电子传递与氧化磷酸化.pptx

1、Respiration and energy,One of the most complicated metabolic pathways encountered in biochemistry-the mitochondrial electron transport system and its related ATP synthase.Electron transferring via a chain of membrane bound carriers,across membrane proton gradient,ATP synthesis(with O2 consumed),Cell

2、s need energy to do all their work,To generate and maintain its highly ordered structure(biosynthesis of macromolecules).To generate all kinds of movement.To generate concentration and electrical gradients across cell membranes.To maintain a body temperature.To generate light in some animals.,Some h

3、istorical facts about our understanding on oxidative phosphorylation,1930s:Pyruvate was known to be completely oxidized to CO2 via the citric acid cycle(with O2 consumed).1930s:NAD+and FAD were found to be e-carriers between metabolites and the respiratory chain.1930s:Role of ATP and general importa

4、nce of phosphorylation in bioenergetics were realized.,1950s:Isolated mitochondria were found to effect the obligatory coupling of the phosphorylation of ADP and the e-transfer from NADH to O2.1961,the chemiosmotic hypothesis was proposed for linking the e-transfer and ADP phosphorylation(based on t

5、he uncoupling phenomenon and the intactness requirement)1960s,ATP synthase was identified from mitochondria.,概念：糖类、脂肪、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），其实质是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，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸。,生物氧化,Concept of Biological OxidationOxidation of materials in the bio

6、logical body Degradation of glucoses,fatty acids,proteins Release of energy Formation of CO2 and H2OTrap the energy released as ATP and Body heat,与非生物氧化相比:相同点,生物氧化与非生物氧化的比较,化学本质相同，都是失电子反应，如脱氢、加氧、传出电子。失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物体内，生物氧化有三种方式：加氧氧化，电子转移和脱氢氧化。同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同。,Electron transf

7、er via red-ox reactions generates biological energy,Oxidative reaction De-electron Dehydrate Add oxygenReductive reaction Accept electron Add hydrate De-oxygen,不同点：生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、pH）温和；而体外燃烧则是剧烈的游离基反应，要求在高温、高压以及干燥的条件下进行。生物氧化分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步释放；而体外燃烧能量是爆发式释放出来的。生物氧化释放的能量有相当多的转换成ATP中活跃的化学能，用于各种生命活动

8、；体外燃烧产生的能量则转换为光和热，散失在环境中。,CO2的生成,方式：生物氧化过程中生成的CO2并不是代谢物上的碳原子与吸入的氧直接化合的结果，而是有机酸脱羧作用生成的。糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。根据所脱羧基在有机酸分子中的位置，可将脱羧反应分为脱羧和脱羧；又根据反应的同时是否伴有氧化反应，分为单纯脱羧和氧化脱羧。类型：-脱羧和-脱羧（从脱羧的位置）氧化脱羧和单纯脱羧（脱羧方式）,Direct Decarboxylation,a,-,d,i,r,e,c,t,d,e,c,a,r,b,o,x,y,l,a,t,i,o,n,H,3,C,C,C,O

9、,O,H,O,a,-,酮,酸,脱,羧,酶,M,g,2,+,T,P,P,H,3,C,C,O,H,+,C,O,2,Oxidative Decarboxylation,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+、NADP+、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,O=,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）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱

10、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单位,生物氧化的三个阶段,Biological oxidations are catalyzed by intracellular enzymes.The purpose of oxidation is to obtain energy.Electron Transport:Electrons carried by reduced coenzymes(NADH or FADH2)are passed sequentially through a chain of proteins and

11、 coenzymes(so called electron transport chain)to O2.Oxidative Phosphorylation:Coupling e-Transport(Oxidation)and ATP synthesis(Phosphorylation).It all happens in mitochondrion or at the inner mitochondrial membrane(eukaryotic cells),Impermeable to ions and most other compounds,In inner membrane knob

