生物化学_06 生物氧化与氧化磷酸化.ppt

第六章生物氧化与氧化磷酸化 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 1 第一节生物氧化概述 第二节电子传递链 呼吸链 第三节氧化磷酸化 目录 2 3 一 生物氧化 biologicaloxidation 1 概念有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量形成ATP的过程 生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸 第一节生物氧化概述 营养物 O H2O CO2 ATP 4 5 生物氧化与体外氧化燃烧相同点 化学本质 物质分解为CO2和H2O 产能总量相等不同点 条件 过程 2 生物氧化的特点 6 1 条件温和 常温常压 近中性pH 有水的活细胞 2 酶促反应 在一系列酶 辅酶和中间传递体作用下进行 3 逐步氧化并放能 释放的能量贮藏在ATP中 4 CO2是代谢物经脱羧作用产生 5 原核生物在细胞膜上进行 真核生物在线粒体进行 7 3 生物体中氧化反应的类型 8 1 直接脱羧 4 CO2的生成 9 2 氧化脱羧 10 5 H2O的生成 在脱氢酶 传递体 氧化酶组成的体系催化下生成 AH2 氢传递体 1 2O2 H2O 11 高能化合物 在生化反应中 在水解或基团转移反应中可释放出大量的自由能的化合物 大量的自由能 20 92KJ mol 1 5Kcal mol 1 高能键 high energybond 不稳定键 二 高能化合物 12 1 高能磷酸化合物根据其键型 有磷氧型和磷氮型 1 磷氧键型 一 高能化合物的类型 13 14 2 氮磷键型 15 2 高能非磷酸化合物 硫碳键型 16 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心 二 ATP的结构特点及其生物学功能 17 1 ATP是生物体内的 能量货币 1 ATP的结构特点决定其易于水解放能 2 ATP的分解与合成与能量偶联 2 ATP是磷酸基团转移载体 3 生成NTP 18 19 生理pH下 ATP有4个负电荷 ATP4 分子内磷酸根的静电斥力由于P O的极化 电子云偏向氧原子 磷原子带部分正电荷 正电荷相斥使磷酸酐键不稳定 1 ATP 反应物 分子结构存在不稳定的因素 20 2 使产物稳定的因素 Pi是稳定的共振杂化物 介质中H 的低浓度 ATP易于水解 且释放大量的能量 21 一些磷酸化合物水解的标准自由能变化 化合物 G0 磷酸基团转移势能 kcal mol kcal mol PEP 14 814 81 3 DPGA 12 312 3磷酸肌酸 10 310 3ATP 7 37 3G 6 P 3 33 3G 3 P 2 22 2 22 磷酸基团转移势能 kcal mol 1 ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图 磷酸肌酸 磷酸基团储备物 1 3 DPGA ATP G 6 P G 3 P P P P P P PEP 23 三 磷酸肌酸 高能磷酸贮能物质 神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质 ATP含量低 3 8mmol kg 仅供肌肉剧烈活动约1s的消耗 脑 磷酸肌酸 1 5ATP肌肉 磷酸肌酸 4ATP 24 三 能荷 能荷是细胞能量状态的一种度量 由Atkinson于1968年提出 能荷 是指生物体中ATP ADP AMP体系中高能磷酸键的可获性量度 25 能荷 26 1 一般情况下细胞内能荷为0 8 0 9 2 能荷高时 促进合成代谢抑制分解代谢 3 能荷低时 促进分解代谢抑制合成代谢 4 能荷的调节是靠ATP ADP AMP对代谢中酶的变构调节实现的 能荷意义 27 1 能量代谢 线粒体氧化体系 提供了生命活动所需的大量能量 2 生物合成和代谢调节 包含了生物体重要的基本反应 3 其它作用 解毒 抗衰老 抗逆境等微粒体氧化体系 四 生物氧化的生物学意义 28 第二节电子传递链 呼吸链 ElectronTransferSystemETS ETS 存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体组成的链锁式反应体系 根据呼吸底物上氢的初始受体的不同 线粒体内呼吸链可分为 一 概念 29 1 黄素蛋白类 FP 包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶 分别以FMN FAD为辅基 二 电子传递链的组成 作用 传递电子和质子 30 2 