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第十章生物氧化 电子传递和氧化磷酸化作用 思考 目录 第一节生物氧化第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用 第一节生物氧化 一 生物氧化概念二 生物氧化的特点三 生物氧化的本质及过程四 物质体内 外氧化的比较 一 生物氧化概念 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 biologicaloxidation 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 所以又称细胞氧化或组织呼吸 生物氧化释放的能量 其中40 左右用于ADP磷酸化生成ATP 其余的以热能的形式散发以维持体温 二 生物氧化的特点 在活体细胞中进行 需一系列的酶参加在温和条件进行复杂的氧化还原过程能量逐步释放 以ATP形式储存和转运真核细胞在线粒体内膜 原核细胞在质膜上进行 三 生物氧化的本质及过程 1 生物氧化的本质2 生物氧化过程中CO2的生成3 生物氧化过程中H2O的生成4 有机物在体内氧化释能的三个阶段 1 生物氧化的本质 就是指电子传递和氧化磷酸化 是NADH和FADH2上的电子通过一系列的电子传递载体传递给氧 伴随NADH和FADH2的再氧化 将释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程 2 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 脱羧和 脱羧氧化脱羧和单纯脱羧 3 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 MH2 M 递氢体 递氢体H2 NAD NADP FMN FAD COQ 还原型 氧化型 Cyt递电子体b c1 c aa3 2H 2e O2 O2 H2O 脱氢酶 氧化酶 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 四 物质体内 外氧化的比较 物质在体内外氧化所需要的氧的量 最终产物和释放的能量均相同 体外氧化 燃烧 所产生的水和二氧化碳由物质中的碳和氢直接与氧结合生成 释放的能量是在瞬间完成 第二节 线粒体电子传递体系 一 电子传递呼吸链的概念二 机体内两条主要的呼吸链及其能量变化三 电子传递抑制剂四 呼吸链的作用 线粒体呼吸链 是由一系列位于线粒体内膜 真核生物 的递氢体和递电子体组成的从NADH或FADH2向氧传递电子的系统 这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链 eclctrontransferchain 因为其功能和呼吸作用直接相关 亦称为呼吸链 原核细胞的呼吸链位于质膜上 真核细胞则位于线粒体内膜上 二 两主要呼吸链的组分 呼吸链包含15种以上组分 主要由镶嵌在线粒体内膜上的4种酶复合体和2种可移动电子载体构成 其中复合体 NADH Q还原酶 琥珀酸 Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶 辅酶Q和细胞色素C的数量比为1 2 3 7 63 9 根据接受氢的初受体不同 典型的呼吸链有1 NADH呼吸链2 FADH2呼吸链 NADH呼吸链 NADH FMN CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 Fe S FAD Fe S 琥珀酸等 复合物II 复合物IV 复合体I 复合物III NADH Q还原酶 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脱氢酶复合物包括两个电子传递系统 FMN 铁 硫中心 作用是将电子从NADH传递给CO Q NAD 中的烟酰胺氮为5价 能够接受电子变成3价 而其对侧的碳原子能够进行加氢反应 仅1个氢原子 1 复合体 NADH Q还原酶 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Fe S聚簇上 Fe S聚簇是NADH Q还原酶的另一种辅基 NADH脱氢酶辅基FMNH2的电子又转移到铁硫聚簇上 铁原子与铁硫蛋白中的半光氨酸残基的硫原子结合 组合成铁 硫中心 iron sulfurcenter 借铁的变价 Fe3 Fe2 接受电子并转给辅酶Q 铁硫蛋白类 又称泛醌 ubiquinone CoQ 是脂溶性辅酶 可以结合在膜上 也可以以游离状态存在 能接受多种脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 脱下的氢和电子转变为泛醇 CoQH2 或称还原性泛醌 处在呼吸链的中心地位 它与蛋白质结合不紧 可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用 辅酶Q的作用是将电子从NADH Q还原酶和琥珀酸 Q还原酶转移给细胞色素bc1复合体 H 释放出 2 辅酶Q 3 复合体 琥珀酸 Q还原酶 是一种嵌在线粒体内膜上的酶蛋白 由琥珀酸脱氢酶 一种以FAD为辅基的黄素蛋白 和一种铁硫蛋白组成 将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q 从而进入电子传递链 其作用靠铁的变价传递电子 由Co QH2传到细胞色素c ctybc1复合体含 ctyb Cytb562和Cytb566 Ctyc1 铁 硫蛋白 4 复合体 细胞色素还原酶 细胞色素bc1复合体 细胞色素 简写为cyt 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 Cytb cytc1 cytc在呼吸链中为电子传递体 a和a3以复合物存在 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 细胞色素主要是通过Fe3 Fe2 的互变起传递电子的作用的 5 ctyc 在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子 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 6 细胞色素氧化酶 复合物IV 将电子从细胞色素C传递给氧cty氧化酶 活性部分主要包括ctya和ctya3除含铁卟啉外 