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1、,8-1 生物氧化概述,8-2 线粒体的结构与功能 8-3 电子传递链 8-4 氧化磷酸化 8-5 线粒体外NADH2的氧化,第八章 电子传递与氧化磷酸化,主要内容,本章重点、难点,重点:（1）呼吸链的概念及其组成，常见的电 子传递抑制剂的作用部位。 （2）氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径，磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比。 难点: 氧化磷酸化的偶联机制：化学渗透学说， ATP合酶的旋转催化理论。,一、生物氧化的概念和特点 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,第一节 生物氧化概述(P171),（一）生物氧化的概念,概念：糖类、脂
2、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）。 实质：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，又称为细胞呼吸。,一、生物氧化的概念和特点,返回,1. 反应由酶催化，反应条件温和； 2. 反应分步进行，顺序性 3. 能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于 ATP中，能量利用率高。 注：真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。,（二）生物氧化的特点,二、生物氧化中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
3、催化下脱羧而生成CO2。 类型： 分为单纯脱羧和氧化脱羧,三、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+、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 。,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O2-,2H+,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构
4、单位。,四、生物氧化的三个阶段,第二节 线粒体的结构与功能(P179),线粒体的结构特点,线粒体有两层膜。中间有膜间隙。 1.外膜：平滑，透性高，外膜的蛋白质含有线粒体孔道蛋白,外膜的主要功能：保持线粒体的形态 2.内膜:含有许多生物活性蛋白质，包括电子传递链和氧化磷酸化的有关组分及许多转运蛋白，是线粒体功能的主要承担者.内膜形成了许多向内褶叠的嵴，嵴的存在大大增加了内膜的面积， 扩大了它产生ATP的能力。 3.基质(matrix)：在嵴和嵴之间构成分隔的区室，内部充满胶状的基质,基质内含有大量的酶及线粒体DNA和核糖体,线粒体是生物氧化的发生场所,线粒体的功能,线粒体普遍存在于动植物细胞内，
5、是需氧细胞产生ATP的主要部位。 真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生的。,第三节 电子传递链（P180）,定义:线粒体基质是底物氧化的场所，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。这种由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的电子传递系统称为电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,一、呼吸链的种类,返回,二.呼吸链的组成,(1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,(2) NADH-Q还原酶(复合物）,(3) 铁硫
6、蛋白,(4) 辅酶Q,(5) 细胞色素还原酶(复合物）,(6) 细胞色素氧化酶(复合物）,(7) 琥珀酸-Q还原酶复合物(复合物 ）,呼吸链由一系列的递氢体和递电子体组成。,返回,(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,NAD+ 和NADP+的结构,NAD+：R=H NADP+：R=PO32-,(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类),功能：将底物上的氢 激活并脱下。 辅酶：NAD+或NADP+,OR,(1)NAD+或NADP+,(烟酰胺腺嘌呤核苷酸类),以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶将底物上的两个氢原子激活脱下，其中一个氢原子以氢阴离子(hydride ion)(H-)的形式转移到NAD+或NAD
7、P+上，另外一个则以氢离子(H+)形式游离到溶液中。 每一个氢阴离子(H- )携带着两个电子，即 NAD+ + 2e- +2H+ NADH + H+ NADP+ + 2e- +2H+ NADPH + H+ 大多数脱氢酶以NAD+ 为辅酶，所以NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,(2)NADH-Q还原酶（复合物）,NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，以FMN 和铁-硫聚簇（Fe-S）为辅基，以辅酶Q为辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 以 FMN 或 FAD 为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。 FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。 FMN(FAD)+2
8、H FAD(FMN)H2,NADH-Q 还原酶先与(NADH+H+)结合并将(NADH+H+) 上的两个氢转移到 FMN 辅基上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。 NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,铁硫蛋白复合物,CoQ,e,e,(3)铁硫蛋白,含有Fe和对酸不稳定的S原子,Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成铁硫中心（铁硫聚簇），Fe通过蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。称为铁硫蛋白（非血红素铁蛋白）。一次可传递一个电子至CoQ。,铁硫聚簇借Fe2+和 Fe3+的互变传递电子，每次传递一个电子.(Fe3+ Fe2+ ),+
