生物化学(王镜岩版)第七章生物氧化

第七章：电子传递与氧化磷酸化,一、概述生物氧化有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程统称为生物氧化。其实质是需氧细胞在呼吸作用中发生的一系列氧化还原反应，即细胞氧化或细胞呼吸。,生物氧化的特点：1、体温条件下进行。2、酶促反应。3、逐步氧化并释放能量。4、在氧化过程中产生的能量一般都储存在ATP中。,二、氧化还原电势氧化还原反应凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反应。如：Fe3eFe2氧化型还原型电子受体电子供体,氧化还原电势还原剂失掉电子或氧化剂得到电子的倾向称氧化还原电势。,标准电势任何的氧化-还原物质即氧还电对都有其特定的电动势，称标准电势。用E0或0表示。氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。例如，异柠檬酸/-酮戊二酸+CO2电对在浓度均为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V，这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。,三、电子传递与氧化呼吸链,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程,呼吸链的概念,代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的链式反应逐步传递，最终与氧结合生成水。这一系列酶和辅酶所组成的且与细胞利用氧有关的链式反应称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。,电子传递链电子从NADH或FADH2传递到O2所经过的途径称为电子传递链，或称呼吸链，由蛋白质复合体构成。分为NADH-Q、还原酶琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶4个部分。电子传递链存在于真核细胞的线粒体内膜上，存在于原核细胞的质膜上。,在传递过程中，电子的传递仅发生在相邻的电子载体之间，它的传递方向与每个电子所具有的电化学势能的大小相关。即电子的流动方向总是由电负性较低的氧还电对流向更强电正性的氧还电对。,电子从电负性流向电正性是伴随着自由能的降低，其标准自由能变化的计算公式为：G0=-nFE0n为转移电子数，F为法拉第常数=23062cal/Vmol，E0为标准电势变化。利用此公式可以计算出电子传递链中每一步电子传递的自由能变化。,四、线粒体呼吸链的组成(一)呼吸链的组成成分,细胞色素还原酶,细胞色素c,细胞色素氧化酶,O2,NADH-Q还原酶,FADH2,琥珀酸-Q还原酶,NADH,辅酶Q,FMN、Fe-S,FAD、Fe-S,细胞色素b-562,细胞色素b-566,细胞色素c1,血红素a,血红素a3,CuA和CuB,Fe-S,1.复合体:NADH-泛醌还原酶,功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的结构,R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子。,表示无机硫,泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,复合体的功能,2.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶,功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌,细胞色素,细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,3.复合体:泛醌-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,QH2,Cytc,4.复合体:细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,还原型Cytc,O2,由以下实验确定标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）呼吸链成分的排列顺序,1.NADH氧化呼吸链NADH复合体Q复合体Cytc复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,电子传递链,五、氧化磷酸化作用Oxidativephosphorylation：,氧化磷酸化作用是指在生物氧化过程中伴随着ATP生成的作用。具体说，就是代谢物被氧化释放的电子通过一系列电子传递体从NADH或FADH2传到O2并伴随将ADP磷酸化产生ATP的过程。这一系列反应是在线粒体内膜上进行，是需氧生物取得ATP的主要来源.,真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生。原核生物则是在浆膜发生的。（一）线粒体的结构,线粒体的结构,内膜,脊膜,线粒体的结构普遍存在于动植物细胞内，呈球状、棒状、线状等，是需氧细胞产生ATP的主要部位。在细胞中的数目可达数百到数千。线粒体有两层膜：外膜和内膜，中间为膜间隙，线粒体内部为基质。内膜向基质内折叠为嵴，嵴的存在大大增加了内膜的面积。内膜是细胞溶胶和线粒体基质间的主要屏障。膜间隙通过外膜与细胞溶液相接触。,线粒体内膜的功能有3个方面：（见P130）1、是将丙酮酸和脂肪酸氧化为CO2，同时使NAD+、FAD还原为NADH和FADH2，这发生在线粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上；2、是电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上，并同时形成跨膜质子泵；3、将储存在电化学质子梯度的能量由内膜上的ATP合成酶（F0F1ATPase）合成ATP。,ATP的生成方式：底物磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化（植物体内或某些微生物）,（二）氧化磷酸化作用机制在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。,(a)O2+2H+2e-H2OE0=+0.82V(b)NAD+H+2e-NADHE0=-0.322VG=-nFE0=-2965001.14=-220kJ/mol（52.7kcal/mol),上面讲的是在电子传递过程中，自由能的释放。而电子传递过程中释放的自由能储存于ATP的过程，是吸能的过程。放能和吸能的过程相偶联就是氧化磷酸化的主要内涵。,P/O比：指一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP分子数，或者指电子经过呼吸链传递消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷的分子数，它反映氧化磷酸化的效率。NADH1/2O2P/O比为3FADH21/2O2P/O比为2,1.ATP合成的部位合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。,FAD（0.18)NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa31/2O2-0.32-0.30+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82ATPATPATP,2.氧化磷酸化的偶联机制（能量偶联假说）氧化磷酸化作用与电子传递相偶联的方式是怎样的？提出的假说有：化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说等（P131）。葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算：,目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被泵到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合成酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。,化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；,c.在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP合酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,ATP合酶：含有F0和F1单位，质子流回基质通过F0通道，而ATP的合成部位在F1。,当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP。,3.影响氧化磷酸化的因素,A、ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。,B、甲状腺激素：甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。,（1）解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。,C、药物和毒物,（2）氧化磷酸化的抑制剂：对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。,（3）离子载体抑制剂：能与某些除质子以外的1价阳离子结合并作为它们的载体来增加线粒体内膜对1价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程。如颉氨霉素。（4）电子传递的抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为电子传递的抑制剂。,MH2,NADH,-0.32,FMN,-0.30,CoQ,+0.10,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,鱼藤酮安密妥,抑制剂：,抗霉素A,氰化物CO叠氮化合物,质子泵与产能在NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶的催化反应中，可使质子由线粒体内膜泵入线粒体内外膜间隙，所以这三个酶都是质子泵，并推动ATP的形成。而琥珀酸-Q还原酶不是质子泵，不能形成ATP。,一对电子流经NADH-Q还原酶产生1个ATP，流经细胞色素还原酶产生0.5个ATP，流经细胞色素氧化酶产生1个ATP，故一个NADH分子通过氧化磷酸化形成2.5个ATP，1个FADH2只形成1.5个ATP。氧化磷酸化的解偶联和抑制见下图,ATP循环：,ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。,（四）高能磷酸键的储存与释放,多磷酸核苷间的能量转移：,在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单