铁硫蛋白 Fe S 它主要以 2Fe 2S 或 4Fe 4S 形式存在 2Fe 2S 含有两个活泼的无机硫和两个铁原子 作用 通过铁的价态变化而传递电子 31 包括2 4Fe 4S 核心 32 ETS上唯一的非蛋白组分 是脂溶性小分子醌类化合物 3 辅酶Q 又称泛醌 CoQ 作用 传递质子和电子 33 CoQ的功能 在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体 34 一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白 作用 通过辅基中铁的价态变化而传递电子 4 细胞色素类 Cyt 35 a类中的卟啉环 c类中的卟啉环 17个碳的碳氢链 36 37 细胞色素C 38 上述ETS组分除UQ和Cytc外 其余组分形成嵌入内膜的复合物 NADH链 辅酶Q NADH 辅酶Q还原酶 CoQH2 Cytc氧化还原E 复合体 细胞色素C 细胞色素氧化酶 复合体 2e 间隙 39 NADH呼吸链是绝大部分有机物氢最终氧化的途径 40 1 复合物 NADH CoQ还原酶组成 FMN 铁硫蛋白 41 2 复合物 琥珀酸 CoQ还原酶组成 FAD 铁硫蛋白 42 3 复合物 细胞色素还原E 组成 Cytb Fe S Cytc1 43 组成 Cyta Cyta3 含铜蛋白 4 复合物 细胞色素氧化E 44 三 电子传递链的顺序 细胞色素氧化酶 NADH Q还原酶 细胞色素还原酶 琥珀酸 Q还原酶 NADH呼吸链 FADH2呼吸链 45 NADH呼吸链 为什么是这样一个顺序呢 46 3 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态 1 测各组分氧化还原电位 E0 研究方法 2 呼吸链复合物重组 4 利用呼吸链抑制剂 47 在标准条件下 G G0 G0 nF E n 转移电子数F 法拉弟常数F 96 5kJ V mol E E 电子受体 E 电子供体即 电子从E 值较小的物质转移到E 值较大的物质 反应自发进行 一个反应能够自发进行 G 0 48 0 32 0 30 0 02 0 10 0 00 0 04 0 22 0 25 0 29 0 82 G0 nF E0 49 三羧酸循环中从柠檬酸到草酰乙酸的反应过程其P O比等于多少 琥珀酸到延胡索酸的反应过程中其P O比值等于多少 答 等于3 答 等于2 50 E0 0 10 0 32 0 42V G0 nF E0 2 96487 10 3 0 42 81 05kJ mol 第一个部位是NADH到辅酶Q之间 51 第二个部位是cytb和cytc之间 E0 0 25 0 07 0 18V G0 nF E0 2 96487 10 3 0 18 34 73kJ mol 52 第三个部位是细胞色素aa3和氧之间 E0 0 82 0 29 0 53V G0 nF E0 2 96487 10 3 0 53 102 28kJ mol 53 ATP新的计算方法 P O比NADH 2 5ATPFADH2 1 5ATP 54 四 电子传递抑制剂 电子传递抑制剂 指阻断呼吸链中某部位电子传递的物质 55 电子传递链的顺序 鱼藤酮 安密妥 抗霉素A 氰化物 CO 呼吸链的抑制剂及作用部位 56 毒鱼藤是有毒鱼作用的一类藤本植物的统称 毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮 57 第三节氧化磷酸化 2H NADH H 或FADH2 H2O2H呼吸链2e 氧化 放能 NAD 或FAD 1 2O2能量偶联ADP PiATP H2O磷酸化 吸能 58 1 概念 利用生物氧化过程中释放的自由能使ADP形成ATP的过程 2 类型 1 底物水平磷酸化 同高能化合物的放能水解作用相偶联的ATP合成作用 2 氧化磷酸化 电子从NADH或FADH2经ETS传递到O2生成水时 同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程 一 氧化磷酸化的类型 59 线粒体被认为是细胞的 发电厂 糖 脂类和氨基酸都是在线粒体内被氧化分解为水和CO2 放出能量并形成ATP 供给生物体生理活动的需要 二 氧化磷酸化的细胞结构基础 60 61 线粒体外膜 自由透过小分子和离子 线粒体内膜 不能自由透过大部分小分子和离子 包括H 含有电子传递体 复合体 ATP ADP转运载体 ATP合酶 F0 F1 线粒体基质 含有丙酮酸脱H酶系 柠檬酸循环的酶 脂肪酸 氧化的酶 AA氧化酶 核糖体ATP ADP Pi Mg Ca K 和一些可溶性代谢中间产物 62 F1 F0 ATPase结构示意图 F0贯穿线粒体内膜 