还含有铜原子 Cu2 Cu ctya和ctya3很难分开 合称为Cytaa3 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 呼吸链中电子传递时自由能的下降 P121 FADH2 2e NADH 氧还电势 作用呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对 2H 2e 使辅酶分子氧化 并将电子对顺序传递 直至激活分子氧 使氧负离子 O2 与质子对 2H 结合 生成水 电子对在传递过程中逐步氧化放能 所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应 生成ATP 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 氧化磷酸化的解偶联和抑制四 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用五 葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 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 Pi ATP 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 类别 底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化 底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用 即底物被氧化的过程中 形成了某些高能磷酸化合物的中间产物 通过酶的作用可使ADP生成ATP 磷酸烯醇式丙酮酸转移磷酸基团形成ATP 电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系 呼吸链 传递给氧形成水时 同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程 通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化 磷氧比 P O 呼吸过程中无机磷酸 Pi 消耗量和氧 O 消耗量的比值称为磷氧比 由于在氧化磷酸化过程中 每传递一对电子消耗一个氧原子 而每生成一分子ATP消耗一分子Pi 因此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 氧化磷酸化的大小用P O表示 NADH FADH2 H2O H2O 例实测得NADH呼吸链 P O 3 实测得FADH2呼吸链 P O 2 2e 2e 二 氧化磷酸化的偶联机理 氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚 目前主要有三个学说 1953年EdwardSlater化学偶联假说 1964年PaulBoyer构象偶联假说 1961年PeterMitchell化学渗透假说 1978年获诺贝尔化学奖 实验证据 实验证据 a 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在b 线粒体内膜对H OH K 和Cl 等离子都是不通透的 c 破坏H 浓度梯度的形成 都必然破坏氧化磷酸化作用的进行 d 线粒体电子传递所形成的电子流能够将H 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙 e 膜表面不仅能滞留大量质子 而且在一定条件下 质子沿膜表面迅速转移 呼吸链存在于线粒体内膜之上 当氧化进行时 呼吸链起质子泵作用 质子被泵出线粒体内膜之外侧 造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差 后者被膜上ATP合成酶所利用 使ADP与Pi合成ATP 化学渗透假说 chemiosmotichypothasis 三 氧化磷酸化的解偶联和抑制根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式 可分为三类 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂 1 解偶联剂 使电子传递和ATP形成分离 只抑制后者 不抑制前者 电子传递失去控制 产生的自由能变成热能 能量得不到储存 代表如2 4 二硝基苯酚 DNP 可将质子带入膜内 破坏H 跨膜梯度的形成 又称质子载体 氧化磷酸化抑制剂 通过抑制氧的利用直接干扰ATP的形成 因偶联而抑制电子传递的高能态形成ATP 如加入解偶联剂 可解除对利用氧的抑制 如寡霉素 离子载体抑制剂 一类脂溶性物质 可运载除H 外的一价阳离子过膜 如缬氨霉素 K 短杆菌肽 Na K 等 四 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 细胞溶胶内的NADH不能透过线粒体内膜进入线粒体氧化 需要通过两种 穿梭 途径解决 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 1 甘油 3 磷酸穿梭途径 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭作用 葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算 葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP 2个 或GTP 1个 的分子数 根据化学计算可以得到明确的答复 但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确 因为质子泵 ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值 根据当前最新测定 H 经NADH Q还原酶 细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜间隙时 一对电子泵出的质子数依次为4 2和4 合成一个ATP分子是由3个H 通过ATP合酶所驱动 多余的一个H 可能用于将ATP从线粒体基质运往膜外细胞溶胶 因此一对电子从NADH传至02 所产生的ATP分子数是2 5个 质子漏 在细胞色素还原酶的水平进入电子传递链的电子