第十六章生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用

氧化磷酸化 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。
氧化磷酸化
（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
氧化磷酸化 3、ATP合酶的结构和作用机理
电子传递
二、电子传递
（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。
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
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)
电子传递
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。
电子传递 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。
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。
电子传递
电子传递 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。电子传递的方 向为：琥珀酸 →FAD→Fe-S→Q。
电子传递 3、复合体III（细胞色素还原酶）
电子传递 （六）电子传递的抑制剂
氧化磷酸化
三、氧化磷酸化
氧化磷酸化
氧化磷酸化
三、氧化磷酸化
1、能量偶联的假说
电子在传递链中究竟怎样从一个中间载体到另一个 中间载体的过程中促使ADP磷酸化？
三种假说：化学偶联假说、结构偶联假说、化学 渗透假说。
氧化磷酸化 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。
• 1960年，E.Racker的氧化磷酸化的重组实验：
有电子传递能力 但不能使ADP磷酸化 胰蛋白酶 或尿素
超声波
重 组
亚线粒体囊泡
具备氧化磷酸化能力
氧化磷酸化 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。
电子传递 2、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。
电子传递
3、辅酶Q：
是脂溶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24章 生物氧化—— 电子传递和氧化磷酸化作用
第24章 生物氧化——电子传递和氧化磷酸化作用
主要内容
• 概述 • 电子传递 • 氧化磷酸化
概述
一、概述
• 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ATP的过程，笼 统称为生物氧化。 • 生物氧化特点：
在体温下进行，通过酶的催化作用使有机分子 发生一系列的化学变化，同时逐步氧化释放能 量。 氧化过程中产生的能量一般都贮存于一些特殊 的化合物中，主要是ATP中。
电子传递
Typical visible absorption spectra of cytochromes
电子传递 （四）呼吸链的复合体
电子传递 （四）呼吸链的复合体
1、复合体I
电子传递 复合体I中依次进行的反应
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 -），最后 一个电子，经过半醌阴离子中间物（Q· 达到充分还原态泛醌醇（QH2）。
氧化磷酸化
氧化磷酸化 2、质子梯度的形成
电子传递使复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ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。
电子传递
（二）电子传递链
电子从NADH到O2的传递所经过的途径形象地被称为电子 链，也称呼吸链。由一系列的递氢体(hydrogen transfer) 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，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成 水，同时有ATP生成。
电子传递
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。
电子传递 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。
（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 有独特的解偶联蛋白，使氧化磷酸化处于解偶联状态，这 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。
氧化磷酸化 此假说主要包括以下几点内容： 1. 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。 2. 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。 3. 位于线粒体内膜上的ATP合成酶在跨膜的 质子转移驱动反应中催化ADP磷酸化
氧化磷酸化 ATP的合成机制——构象耦联假说 1. 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。 2. 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（tight)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。
电子传递
电子传递 4、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
电子传递
电子传递
All iron-sulfur proteins participate in one-electron transfers in which one 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.
概述
The discovery in 1948 by Eugene Kennedy and Albert Lehninger that mitochondria are the site of oxidative phosphorylation in eukaryotes marked the beginning of the modern phase of studies in biological energy transductions.
电子传递
电子传递
（三）电子载体：
呼吸链电子载体主要有：NAD+、黄素蛋白、
辅酶Q 、铁硫蛋白、铜原子、细胞色素等。
电子传递 1、NAD+ 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＋：R＝H，NADP＋：R＝－PO3H2）
电子传递
电子传递
NAD+-linked dehydrogenases 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
氧化磷酸化
F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体， 具有三个ATP合成的催化位点 （每个β亚基具有一个）。α和β 单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿 αβ复合体（相当于发电机的转 子），并与F0接触，ε帮助γ与F0 结合。δ与F0的两个b亚基形成固 定αβ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。
电子传递
电子传递
A model for the mechanism of O2 reduction by cytochrome oxidase
电子传递 （五）两条主要的呼吸链
复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组 成主要的呼吸链，催 化NADH的脱氢氧化， 复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组 成另一条呼吸链，催 化琥珀酸的脱氢氧化
氧化磷酸化 ATP的合成机制——构象耦联假说
3. 质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，
从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部 是高度不对称的，它的旋转引起β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
Noji H et al. Nature, 1997,386:299-302
氧化磷酸化
P/O比（每对电子沿传递链转移所产生的ATP
数）取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。
氧化磷酸化 4、氧化磷酸化的解偶联和抑制