由十多种亚基组成 含有质子通道 F1是球形头部 伸到线粒体基质中 催化ATP的合成 63 氧化磷酸化重建示意图 亚线粒体泡 具有氧化磷酸化功能 氧化磷酸化重建实验证明了呼吸链和F1 F0 ATPase的结构与作用机理的论述 64 1 根据氧化还原电位差判断 G nF E E 0 16V G 30 5KJ mol 二 氧化磷酸化的偶联部位 65 P O 每消耗一个氧原子 或每对电子通过呼吸链传递至氧 所产生的ATP分子数 实验证明 线粒体中的NADH经ETS氧化 P O 3 FADH2经ETS氧化 P O 23 偶联部位 2 根据P O判断 66 根据不同载体的E0 值证明由NADH到分子氧的电子传递链中 有三处能使氧化还原过程所释放的能量足以合成ATP 67 磷氧比 P O NADH FADH2 H2O H2O 例实测得NADH呼吸链 P O 3 例 实测得FADH2呼吸链 P O 2 2e 2e 68 1molG经EMP TCA ETS彻底氧化生成38molATP 或36 4 氧化磷酸化的贮能效率 69 1 化学偶联假说 电子的传递过程中形成高能中间物 释放能量 使ADP生成ATP 三 氧化磷酸化的机理 一 能量偶联假说 70 这一假说的典型例子是G 3 P脱氢酶所催化的产能和贮能过程以及PEP形成丙酮酸并生成ATP的反应 G 3 P Pi 1 3 DPG NAD NADH H G 3 P脱氢酶 1 3 DPG ADP 3 PGA ATP 3 PGA激酶 71 2 构象偶联假说 电子的传递过程中形成高能构象 释放能量 使ADP生成ATP 能说明构象偶联假说的例子是ATP形成或水解与肌动球蛋白的结构变化有关 72 3 化学渗透假说 1961年由P Mitchell提出 此假说得到多数人支持 73 化学渗透假说原理示意图 4H 2H 2H 4H NADH H 2H 2H 2H ADP Pi ATP 高质子浓度 H2O 2e 质子流 线粒体内膜 74 1 递H体和递电子体交替排列 2 复合物 和 中的递H体利用电子传递反应能量将H 泵出内膜 3 线粒体内膜对H 不通透 造成跨膜H 梯度 质子浓度梯度和电位梯度 合称为质子动力势 4 H 通过F1 F0 ATPase回流时 释放能量 生成ATP 化学渗透假说内容 1978年的诺贝尔化学奖 75 1 氧化磷酸化的进行要求线粒体内膜完整 2 将线粒体悬浮于无O2缓冲液 当通入O2时介质很快酸化 3 内膜对H OH K 和Cl 等离子不通透 4 人为地造成跨膜的质子电子电化学梯度 同时加入ADP和Pi 发现合成了ATP 化学渗透假说的证据 76 合成1分子ATP有多少H 通过F0 CoQ在电子传递链中的变化 H 究竟是怎样通过ETS而被逐出的 该理论存在的疑问 77 F1 球行头部 伸入到线粒体基质中 由五种9个亚基组成功能 合成ATP的催化部位寡霉素敏感性蛋白 OSCP 参与调控F1 F0的功能F0 横贯线粒体内膜功能 质子通道 1 ATP合酶复合体 二 ATP合成机制 78 2 ATP合成机制 PaulBoyer提出的 结合变化机制 binding changemechnism 亚基有三种状态 O 状态 开放形式 对底物亲和力极低 L 状态 松弛形式 对底物结合较松弛 对底物无催化能力 T 状态 与底物结合紧密 并有催化活性 质子流的能量使 T 部位转变为 O L 部位转变为 T O 部位转变为 L 79 1 解偶联剂 不阻断电子传递不生成ATP电子传递抑制剂 阻断电子传递不生成ATP作用 使氧化 电子传递 和磷酸化 形成ATP两个偶联的过程脱节 只抑制ATP的形成过程 而不抑制电子传递过程 使电子传递所产生的自由能以热能表达 四 解偶联作用和氧化磷酸化的抑制作用 80 2 4 二硝基苯酚的解偶联作用 H H 线粒体内膜 内 外 2 4 二硝基苯酚 dinitrophenol DNP 将质子从膜外侧带到膜内侧 使线粒体内膜对H 的通透性增加 这样就破坏了电子传递形成的跨膜H 梯度的形成抑制了ATP的形成 81 作用 直接作用于ATPase复合体而抑制ATP的合成 间接抑制了电子传递和分子氧的消耗 这类抑制剂有短杆菌肽 缬氨霉素 芸香霉素和寡霉素 寡酶素抑制原理 与Fo F1 ATPase复合体柄部 Fo 的一个亚基结合 堵塞 了其内的质子通道 阻止膜外的H 回流到基质内 2 氧化磷酸化的抑制 82 一 外NADH脱氢酶 真菌和高等植物 外NADH脱氢酶分布在内膜的外侧朝向膜空间 以FAD为辅基的黄素蛋白 接受来自于胞液的NADH的氢原子 传递给CoQ P O 2内NADH脱氢酶分布在内膜的内侧朝向衬质 以FMN为辅基的黄素蛋白 接受来自于线粒体衬质的NADH的氢原子 传递给CoQ P O 3 五 线粒体外NADH的氧化磷酸化 83