12、s,the mitochondrion contained the enzymes responsible for electron transport and oxidative phosphorylation,Mitochondria,outer membrane relatively permeableinner membrane permeable only to those things with specific transportersImpermeable to NADH and FADH2Permeable to pyruvateCompartmentalizationKre

13、bs and-oxidation in matrixGlycolysis in cytosol,Most energy from Redox,electrons during metabolic reactions sent to NAD and FADGlycolysisIn cytosolproduces 2 NADHPyruvate dehydrogenase reactionIn mitochondrial matrix2 NADH/glucoseKrebsIn mitochondrial matrix6 NADH and 2 FADH2/glucose,线粒体是生物氧化的发生场所,线

14、粒体基质是呼吸底物氧化的场所，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。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。,电子传递链的概念,Electron Transport and Oxidative Phosphorylation,Electron transport and oxidative phosphorylation re-oxid

15、ize NADH and FADH2 and trap the energy released as ATP.In eukaryotes,electron transport and oxidative phosphorylation occur in the inner membrane of mitochondria whereas in prokaryotes the process occurs in the plasma membrane.,电子传递链的组成,呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组成，在线粒体内膜上有4种参与电子传递的蛋白质复合体，分别为 NADHQ还原酶（NADH-Q

16、reductase）琥珀酸Q还原酶（succinate-Q reductase）细胞色素还原酶（cytochrome reductase）细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）,洋地黄皂苷,Various prosthetic groups act as intermediate electron carriers in the respiratory chain,呼吸链的组成,1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（ironsulfur proteins)3.辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）5.血

17、红素(hemes)6.铜离子（Cu）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,电子传递的方向,在电子传递链中，有一系列电子传递体，这些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位决定的。呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。,Electrons of NADH and FADH2 are transferred to O2 via many inter

18、mediate electron carriers on the way,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,复合物,复合体 I,复合物,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,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,电子传递链各个成员,1.NADH

19、Q还原酶,NADHQ还原酶又称为NADH脱氢酶，简称为复合体。该酶含有FMN辅基和Fe-S聚簇，催化反应时，先将NADH的电子传递到FMN上，再传给Fe-S聚簇，最后传给辅酶Q。Fe-S聚簇有几种类型，含有Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白，又称为非血红素铁蛋白。Fe-S聚簇通过其中的Fe2+和Fe3+的变化来传递电子。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。铁与无机硫原子或是蛋白质肽链上半胱氨酸残基的硫相结合，常见的铁硫蛋白有三种组合方式（a）单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。（b）两个铁原子、两个无机硫原子

20、组成（2Fe-2S），其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。（c）由4个铁原子与4个无机硫原子相连（4Fe4S），铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。铁硫蛋白中的铁可以呈两价（还原型），也可呈三价（氧化型），由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。,Iron-sulfur centers(Fe-S)are prosthetic groups containing 1-4 iron atoms Iron-sulfur centers transfer only one electron,even if they contain

21、 two or more iron atoms.,Iron-sulfur Centers(clusters),简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶 NADH+Q+H+=NAD+QH2,Complex 1,Has NADH binding siteNADH reductase activityNADH-NAD+NADH-FMN-FeS-ubiquinon

22、eubiquinone-ubiquinone H24 H+pumped/NADH,2.辅酶Q,辅酶Q(Coenzyme Q)又称泛醌（ubiquinone），有时简称为Q或UQ，是一种脂溶性物质，它可以接受1个电子还原成半醌中间体，再接受1个电子还原成对苯二酚形式。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的是具有10个异戊二烯单位的侧链，简写为Q10，在非哺乳动物中这个侧链可能只有6-8个异戊二烯单位。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩散。,辅酶Q的结构和氧化还原态,3.琥珀酸Q还原酶,琥珀酸Q还原酶又称为复合体，完整的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子质量约

23、140103，含有一个以FAD为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。,Complex II,succinate-FADubiquinoneContains coenzyme QFADH2 binding siteFAD reductase activityFADH2-FAD,Complex II:Succinate-coenzyme Q reductase,4.细胞色素还原酶,细胞色素还原酶又称复合体、辅酶Q细胞色素c还原酶。它的作用是将还原型辅酶Q的电子传递给细胞色素c。细胞色素

