證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個不同的結構系統來實現的生物工程學院021班向生光證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個不同的結構系統來實1前言三羧酸循環等呼吸代謝過程中脫下的氫被NAD+或FAD所接受。細胞內的輔酶或輔基數量是有限的，它們必須將氫交給其它受體之后，才能再次接受氫。在需氧生物中，氧氣便是這些氫的最終受體。這種有機物在生物活細胞中所進行的一系列傳遞氫和電子的氧化還原過程，稱為生物氧化(biologicaloxidation)。生物氧化與非生物氧化的化學本質是相同的，都是脫氫、失去電子或與氧直接化合，并產生能量。然而生物氧化與非生物氧化不同，它是在生活細胞內，在常溫、常壓、接近中性的pH和有水的環境下，在一系列的酶以及中間傳遞體的共同作用下逐步地完成的，而且能量是逐步釋放的。生物氧化過程中釋放的能量可被偶聯的磷酸化反應所利用，貯存在高能磷酸化合物（如ATP、GTP等）中，以滿足需能生理過程的需要。前言三羧酸循環等呼吸代謝過程中脫下的氫被NAD+或F2概念電子傳遞過程包括包括電子從還原型輔酶通過一系列按照電子親和力遞增順序排列的電子載體所構成的電子傳遞到氧的過程。氧化磷酸化作用指的是伴隨電子從底物到氧的傳遞，ADP被磷酸化形成ATP的酶促過程。概念電子傳遞過程包括包括電子從還原型輔酶通過一系列按照電子親3氧化磷酸化的機理在電子傳遞過程中所釋放出的自由能是怎樣轉入ATP分子中的，這就是氧化磷酸化作用的機理問題。有多種假說，如化學偶聯學說、化學滲透學說和構象學說。不過，目前為大家所公認的、實驗證據較充足的是英國生物化學家米切爾的化學滲透學說。

