生物-氧化磷酸化思维导图

这是一篇关于氧化磷酸化的思维导图，包含线粒体中的电子载体、线粒体中的电子转移反应、 ATP的合成等。

Oxidativephosphorylation 氧化磷酸化

• 1. 线粒体中的电子载体
  • I. 氧化磷酸化
    • 来自还原性辅助因子NADH和FADH2的电子被传递给呼吸链中的蛋白质，在真核生物中，氧是这些电子的最终电子受体，用于氧化磷酸化
  • II. 线粒体呼吸链
    • 由一系列顺序作用的电子载体组成，其中大多数是带有辅基的完整膜蛋白，能够接受和提供一个或两个电子
    • 氧化磷酸化中的三种电子转移
      • 以氢化物离子(:H-)转移：NAD(P)+。
        • NAD(P)+
          • • 依赖于NAD(P)的脱氢酶催化 :H-转移到烟酰胺环的正面(A侧)或背面(B侧)，但不能同时催化两者。
            • 一次接受两个质子和两个电子
      • 以氢原子(H+ + e-)转移：如FAD/FMN、辅酶Q。
        • FAD/FMN
          • • 与黄酮蛋白紧密结合，有时是共价结合。
            • 氧化黄素核苷酸可以接受一个e-或两个e-。
            • 可以作为双电子供体和单电子受体之间的中间体
            • 一次只能接受1个质子和1个电子，故有两次依次传递
        • 泛醌/辅酶Q
          • • 一种脂溶性苯醌携带类异戊二烯侧链
            • 小而疏水，可自由扩散于内线粒体膜的脂质双分子层内→利于其在流动性较差的电子载体之间传递电子
            • 唯一没有与蛋白质结合的电子载体
            • 一次只能接受1个质子和1个电子，故有两次依次传递
      • 直接电子转移：如Fe3+还原成Fe2+、细胞色素、铁硫蛋白
        • 细胞色素
          • • 一种具有吸收可见光特点的蛋白质（含有血红素辅基）
            • 卟啉：四个五元含氮环
            • 四个氮原子与中心铁离子(Fe2+或Fe3+)配位
              • 亚铁血红素可以在铁态和亚铁态之间发生1e-转变：Fe3+ + e- ↔ Fe2+
          • 线粒体中的类型
            • a型
              • 最长波长接近600 nm
            • b型
              • 最长波长接近560 nm
              • Cyt b562:在562 nm处有最大的吸收（侧链有修饰）
            • 紧密结合，但不是共价结合
            • c型
              • 通过Cys残基与蛋白质共价结合（形成二硫键）
              • 小的水溶性蛋白，通过静电作用与内膜外表面结合
              • 最长波长接近550 nm
        • 铁硫蛋白
          • 铁与无机硫原子或与蛋白质中Cys残基的硫原子或两者结合
          • Rieske铁硫蛋白
            • 一个Fe原子配位于两个His残基
          • 所有铁硫蛋白都参与单电子转移：Fe3+ + e-↔Fe2+
          • 至少有8种Fe-S蛋白参与线粒体的电子转移
    • 还原当量
      • 氧化还原反应中转移的单个电子当量
    • 还原电势
      • 还原电势顺序
        • NADH→ Q → Cyt b → Cyt c1 → Cyt c → Cyt a → Cyt a3 → O2
      • 验证：抑制剂
        • • 还原态在前面，氧化态在后面
            • 氰化物、CO
• 2. 线粒体中的电子转移反应
  • 超分子复合物
    • 复合物I：NADH脱氢酶/NADH:Q氧还酶
      • • 催化电子供体NADH的电子转移到泛素酮(Q)
          • 非共价键的FMN从NADH接受两个电子，几个铁-硫中心每次向Q结合位点传递一个电子
          • 反应过程
            • 放能转移：NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2
            • 能量转移：将4个H+从基质泵到膜间腔
              • 质子泵→向量运输
                • P面：膜间腔（正电荷）
                • N面：基质面（负电荷）
              • 质子通过质子线输送: 氨基酸经过一系列质子化和脱质子化，使质子从膜的一边净转移到另一边
        • 哺乳动物细胞中最大的大分子组合之一
        • L型，超过43种不同的编码的多肽链
        • 核基因和线粒体基因
        • NADH + 5HN+ + Q → NAD+ + QH2 + 4 HP+
    • 复合物II：琥珀酸脱氢酶
      • 参与三羧酸循环
        • 柠檬酸循环中唯一的膜结合酶
      • 参与电子传递
        • • 核基因编码的四个蛋白质亚单位
            • 亚基C和D:完整的膜蛋白，含有血红素b和Q的结合位点
            • 亚基A和B:延伸到基质中，包含三个2Fe-2S中心，共价结合FAD和一个底物结合位点
          • 无能量释放和质子转移
          • 子主题
    • 复合物III：辅酶Q：细胞色素c氧还酶/细胞色素bc1复合物
      • • 由相同的单体组成的二聚体，每个单体有11个不同的亚基
        • 功能核心
          • cyt b(绿色)
