线粒体氧化体系与呼吸链+氧化磷酸化与ATP的生成课件.pptx

1、第六章 生物氧化Biological Oxidation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重点难点熟悉了解掌握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.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的抗氧化酶微粒体的生物氧化线粒体氧化体系与呼吸链第一节Biological oxidation in mitochondria and the mitochondrial respirat

2、ory chain 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生物氧化 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，能量逐步释放线粒体氧化体系 营养物质氧化的一般过程线粒体氧化体系需要递氢体和递电子体 递电子体递氢体电子直接传递：Fe2+Fe3+e以氢原子的形式传递电

3、子 2H 2H+2e 水溶性辅酶或辅基：NAD+/NADH,NADP+/NADPH为双电子传递体线粒体氧化体系的递氢体和递电子体 功能基团：芳环中五价氮和三价氮间的变化水溶性辅酶或辅基：FAD/FADH2,FMN/FMNH2为单双电子传递体线粒体氧化体系的递氢体和递电子体 结构中含核黄素 异咯嗪环为功能基团脂溶性有机化合物：泛醌（ubiquinone，CoQ，Q）线粒体氧化体系的递氢体和递电子体 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QQHQH2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+Fe

4、3+e-反应传递电子 单电子传递体线粒体氧化体系的递氢体和递电子体 Fe-SFe2S2Fe4S4 细胞色素蛋白（cytochrome,Cyt）含血红素样辅基的蛋白质分Cyt a、b、c 及不同的亚类线粒体氧化体系的递氢体和递电子体 细胞色素a，b，c 结合的血红素辅基血红素a血红素b血红素c通过血红素辅基 Fe2+Fe3+e-反应传递电子单电子传递体 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

5、吸链（mitochodrial respiratory chain）。也称电子传递链(electron transfer chain)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，释放的能量用于生成ATP 一、呼吸链由4种具有传递电子能力的蛋白质复合体组成线粒体内膜的传递电子的复合体人线粒体呼吸链复合体的组成泛醌和细胞色素c不包含在上述四种复合体中人人线线粒粒体体呼呼吸吸链链复复合合体体 复合体 酶名称 质量（kD）多肽链数

6、 功能辅基 含结合位点 复合体 I NADH-泛醌还原酶 850 43 FMN，Fe-S NADH（基质侧）Q（脂质核心）复合体 II 琥珀酸-泛醌还原酶 140 4 FAD，Fe-S 琥珀酸（基质侧）Q（脂质核心）复合体 III 泛醌-细胞色素 c 还原酶 250 11 血红素 bL，bH，c1，Fe-S Cyt c（膜间隙侧）复合体 IV 细胞色素 c氧化酶 162 13 血红素 a，血红素 a3，CuA,CuB Cyt c（膜间隙侧）复合体：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 复合体可催化两个同时进行的过程：电子传递：NADHFMNFe-S Q

7、 质子的泵出：复合体有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧（一）复合体将NADH+H+中的电子传递给泛醌复合体介导的电子传递过程NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2 复合体：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：无H+泵的功能（二）复合体将电子从琥珀酸传递到泛醌（三）复合体将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c 复合体：泛醌-细胞色素C还原酶 人复合体含有 Cyt b(b562,b566)、Cyt c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)泛醌从复合体、募

8、集氢并穿梭传递到复合体 电子传递：QH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cytc1Cytc 复合体的电子传递通过“Q循环”实现 复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体有质子泵作用 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复合体的电子传递 复合体：细胞色素C氧化酶 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 CuA和Cyt a3CuB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（四）复合体将电子从细胞色素C传递给氧复合体IV的电子传递过程复合体IV的CuB-Cyt

9、a3将电子传递给O2、生成水1、NADH氧化呼吸链NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O22、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2二、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 呼吸链各组分的排列顺序的实验依据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E0(V)氧化还原对E0(V)NAD+/NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH20.219Cyt c Fe3+/Fe2+0.25

10、4FAD/FADH20.219Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链氧化磷酸化与ATP的生成第二节Oxidative phosphorylation and production of ATP 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 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)：NADH和F

11、ADH2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ATPATP生成方式氧化过程如何偶联ADP的磷酸化过程？每条呼吸链各产生多少ATP？一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内 根据P/O比值 自由能变化:G=-nFE 氧化与磷酸化的偶联部位：复合体、（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）根据自由能变化确定偶联部位G=-nF E偶联部位电位变化(E0)自由能变化(G0)能否生成ATP(G0是否大于30

12、.5KJ)NADHCoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQCytc0.21V40.5KJ/mol能Cyta-a3O20.53V102.3KJ/mol能n：传递电子数；F：法拉第常数 合成1摩尔ATP 需能量约30.5kJ（二）自由能变化呼吸链产生的能量完全满足合成ATP所需复合体 I复合体 III复合体 IV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+

13、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化学渗透假说示意图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）依赖于完整封闭的线粒体内膜，对H+、K、Cl等离子的不通透性 呼吸链复合体可驱动质子移至线粒体膜间隙，形成可测定的跨膜电化

14、学梯度 增加线粒体膜间隙侧的酸性可促进ATP合成，减少内膜质子梯度，电子虽可以传递，但ATP生成减少 化学渗透假说的实验依据三、质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成 ATPATP合酶：跨线粒体内膜的通道蛋白功能：回流质子至基质时，结合ADP与Pi合成ATPATP合酶结构组成F1（亲水部分）（亲水部分）亚基：功能：催化 ATP 合成Fo（疏水部分）（疏水部分）亚基：a1b2c9-12功能：质子回流至基质的通道DL.Nelson,MM.Cox Lehninger Principles of BiochemistryATP合酶：质子回流通道 a亚基形成2个质子半通道 半通道接受的质子中和c亚基Asp6

15、1的负电荷后，c亚基环与内膜接触发生转动ATP 合酶的结合变构模型：催化ATP合成质子顺浓度梯度经Fo部分回流时，驱动亚基转动，使3个亚基构象周期性改变 依次结合底物、生成、释出产物ATP 生成1个ATP，需3个H回流入线粒体基质小结氧化磷酸化：在线粒体完成氧化与磷酸化的偶联过程 通过NADH呼吸链、琥珀酸呼吸链完成线粒体基质中NADH、FADH2的氧化过程 呼吸链中具有质子泵功能的复合体能够将基质中的质子“泵出”至膜间隙侧而产生跨膜质子电化学梯度，储存电子氧化释放的能量，形成质子驱动力 质子驱动力促使质子通过线粒体内膜上ATP合酶回流至基质释放能量，同时驱动ADP磷酸化生成ATP，完成磷酸化过程小结一对电子经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复合体 I复合体 III复合体 IV