氧化磷酸化的機理在電子傳遞過程中所釋放出的自由能是怎樣轉入A4經典實驗1968年E.Racker等人用超聲波將線粒體破碎，線粒體內膜碎可自然卷成顆粒朝外的小膜泡，這種小膜泡稱為亞線粒體小泡（submitochondrialvesicle）或亞線粒體顆粒（submitochodrialparticles）。這些亞線粒體小泡具有電子傳遞和磷酸化的功能。如用胰蛋白酶或尿素處理，則小泡外面的顆粒可解離下來，這樣的小泡便只能進行電子傳遞，而不能使ADP磷酸化生成ATP。如果將這些顆粒重新裝配到無顆粒的小泡上時，則小泡又恢復了電子傳遞和磷酸化相偶聯的能力。由此可見，由NADH脫氫酶至細胞色素氧化酶的整個呼吸鏈的各種組分均存在于線粒體內膜中，而顆粒是氧化磷酸化的偶聯因子，位于內膜的基質側，它是基粒（ATP酶復合物）的組分之一。經典實驗1968年E.Racker等人用超聲波將線粒5氧化磷酸化的分子結構基礎電子傳遞鏈ATP合成酶的分子結構與組成氧化磷酸化作用與電子傳遞的偶聯氧化磷酸化的解偶聯劑和抑制劑氧化磷酸化的分子結構基礎電子傳遞鏈6結論從以上各方面可以得知，線粒體的電子傳遞是由電子傳遞鏈來實現的，而氧化磷酸化也就是ATP的合成是在ATP合成酶中完成的。二者是偶聯的卻又是相對獨立的。從而說明電子傳遞和氧化磷酸化是由兩個不同的結構系統來實現的。結論從以上各方面可以得知，線粒體的電子傳遞是由電子傳遞7THANKYOU!THANKYOU!8電子傳遞鏈所謂呼吸鏈(respiratorychain)即呼吸電子傳遞鏈(electrontransportchain)，是線粒體內膜上由呼吸傳遞體組成的電子傳遞總軌道。呼吸鏈傳遞體能把代謝物脫下的電子有序地傳遞給氧，呼吸傳遞體有兩大類：氫傳遞體與電子傳遞體。氫傳遞體包括一些脫氫酶的輔助因子，主要有NAD＋、FMN、FAD、UQ等。它們既傳遞電子，也傳遞質子；電子傳遞體包括細胞色素系統和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白。呼吸鏈傳遞體傳遞電子的順序是：代謝物→NAD+→FAD→UQ→細胞色素系統→O2。電子傳遞鏈所謂呼吸鏈(respiratorychain)即9電子傳遞鏈的組成復合體I輔酶Q復合體II復合體III細胞色素c復合體IV電子傳遞鏈的組成復合體I10化學滲透假說1.呼吸傳遞體不對稱地分布在線粒體內膜上呼吸鏈上的遞氫體與電子傳遞體在線粒體內膜上有著特定的不對稱分布，彼此相間排列，定向傳遞。2.呼吸鏈的復合體中的遞氫體有質子泵的作用它可以將H+從線粒體內膜的內側泵至外側。一般來說一對電子從NADH傳遞到O2時,共泵出6個H+。從FADH2開始,則共泵出4個H+。膜外側的H+,不能自由通過內膜而返回內側,這樣在電子傳遞過程中，在內膜兩側建立起質子濃度梯度(△pH)和膜電勢差(△E),二者構成跨膜的H+電化學勢梯度△μH+，若將△μH+轉變為以電勢V為單位，則為質子動力。質子的濃度梯度越大，則質子動力就越大，用于合成ATP的能力越強。化學滲透假說113.由質子動力推動ATP的合成質子動力使H+流沿著ATP酶（偶聯因子）的H+通道進入線粒體基質時，釋放的自由能推動ADP和Pi合成ATP（圖片）?；瘜W滲透學說已得到充足的實驗證據。當把線粒體懸浮在無O2緩沖液中,通入O2時，介質很快酸化，跨膜的H+濃度差可以達到1.5pH單位，電勢差達0.5V，內膜的外表面對內表面是正的,并保持相對穩定，證實內膜不允許外側的H+滲漏回內膜內側。但當加入化學滲透假說解偶聯劑2,4-二硝基苯酚(DNP)時，跨膜的H+濃度差和電勢差就不能形成，就會阻止ATP的產生。有人將嗜鹽菌的紫膜蛋白和線粒體ATPase嵌入脂質體,懸浮在含ADP和Pi溶液中，在光照下紫膜蛋白從介質中攝取H+，產生跨膜的H+濃度差，推動ATP的合成。當人工建立起跨內膜的合適的H+濃度差時，也發現ADP和Pi合成了ATP。3.由質子動力推動ATP的合成質子動力使H+流沿著ATP12線粒體中氧化磷酸化反應的一般機理

線粒體中氧化磷酸化反應的一般機理131.復合體Ⅰ

又稱NADH∶泛醌氧化還原酶(NADH∶ubiquinoneoxidoreductase)。分子量700X103～900X103,含有25種不同的蛋白質,包括以黃素單核苷酸(flavinmononucleotide,FMN)為輔基的黃素蛋白和多種鐵硫蛋白，如水溶性的鐵硫蛋白(ironsulfurprotein,IP)、鐵硫黃素蛋白(iron

sulfurflavoprotein，FP)、泛醌(ubiquinone,UQ)、磷脂(phospholipid)。復合體Ⅰ的功能在于催化位于線粒體基質中由TCA循環產生的NADH＋H＋中的2個H＋經FMN轉運到膜間空間，同時再經過Fe-S將2個電子傳遞到UQ(又稱輔酶Q,CoQ)；UQ再與基質中的H＋結合，生成還原型泛醌(ubiquinol,UQH2)。該酶的作用可為魚藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素A(piericidinA)、巴比妥酸(barbitalacid)所抑制。它們都作用于同一區域，都能抑制Fe-S簇的氧化和泛醌的還原。