            • 有两个亚铁血红素(bH和bL)
          • Rieske铁硫蛋白(紫色)
            • 有2Fe-2S中心
          • cyt c1(蓝色)
            • 有亚铁血红素
          • 用QH2中的2e-还原cyt c的两个分子
    • 复合物IV：细胞色素氧化酶
      • • 将电子从Cyt c传递给O2，将其还原为H2O, H+从N端向P端进行矢量传输
        • 由13个亚单位组成
          • 亚基I：含两个血红素a和a3，以及一个铜离子(CuB)
            • 血红素a3和CuB形成双核中心，接受血红素a的电子，并将电子转移到与血红素a3结合的O2上
          • 亚基II：含两个铜离子与双核中心(CuA)两个Cys残基的-SH基团络合，CuA类似于铁硫蛋白的2Fe-2S中心
        • 功能
          • 每4e-通过这个复合物，酶从N端消耗4H+将O2转化为2H2O
          • 利用氧化还原反应的能量，将每一个经过的e-向外泵入P端1H+
          • 未完全还原的中间体如H2O2或·OH，在完全转化为H2O之前，仍紧紧结合在配合物上
          • 4Cyt c (red) + 8HN+ + O2 → 4Cyt c (ox) + 4HP+ + 2H2O
• 3. ATP的合成
  • ∆G’o
    • NADH + H+ + ½O2 →NAD+ + H2O
      • NAD+ + H+ + 2e- →NADH
      • ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
    • FADH2 + ½O2 →FAD+ H2O
      • FAD + 2H+ + 2e- →FADH2
      • ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
  • 质子动力势
    • 电化学质子梯度的产生
      • 主动地在膜上传输质子
        • 复合物I、IV
      • 释放质子到膜间空间
        • QH2氧化
      • 用化学方法从基质中移除质子
        • Q和氧的还原
    • 产生的两个因素
      • 化学动力势能
        • (H+)的浓度不同
      • 电势能
        • 电荷分离
  • 化学渗透学说
    • 电子转移→质子动力势→ATP合成
    • 抑制电子转移阻碍ATP的合成
    • ATP合成的抑制阻碍了电子转移
      • • ATP合成抑制剂：杀黑星菌素、寡霉素
    • 子主题
      • 化学解偶联剂：DNP、FCCP
        • 通过磷酸化而使其解耦氧化从而破坏质子
        • 有一个可解离的质子，疏水性很强
        • 携带质子穿过线粒体内膜，破坏质子梯度
      • 离子载体
        • 通过在线粒体膜上破坏对电化学梯度的电贡献来破坏氧化磷酸化的电子转移
        • 缬氨霉素：一种蛋白质离子载体，结合K+
          • K+-valinomycin络合物的外部是疏水的，易通过膜扩散，携带K+沿其浓度梯度下降，破坏电势差
    • 线粒体ATP合酶/Complex V
      • • F1:可溶性外周膜蛋白，是公认的第一个氧化磷酸化必需因子
          • 9个亚基：α3β3γδε
          • 扁平球体，由交替排列的α和β亚基组成
            • • 每个β亚基都有一个ATP合成的催化位点
              • 孤立的F1催化ATP水解
                • β-空:没有结合核苷酸，与γ亚基结合
                • β-ADP:在其结合位点有ADP
                • β-ATP:在其结合位点有ATP
        • F0(o表示寡霉素敏感)
          • • 组成质子孔：3个亚基（比例：ab2c8-15）
            • 亚基c：疏水的多肽，几乎完全由两个跨膜螺旋组成
              • 酵母中：两个同心圆
• 4. 氧化磷酸化的调节
  • 受体控制:氧消耗速率依赖于Pi受体ADP的可用性
  • 细胞能量状态的测量指标
    • 细胞内[ADP]
    • ATP-ADP系统的质量作用比：[ATP]/([ADP][Pi])
      • 通常，[ATP]/([ADP][Pi])比率非常高，因此ATP-ADP系统几乎完全磷酸化
      • 比例下降时，更多的ADP可用于氧化磷酸化，呼吸速率增加，导致ATP再生
      • 持续到质量-动作比恢复到正常的高水平，此时呼吸再次减慢
      • 在大多数组织中波动很小，因此ATP仅在需要能量的细胞活动中使用时才会形成
  • ATP产生途径的调节
    • 连锁调节：通过ATP、ADP、AMP的相对浓度及NADH，调节糖酵解,丙酮酸氧化、三羧酸循环,氧化磷酸化
      • 高[ATP](或低[ADP]和[AMP])→四种过程低速
      • ATP的使用和ADP、AMP和Pi的形成增加→四种过程速率都增加
    • 调节因子
      • 柠檬酸
        • 抑制PFK-1和柠檬酸合酶→抑制糖酵解和柠檬酸循环、补充腺嘌呤核苷酸(ATP-ADP)系统
      • NADH和乙酰辅酶A
        • 水平升高→抑制丙酮酸氧化为乙酰辅酶A
      • [NADH]/[NAD+]
        • 比例升高→抑制柠檬酸循环的脱氢酶反应
• 根据它们的光吸收光谱区分
  • 每种类型的细胞色素在其还原态(Fe2+)有三个吸收带(α， β，和γ)在可见范围内