 辅基：铁硫中心(Fe-S)含铁离子和硫原子 ➢ 通过 Fe2+ ⇌ Fe3++e- 反应传递电子 ➢ 单电子传递体
线粒体氧化体系与呼吸 链氧化磷酸化与ATP的
生成
第一节 线粒体氧化体系与呼吸链 第二节 氧化磷酸化与ATP的生成 第三节 氧化磷酸化的影响因素 第四节 其他氧化与抗氧化体系
线粒体氧化体系与呼吸链 氧化磷酸化与ATP的生成
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重点难点
掌握
1. 生物氧化的概念 2. 线粒体呼吸链的组成及功能 3. 氧化磷酸化的概念、意义及其影响因素 4. ATP在能量代谢中的作用
1、NADH氧化呼吸链 NADH →复合体Ⅰ→CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
2、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 →复合体Ⅱ →CoQ →复合体Ⅲ→Cyt c →复合体Ⅳ→O2
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呼吸链各组分的排列顺序的实验依据
➢ 标准氧化还原电位 ➢ 特异抑制剂阻断 ➢ 还原状态呼吸链缓慢给氧 ➢ 将呼吸链拆开和重组
Fe-S
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Fe2S2
Fe4S4
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线粒体氧化体系的递氢体和递电子体
细胞色素蛋白 （cytochrome , Cyt） ➢含血红素样辅基的蛋白质 ➢分Cyt a、b、c 及不同的亚类
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细胞色素a，b，c 结合的血红素辅基
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生物氧化
➢ 物质在生物体内进行的氧化分解称生物氧化(biological oxidation) ➢ 生物氧化发生的部位：细胞胞质、线粒体、微粒体等 ➢ 线粒体氧化体系：通过酶促反应将营养物质氧化分解为CO2 和
H2O，并释放能量，产生ATP ➢ 微粒体氧化体系：利用氧化酶类对底物进行加氧修饰，不产生ATP
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化学渗透假说示意图
线粒体氧化体系与呼吸链 氧化磷酸化与ATP的生成
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质子的跨内膜梯度
➢复合体I，III，IV都具有质子泵功能 ➢呼吸链每传递2个电子使10个H+跨内膜向胞浆侧转移 ➢线粒体胞浆侧的质子浓度、正电荷远高于基质 ➢形成跨内膜的浓度和电位差（电化学梯度）