第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件

第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第七章生物氧化

序言第一節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)與功能第二節(jié)電子傳遞鏈（呼吸鏈）第三節(jié)氧化磷酸化第七章生物氧化

序言生物細(xì)胞將糖、脂、蛋白質(zhì)等燃料分子氧化分解,最終生成CO2和H2O并釋放出能量的作用稱為生物氧化(biologicaloxidation)。生物細(xì)胞將糖、脂、蛋白質(zhì)等燃料分子氧化分解,最第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的能量是逐步釋放的；生物氧化過程中產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在高能化合物（主要是ATP）中；生物氧化具有嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位：

原核生物細(xì)胞膜真核生物線粒體節(jié)首章首生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的能量是逐步釋放的；節(jié)首章首高能磷酸化合物舉例高能磷酸化合物舉例

生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是以還原型輔酶NADH和FADH2形式貯存的；本章將重點(diǎn)討論這些還原型輔酶被氧化、生成ATP的過程，即電子傳遞和氧化磷酸化（electrontransportandoxidativephosphorylation）。

生物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的能量只有一小部分直接形成ATP，大部分是氧化磷酸化作用：

與生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷酸化作用。是將生物氧化過程中釋放出的自由能轉(zhuǎn)移而使ADP形成高能ATP的作用。底物水平磷酸化作用：

從一個(gè)高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸），將磷?；D(zhuǎn)移給ADP形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接與一個(gè)代謝中間物上的磷?；D(zhuǎn)移相耦聯(lián)。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成ATP的機(jī)制。氧化磷酸化作用：

在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)，相關(guān)的酶嵌入線粒體內(nèi)膜。線粒體中的氧化磷酸化是由兩個(gè)緊密偶聯(lián)的過程構(gòu)成的：線粒體的NADH和FADH2通過呼吸電子傳遞鏈（respiratoryelectrontransportchain）被氧化；質(zhì)子濃度梯度可作為自由能庫(kù)。

在真核生物中，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)，第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第一節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)線粒體的結(jié)構(gòu)與功能一、線粒體的基本特征

真核生物中，氧化磷酸化在線粒體中進(jìn)行。外膜含蛋白相對(duì)較少，容許分子量小于10000的離子和水溶性代謝物跨膜擴(kuò)散；內(nèi)膜含有豐富的蛋白質(zhì)，向線粒體腔內(nèi)高度皺褶形成“嵴”，使得表面積大大增加。內(nèi)膜容許不帶電荷的分子（例如水、分子氧和二氧化碳）通透，但大的極性分子和離子不能自由通透，需要特殊的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助才行；線粒體內(nèi)膜和外膜之間的空隙稱為“膜間隙”，膜間隙中含有許多可溶性酶、底物和一些輔助因子。一、線粒體的基本特征真核生物中，氧化磷執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應(yīng)的復(fù)合物以及ATP合成酶復(fù)合物都嵌在內(nèi)膜中。線粒體基質(zhì)中含有丙酮酸脫氫酶、及催化檸檬酸循環(huán)和脂肪酸氧化的大多數(shù)酶。執(zhí)行氧化磷酸化氧化反應(yīng)的復(fù)合物以及ATP合成酶復(fù)合物都嵌在內(nèi)二、線粒體的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在線粒體外反應(yīng)產(chǎn)生的NADH不能直接通過呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，如3-磷酸甘油醛脫氫反應(yīng)和乳酸脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的NADH；線粒體外的NADH不能自由通過線粒體內(nèi)膜，必須借助某些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)才能進(jìn)行電子傳遞，這就是所謂穿梭機(jī)制。體內(nèi)主要有兩種穿梭機(jī)制。二、線粒體的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

在哺乳動(dòng)物的肝臟和其它的某些組織，存在著活躍的蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制。

在哺乳

主要存在于哺乳動(dòng)物的肌肉和腦組織中。

主要存在于哺乳動(dòng)物的肌肉和腦組織中。第二節(jié)電子傳遞鏈（呼吸鏈）

線粒體的內(nèi)膜中有5種與氧化磷酸化有關(guān)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，每種復(fù)合物都催化能量轉(zhuǎn)換過程中的某一部分反應(yīng)。I至IV復(fù)合物含有很多輔助因子，它們參與電子傳遞，而復(fù)合物V是ATP合成酶。標(biāo)準(zhǔn)還原電位（單位為伏特）與標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化（單位為kJ/mol）有直接的關(guān)系：

第二節(jié)電子傳遞鏈（呼吸鏈）

線粒體的內(nèi)膜中有5種與氧化磷酸第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件NADH氧化呼吸鏈