9、e-,(4)辅酶Q(泛醌,CoQ，是许多酶的辅酶),辅酶Q（泛醌, CoQ, Q）是电子传递链中的唯一的一种非蛋白质组分，功能基团是苯醌，在电子传递过程中可在醌型（氧化型）与氢醌型（还原型）之间相互转变。NADH和FADH2上的H和电子都必须经过辅酶Q最终传递到氧分子，因此，它是电子传递链的中心和电子集中点。,细胞色素类(cytochrome,cyt）,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。 高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素,b、 c 、c1 、a、a3等。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+
10、Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子(细胞色素为单电子传递体)。,(5)细胞色素C还原酶,（细胞色素bc1复合体，即复合物）,含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。 细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,cytbc1,（6）细胞色素C,细胞色素C是唯一能溶于水的、可被分离出来的独立蛋白质成分，在复合体III和之间传递电子（细胞色素C 交互地与细胞色素还原酶的C1以及细胞色素氧化酶接触）.,(7)细胞色素C氧化酶,(复合物）,由 cyt.a和a3 组成。复
11、合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，在细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时在Cu2+ Cu+间循环，将电子直接传递给O2,也叫末端氧化酶。,(8) 琥珀酸-Q还原酶（复合物）,琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。,* 泛醌 和 Cyt c 不包含在上述四种复合体中。,人线粒体呼吸链复合体,呼吸链的种类
12、和组成, NADH呼吸链 NADH 复合体 CoQ 复合体Cytc 复合体O2 琥珀酸(FADH2) 呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cytc 复合体O2,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合体 I,复合物 III,NADH脱氢酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,FADH2呼吸链,氧化还原电位由低 高, E0越低，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0越高，越易得到电子，处于呼吸链的后面。 当电子从E0 值低的物质传到
13、E0值高的物质时，伴随着自由能的降低，即释放能量: G0= nFE0 = nF （E0受体 E0 供体） 其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。,呼吸链各组分的排列顺序,呼吸链中电子流动方向与ATP的生成,FADH2,2e-,NADH,三.电子传递抑制剂(P184),返回,凡能够阻断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂.,鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素,抗霉素A,D,鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子从NADH到辅酶Q传递 ； 抗霉素A：阻断细胞色素b到c1之间的电子传递; 氰化物、叠氮化物、硫化氢、一氧化碳：阻断电子从细胞色素aa3到氧的传递。,各种抑制剂的作用位点,第
14、四节、氧化磷酸化作用,一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式,二、氧化磷酸化的作用机制,三、磷氧比值,五、氧化磷酸化的调控,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,返回,1、概念：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。,呼 吸 链,能,氧化,磷酸化,偶 联,H2O,一、氧化磷酸化的概念和ATP的生成方式,氧化磷酸化,呼吸链,线粒体,胞液,2、ATP的生成方式,2) 氧化（电子传递水平）磷酸化,1) 底物水平磷酸化,返回,(1)底物水平磷酸化,定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产
15、生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。,每次底物磷酸化产生一个ATP,1,3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ATP,3-磷酸甘油酸激酶,底物水平磷酸化见于下列三个反应 （1）,实验证明，电子由NADH到氧的传递过程中，ATP是在三个不连续的部位生成的: 部位I是在NADH和辅酶Q之间； 部位II 是在辅酶Q和细胞色素c之间； 部位III 是在细胞色素aa3和氧之间。,（2）自由能变化与ATP的生成部位,合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于
16、氧化还原电位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。,在NADH氧化过程中： 有三个反应的G -30.5 kJ / mol FMNH2 Q G -55.6kJ/mol cyt.b cyt.c -34.7 kJ/mol cyt.aa3 O2 -102.1kJ/mol 这三个反应分别与ADP的磷酸化反应偶联。 这些部位称为呼吸链的偶联部位。,二、氧化磷酸化的作用机制,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）,电子传递的自由能驱动