1.復合體Ⅰ又稱NADH∶泛醌氧化還原酶(NADH∶ubi14證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個不同的課件152.復合體Ⅱ

又稱琥珀酸，泛醌氧化還原酶(succinate∶ubiquinoneoxidoreductase)分子量約140×103，含有4～5種不同的蛋白質，主要成分是琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase,SDH)、黃素腺嘌呤二核苷酸(flavinadeninedinucleotide,FAD)、細胞色素b(cytochromeb)和3個Fe-S蛋白。復合體Ⅱ的功能是催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并將H轉移到FAD生成FADH2，然后再把H轉移到UQ生成UQH2。該酶活性可被2-噻吩甲酰三氟丙酮(thenoyltrifluoroacetone,TTFA)所抑制。

2.復合體Ⅱ又稱琥珀酸，泛醌氧化還原酶(succi16證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個不同的課件173.復合體Ⅲ

又稱UQH2∶細胞色素C氧化還原酶(ubiquinone∶cytochromecoxidoreductase),分子量250×103，含有9～10種不同蛋白質，一般都含有2個Cytb，1個Fe-S蛋白和1個Cytc1。復合體Ⅲ的功能是催化電子從UQH2經Cytb→FeS→Cytc1傳遞到Cytc，這一反應與跨膜質子轉移相偶聯，即將2個H＋釋放到膜間空間。也有人認為在電子從Fe-S傳到Cytc1之前，先傳遞給UQ，同時UQ與基質中的H+結合生成UQH2。UQH2再將電子傳給Cytc1，同時將2個H+釋放到膜間空間。3.復合體Ⅲ又稱UQH2∶細胞色素C氧化還原酶(ubiqu18泛醌︰線粒體復合物Ⅲ（細胞色素c氧化還原酶）的假想構成和膜局部構造泛醌︰線粒體復合物Ⅲ（細胞色素c氧化還原酶）的假想構成和膜194.復合體Ⅳ

又稱Cytc∶細胞色素氧化酶(Cytc∶cytochromeoxidase)分子量約160～170×103，含有多種不同的蛋白質，主要成分是Cyta和Cyta3及2個銅原子，組成兩個氧化還原中心即CytaCuA和Cyta3CuB，第一個中心是接受來自Cytc的電子受體，第二個中心是氧還原的位置。它們通過Cu+Cu2+的變化，在Cyta和Cyta3間傳遞電子。其功能是將Cytc中的電子傳遞給分子氧，氧分子被Cyta3、CuB還原至過氧化物水平；然后接受第三個電子，O-O鍵斷裂，其中一個氧原子還原成H2O；在另一步中接受第四個電子，第二個氧原子進一步還原。也可能在這一電子傳遞過程中將線粒體基質中的2個H+轉運到膜間空間。CO、氰化物(cyanide,CN-)、疊氮化物(azide,N3-)同O2競爭與Cytaa3中Fe的結合，可抑制從Cytaa3到O2的電子傳遞。4.復合體Ⅳ又稱Cytc∶細胞色素氧化酶(Cytc20線粒體復合物Ⅳ（細胞色素c氧化酶）的假想結構和膜局部結構