是細(xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因?yàn)樯镅趸^程中絕大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶：返回NADH氧化呼吸鏈?zhǔn)羌?xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因?yàn)樯镧晁嵫趸粑?/p>

由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細(xì)胞色素組成。其中琥珀酸脫氫酶復(fù)合體包括FAD、鐵硫中心和另一種細(xì)胞色素b：返回琥珀酸氧化呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和線粒體中某些重要底物氧化時(shí)的呼吸鏈返回線粒體中某些重要底物氧化時(shí)的呼吸鏈返回線粒體呼吸鏈的組成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（CoQ）細(xì)胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）節(jié)首章首線粒體呼吸鏈的組成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）節(jié)首章首煙酰胺腺嘌呤二核苷酸

利用分子中煙酰胺基團(tuán)的可逆性還原而遞氫，還原形成的NADH即可參與組成呼吸鏈而進(jìn)行電子傳遞。

NAD＋和NADH結(jié)構(gòu)示意圖返回?zé)燉０废汆堰识塑账崂梅肿又袩燉０坊鶊F(tuán)的可第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件

返回返回鐵硫蛋白（鐵硫中心）

分子中常含2或4個(gè)Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個(gè)對(duì)酸不穩(wěn)定硫，其中一個(gè)Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個(gè)不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉(zhuǎn)移到泛醌上。返回鐵硫蛋白（鐵硫中心）分子中常含2或4個(gè)Fe（泛醌

是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能進(jìn)行可逆的加氫反應(yīng)，故也屬于遞氫體。返回泛醌是一種脂溶性的醌類化合物，其分子中的苯醌結(jié)細(xì)胞色素細(xì)胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下：

2Cyt

Fe3++2e－2Cyt

Fe2+細(xì)胞色素是屬于色蛋白類的結(jié)合蛋白質(zhì)，輔基是鐵卟啉的衍生物，因其有顏色又普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，故稱為細(xì)胞色素。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與吸收光譜的不同可將細(xì)胞色素分為a、b和c三類。細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)示意圖返回細(xì)胞色素細(xì)胞色素屬于電子傳遞體，其傳遞電子的方式如下：細(xì)胞色第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件第三節(jié)氧化磷酸化

一、化學(xué)滲透理論

Mitchell在1961年提出了氧化磷酸化的機(jī)制－化學(xué)滲透理論（chemiosmotictheory）。

Mitchell認(rèn)為：還原型輔酶的氧化可以產(chǎn)生跨膜（線粒體內(nèi)膜）的質(zhì)子濃度梯度，而這一質(zhì)子梯度又可以進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)ATP的形成。

第三節(jié)氧化磷酸化

一、化學(xué)滲透理論化學(xué)滲透理論主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

偶聯(lián)需要完整的線粒體內(nèi)膜。膜對(duì)帶電的溶劑是不通透的，否則質(zhì)子濃度梯度將消失，離子代謝物通過特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體跨過膜。通過電子傳遞鏈的電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度，使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間隙）的H＋濃度升高。位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶在跨膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)反應(yīng)中催化ADP磷酸化。

化學(xué)滲透理論主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

偶聯(lián)需要完整的線粒體內(nèi)二、ATP合成機(jī)制

1979年P(guān)aulBoyer提出了ATP合成的結(jié)合-變換機(jī)制（binding-changemechanism），他認(rèn)為：

ATP合成酶含有3個(gè)催化部位，在任一給定時(shí)間，每一部位處于不同的構(gòu)象：開、松弛、或緊縮。所有3個(gè)催化部位都依次經(jīng)歷上述3種構(gòu)象變化。二、ATP合成機(jī)制1979年P(guān)aulBATP的形成和釋放主要涉及以下幾個(gè)步驟：

一分子的ADP和Pi結(jié)合在開部位。質(zhì)子跨過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，引起3個(gè)催化部位發(fā)生構(gòu)象變化。開構(gòu)象（含有新結(jié)合的ADP和Pi）轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙诓课?，已被ADP和Pi填充的松弛部位轉(zhuǎn)變?yōu)榫o縮部位，載有ATP的緊縮部位轉(zhuǎn)變?yōu)殚_部位。ATP從開部位被釋放出來(lái)，同時(shí)在緊縮部位ADP和Pi縮合形成ATP。ATP的形成和釋放主要涉及以下幾個(gè)步驟：第四章生物氧化呼吸鏈與氧化磷酸化課件三、P/O比

