j07电子传递体系与氧化磷酸化.ppt

第六章 电子传递体系与氧化磷酸化,主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。,返回,思考,目录,第一节 生物氧化概述 第二节 线粒体电子传递体系 第三节 氧化磷酸化作用 第四节 非线粒体氧化体系（自学）,第一节 生物氧化概述,一、生物氧化的概念和特点 二、生物能学简介 三、 高能化合物,生物氧化的特点和方式,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。 狭义生物氧化：专指H+和e-通过呼吸链传递给O2生成H2O并释放能量的过程。 化学本质氧化还原反应 氧化的形式：脱氢、加氧、失电子 意义：生物体重要的基本反应，提供生命活动所需的大量能量 1、生物氧化的特点 2、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成 3、有机物在体内氧化释能的三个阶段和相关酶类,生物氧化的特点,在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,CO2的生成,方式：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。 类型：直接脱羧和氧化脱羧,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 。,例：,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）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱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,三、生物能学简介,1、生物能的转换及生物系统中的能流 2、自由能的概念及化学反应自由能的计算,自由能（free energy）的概念,定义：在恒温恒压条件下,体系可以用来对环境做功的那一部分能量。 自由能与化学反应的关系: 一个物质（A）的自由能含量是不能测得，但在反应中A-B 的自由能变化(G）是可以测定的。 G = GB - GA ，表示化学反应中产物与底物的自由能差。它们与化学反应的关系是： G0，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行.,化学反应自由能的计算,2、E0值的意义：表示电对中物质对电子的亲和力 电位 负 正 对电子的亲和力 小 大 还原型供出电子能力 强 弱 氧化型接受电子能力 弱 强 3、标准氧化还原电位差（E0） 生化反应中，一种物质的氧化与另一种物质的还原相偶联，两物质间电子流动的条件是它们的E0不相等，其差值就是E0。 E0 = E0氧化剂 - E0还原剂 如：乳酸发酵： 丙酮酸 + NADH + H+ -乳酸 + NAD+ 确定氧化还原电对，并查表6-2 丙酮酸/乳酸 E0= - 0.19V NAD+ / NADH2 E0= - 0.32V 反应正行:E0 = 丙酮酸 - NADH + H+ = - 0.19 -（-0.32）= 0.13V,自由能与氧化还原电位的关系： 标准条件下，电子从低（越负）的氧化还原电位流向高（越正）的氧化还原电位，自由能降低。两者的关系可定量的表示为： G0(KJ/mol)= - n FE0 （P172，要求记） 将上述列子带入计算： 反应正行:G0= -2 96.403 0.13 = -25.1 (KJ/mol)（放能反应）,生物系统中的能流,四、高能化合物,1、高能化合物的类型 2、ATP的特点及其特殊作用,生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。,高能化合物类型,ATP的特点,在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP的特殊作用, ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,第二节 线粒体电子传递体系,一、线粒体结构特点 二、电子传递呼吸链的概念 三、呼吸链的组成 四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 五、电子传递抑制剂,线粒体呼吸链,线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。,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）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（F AD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,电子传递链中各中间体的顺序,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶,辅酶Q-细胞色素还原酶,细胞色素C还原酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,烟酰胺脱氢酶类,特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理:,黄素蛋白酶类,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,铁硫蛋白,特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成FeS中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。,CoQ,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,细胞色素,特点：以血红素（heme）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)，cyt b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。,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH2,铁硫蛋白的结构及递电子机理,细胞色素的结构和递电子机理,线粒体结构,第三节 氧化磷酸化作用,一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶联机理 三、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 四、能荷,氧化磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化(广义）。,类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,磷氧比（ P/O ）,P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 2.5,实测得FADH2呼吸链： P/O 1.5,2e-,2e-,氧化磷酸化的偶联机理,1、化学渗透假说 2、氧化磷酸化的抑制 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂,离子载体抑制剂,三、 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用, 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸天冬氨酸穿梭系统,-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,线粒体基质,NADH+H+,（、 、 、 为膜上的转运载体）,呼吸链,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,线粒体ATP酶,化学渗透假说示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III 寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置 /亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变, 亚基的中心 -螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,ADP+Pi,Proten Flux,H2O H+,ATP酶作用机理,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,能 荷,意义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间(常为0.8-0.95)，反映细胞能量水平。,化学渗透假说示意图,非线粒体氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的非线粒体氧化系统如下：,1、多酚氧化酶系统 2、抗坏血酸氧化酶系统 3、黄素蛋白氧化酶系统 4、超氧化物歧化酶氧化系统 5、植物抗氰氧化酶系统,生物氧化有关的酶类 (一)脱氢酶类 1、不需氧脱氢酶（最重要） 特点：催化底物脱氢后，不能以O2为直接 受氢体 酶蛋白 组成：结合酶 辅酶：NAD+ 、NADP+ 辅因子 辅基：FMN 、FAD,2、需氧脱氢酶 特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体， 生成H2O2。,组成：结合酶,酶蛋白,辅基：FAD,例：乙醇酸氧化酶等,组成：结合酶,酶蛋白,辅基：含Fe 、 Cu,例：细胞色素氧化酶、酚氧化酶等,3、氧化酶类 特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体， 生成H2O。,问答题,1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。 2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？ 3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？ 名词解释 生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 呼吸链 磷氧比（P0） 能荷,本章内容提要（P167）。 思考题： 1、何谓生物氧化？其特点如何？ 2、G0和E0各表示什么，它们之间的定量关系如何？ 3、简述高能化合物的定义及种类，为什么ATP可以作为细胞中能量的“通币”。 4、呼吸链中各成员的排列顺序根据什么原则确定。 5、用化学渗透学说解释氧化磷酸化机理。 6、NADH呼吸链由哪些成分组成？电子传递抑制剂有哪些？,练习题 1、用表8-1的数据，计算乙醛被NADH还原为乙醇时的E0及G0。 2、计算1分子3-磷酸甘油醛通过有氧分解被彻底氧化为CO2和H2O时生成的ATP分子数。（假设通过3-磷酸甘油穿梭） 3、P219第4题 4、解释名词：氧化磷酸化、底物水平磷酸化、能荷、解偶联剂, ATP合酶、末端氧化酶、P/O、电子传递抑制剂,一、填空题： 1、处于电子传递链末端的氧化酶称为（ ）。 2、CoQ是电子传递链中的（ ）递体。 3、复合体的电子传递抑制剂是（ ）。 4、通过3-磷酸甘油穿梭，1分子的外源NADH2生成（ ）ATP。 5、ATP的1个高能键断裂释放（ ） kJmol的能量。 6、氧化还原反应中E0小的物质与电子的亲和力（小）。 7、ATP在反应中既可作为（ ）的供体，又可作为的（ ）供体。 8、抑制氧化磷酸化的化合物可分为（ ）和（ ）两类。,二、判断题： 1、ATP合成酶的F1是H+通道。 2、化学渗透学说是解释氧化磷酸化机理的学说。 3、抗霉素A是氧化磷酸化的抑制剂。 4、线粒体内膜对H+是能够自由通过的。 5、一对电子经电子传递链传递到O2时生成的ATP分子数目称为P/O。 6、电子传递链的基本组成有六类。 7、Cyta3除含Fe外还含有Cu。 8、电子传递链传递的方向是从 E0