線粒體復合物Ⅳ（細胞色素c氧化酶）的假想結構和膜局部結構

21電子傳遞的方向（圖片）黃素蛋白中的FADH2

琥珀酸-Q還原酶↓NAD→NADH-Q→Q→細胞色素→細胞色素c→

還原酶還原酶細胞色素氧化酶→氧

電子傳遞的方向（圖片）黃素蛋白中的F22圖5-11植物線粒體內膜上的復合體及其電子傳遞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；UQ庫代表存在于線粒體中的泛醌庫圖5-11植物線粒體內膜上的復合體及其電子傳遞23ATP合成酶adenosinetriphosphatesynthase，又叫H+-ATP酶復合物。由8種不同亞基組成,分子量分別是8.2×103～55.2×103，它們又分別組成兩個蛋白質復合體(F1-F0)。F1從內膜伸入基質中，突出于膜表面，具有親水性，酶的催化部位就位于其中。F0疏水，嵌入內膜磷脂之中，內有質子通道，它利用呼吸鏈上復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ運行產生的質子能，將ADP和Pi合成ATP，也能催化與質子從內膜基質側向內膜外側轉移相聯的ATP水解。ATP合成酶adenosinetriphosphates24證明線粒體的電子傳遞和氧化磷酸化是由兩2個不同的課件25圖5-14ATP生成過程中構造變化的模型。F1復合物有三個核苷酸結合位點。每一部位有三種完全不同的結構狀態。松散的核苷酸結合部位（L），緊密核苷酸結合部位（T）和開放核苷酸結合部位（O）。在任何時候。F1復合物包括這三種不同的結構，其中有一個與酶復合物的每一個催化中心相連。ADP和Pi開始被結合到開放狀態未被占有的部位（1）。質子運動通過F0釋放能量引起γ亞單位旋轉。這種旋轉自發改變了三個核苷酸結合位點的構造。結合有ATP的T型被轉變成O型，ATP被釋放出來。同時，結合有ADP和Pi的L型被轉化成T型，疏水性的結合正有利于ATP生成。第上步中結合ADP和Pi的開放部位轉化或松散型結構（2）。被緊密結合的ADP和Pi轉化生成ATP，此步驟不需消耗能量和構型改變（3）

圖5-14ATP生成過程中構造變化的模型。26氧化磷酸化的解偶聯劑和抑制劑

1.解偶聯劑(uncoupler)2.抑制劑(depressant)

3.離子載體抑制劑(ionophoredepressant)氧化磷酸化的解偶聯劑和抑制劑

1.解偶聯劑(uncouple271.解偶聯劑(uncoupler)

植物在遇到干旱或某些化學物質作用時，會抑制ADP形成ATP的磷酸化作用，但不抑制電子傳遞，使電子傳遞產生的自由能以熱的形式散失掉,導致氧化過程與磷酸化作用不偶聯,這就是氧化磷酸化解偶聯現象。能對呼吸鏈產生氧化磷酸化解偶聯作用的化學試劑叫解偶聯劑。最常見的解偶聯劑有DNP，含有一個酸性基團的DNP是脂溶性的，可以穿透線粒體內膜，并把一個H+從膜外帶入膜內，從而破壞了跨內膜的質子梯度，抑制了ATP的生成。解偶聯時會促進電子傳遞的進行，O2的消耗加大。1.解偶聯劑(uncoupler)

植物在遇到干旱或某些282.抑制劑(depressant)

抑制劑與解偶聯劑的區別在于,這類試劑不僅抑制ATP的形成，還同時抑制O2的消耗。這是因為像寡霉素(oligomycin)這一類的化學物質可以阻止膜間空間中的H+通過ATP合成酶的Fo進入線粒體基質，這樣不僅會阻止ATP生成，還會維持和加強質子動力勢,對電子傳遞產生反饋抑制,O2的消耗就會相應減少。

2.抑制劑(depressant)

抑制劑與解偶聯劑的區293.離子載體抑制劑(ionophoredepressant)

離子載體抑制劑與解偶聯劑的區別在于它不是H+載體，而是可能和某些陽離子結合，生成脂溶性的復合物，并作為離子載體使這些離子能夠穿過內膜，這樣就增大了內膜對某些陽離子的通透性；同時因為在轉運陽離子到基質中時消耗了自由能，降低了質子動力，從而抑制了ATP的形成。例如纈氨霉素(valinomycin)與K＋形成的復合物較易通過內膜進入基質，會抑制氧化磷酸化過程。3.離子載體抑制劑(ionophoredepressant30氧化磷酸化作用與電子傳遞的偶聯氧化還原的本質是電子的轉移。氫原子的轉移其本質也是電子轉移，因為H原子可分解為H+

與e-。當電子從NADH或FADH2

經呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化是生成ATP的一種主要方式，是細