指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。ATP合成與質(zhì)子濃度梯度緊密偶聯(lián)，即ATP合成伴隨著質(zhì)子濃度梯度的下降。三個(gè)電子復(fù)合物I、III和IV傳遞大約導(dǎo)致線粒體內(nèi)的10個(gè)H＋轉(zhuǎn)移到膜間隙（復(fù)合物I轉(zhuǎn)移4個(gè)H＋；復(fù)合物III轉(zhuǎn)移4個(gè)H＋；復(fù)合物IV轉(zhuǎn)移2個(gè)H＋）。經(jīng)ATP合成酶流回線粒體基質(zhì)可以驅(qū)動(dòng)2.5個(gè)ATP的合成。三、P/O比指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生的ATP分子而象那樣從支路復(fù)合物II進(jìn)入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復(fù)合物III傳遞到復(fù)合物IV，只能驅(qū)動(dòng)6個(gè)質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。而象對(duì)二（二甲氨基）苯二胺那樣直接提供2個(gè)電子給復(fù)合物IV可以使2個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙。

而象那樣從支路復(fù)合物II進(jìn)入電子傳遞鏈的電子經(jīng)復(fù)合物III傳四、氧化磷酸化抑制劑

氧化磷酸化抑制劑可分為三類，即呼吸抑制劑、磷酸化抑制劑和解偶聯(lián)劑。一、呼吸抑制劑這類抑制劑抑制呼吸鏈的電子傳遞，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基礎(chǔ)，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸鏈某一特定部位被抑制后，其底物一側(cè)均為還原狀態(tài)，其氧一側(cè)均為氧化態(tài)，這很容易用分光光度法(雙波長(zhǎng)分光光度計(jì))檢定，重要的呼吸抑制劑有以下幾種：四、氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑可1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：專一抑制NADH→CoQ的電子傳遞。2、抗霉素A(actinomycinA)由霉菌中分離得到，專一抑制CoQ→Cytc的電子傳遞。3、氰化物、疊氮化物、CO、H2S：抑制細(xì)胞色素c氧化酶。1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素：專一抑制NADH→CoQ的電二、磷酸化抑制劑這類抑制劑抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定會(huì)抑制氧化。例如，寡霉素(oligomycin)可與F0的OSCP(p189)結(jié)合，阻塞氫離子通道，從而抑制ATP合成。

二、磷酸化抑制劑三、解偶聯(lián)劑(uncoupler)

解偶聯(lián)劑使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可以進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行。解偶聯(lián)劑作用的本質(zhì)是增大線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而無(wú)ATP生成。解偶聯(lián)劑只影響氧化磷酸化而不干擾底物水平磷酸化。三、解偶聯(lián)劑(uncoupler)解偶聯(lián)劑的作用使氧化釋放出來(lái)的能量全部以熱的形式散發(fā)。新生兒和動(dòng)物棕色脂肪組織線粒體中有獨(dú)特的解偶聯(lián)蛋白，使氧化磷酸化處于解偶聯(lián)狀態(tài)，這對(duì)于維持他們的體溫十分重要。常用的解偶聯(lián)劑有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-對(duì)-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，雙香豆素(dicoumarin)等，過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。解偶聯(lián)劑的作用使氧化釋放出來(lái)的能量全部以熱的形式散發(fā)。新生兒習(xí)題1.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)要點(diǎn)是什么？2.2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)機(jī)制是什么？3.注射2,4-二硝基苯酚到動(dòng)物體內(nèi)可能引起什么現(xiàn)象？為什么？4.簡(jiǎn)述ADP對(duì)呼吸鏈的調(diào)控作用。5.比較電子傳遞抑制劑，氧化磷酸化抑制劑和解偶聯(lián)試劑對(duì)生物氧化作用的影響并舉例說(shuō)明。習(xí)題1.化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)要點(diǎn)是什么？6.呼吸鏈中各電子傳遞體的排列順序是如何確定的？7.生物體能夠利用的最終能源是：

①有機(jī)物的氧化；②ATP;③磷酸肌酸；④太陽(yáng)光。

8.一分子乙酰輔酶A徹底氧化產(chǎn)生3個(gè)NADH,1個(gè)FADH2和1個(gè)GTP，P/O比值是多少？

9.胞液中NADH如何氧化產(chǎn)生ATP?6.呼吸鏈中各電子傳遞體的排列順序是如何確定的？檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生的能量

在檸檬酸循環(huán)的總反應(yīng)中，對(duì)于進(jìn)入循環(huán)的每個(gè)乙酰CoA都可以產(chǎn)生3分子NADH、1分子FADH2和1分子的GTP或ATP。

通過位于線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈，NADH和FADH2被氧化，伴隨著氧化過程可以進(jìn)行氧化磷酸化生成ATP