24、还原酶中含有细胞色素b，也含有2Fe-2S聚簇。,细胞色素（cytochrome),细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。还原型细胞色素具有明显的可见光吸收，可以看到、和三个吸收峰，其中峰的波长随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别称为细胞色素a、b和c，同一种细胞色素血红素因结合的蛋白质不同，其吸收峰的波长会发生小的变化，如细胞色素还原酶中含有的细胞色素b就分为bH（b562）和bL（b566）两种。,几种细胞色素的最大吸收峰,细胞

25、色素,特点：以血红素为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。,5.细胞色素c,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜

26、中自由扩散，还原型辅酶Q（氢醌）将一个电子交给Fe-S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。Q循环是指在线粒体内膜中电子传递链上QH2分别传递一个电子到细胞色素中，即共使2个细胞色素得到电子，从而被氧化。,Complex III,ubiquinone-ubiquinone ox while cyt C gets reducedAlso contains cytochromes bproton pump 4H

27、+Adds to gradient8 H+/NADH 4 H+/FADH2,简写为cyt.c 氧化酶，即复合物IV，它的作用是将还原型细胞色素c的电子传递给分子O2，生成H2O。它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,6.细胞色素氧化酶,复合物（细胞色素氧化酶）由6-13条多肽链组成，总的相对分子质量约60103-170103，以二聚体形式存在。每个单体包括细胞色素aa

28、3和含铜蛋白。其作用是催化电子从还原型细胞色素c传递给氧分子，同时发生质子的跨膜移位。所以复合物既是电子传递体，又是质子移位体。,Complex IV,reduction of oxygencytochrome oxidasecyt a+a3 red-oxidized stateoxygen-water2 H+2 e-+O2-2 H2Otransfers e-one at a time to oxygen Pumps 2H+outTotal of 10 H+/NADHTotal of 6 H+/FADH2,Electron Transport Chain,Groups of redox pro

29、teinsOn inner mitochondrial membraneBinding sites for NADH and FADH2On matrix side of membraneElectrons transferred to redox proteinsNADH reoxidized to NAD+FADH2 reoxidized to FAD,4 Complexes,proteins in specific orderTransfers 2 electrons in specific orderProteins localized in complexesEmbedded in

30、membraneEase of electron transferElectrons ultimately reduce oxygen to water2 H+2 e-+O2-H2O,Complex I:NADH enters at NADH dehydrogenase(also NADH:ubiquinone oxidoreductase or NADH-Q oxidoreductase).,(complex II):succinate Dehydrogenase,FADH2 of flavoproteins also transfer their electrons to ubiquino

31、ne(Q),with no H+pumped.,(Complex III)Cytochrome bc1 complex passes 2e-from 1 QH2 to 2 cytochrome c,e-transferring&H+pumping in Complex III via the Q cycle(for each 2 e-transferred,4H+are released at the P side and 2H+taken from the N side(matrix),Complex IV:Cytochrome c oxidase,the terminal enzyme o

32、f the respiratory chain,contains 3 Cu and 2 heme A groups as electron carriers,The sequence of electron carriers should be predictable based on their redox potential,电子传递的抑制效应,凡是能够阻断电子传递链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂，由于阻断部位物质的氧化还原状态能被测定，所以利用电子传递抑制剂是研究电子传递顺序的重要方法，下面列举了若干种常见的重要的电子传递抑制剂。,1、鱼藤酮等 阻断从NADH向CoQ的传递,鱼

33、藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。,2、抗霉素A 阻断复合物的电子传递,抗霉素A（antimycin A），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。,3、氰化物、叠氮化物、CO、H2S 阻断复合物IV向O2的传递,氰化物（cyanide,CN）、叠氮化物（azide,N3）、一氧化碳（carbon monoxide,CO）和硫化氢(hydrogen sulphide)，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN）和叠氮化物（N3）