第二章生物氧化(电子传递与氧化磷酸化).ppt

第二章生物氧化(电子传递与氧化磷酸化),第一节氧化还原电势第二节生物氧化概述第三节电子传递链（呼吸链）第四节氧化磷酸化第五节线粒体穿梭系统,第一节、氧化还原电势,一、氧化还原电势：1、概念：氧化还原反应：凡在反应过程中有电子从一种物质（还原剂）转移到另一种物质（氧化剂）的化学反应。往往是可逆的还原剂：在氧化还原反应中提供电子的物质。氧化剂：夺得电子的物质（氧化）还原电势：还原剂失去电子（氧化剂得到电子）的倾向。,1-还原电势,氧化还原电子对：氧化剂和还原剂相偶联构成的，任何氧化还原电子对都有特定的标准电势,原电池,正极,负极,Zn电极标准电极势：-0.763V,Cu电极标准电极势：+0.34V,负极反应:ZnZn2+2eE0Zn2+/Zn=-0.76V,正极反应:CuCu2+2eE0Cu2+/Cu=+0.34V,E0=E0正极-E0负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V,1-还原电势-概念,ZnCu2+Zn2+Cu,还原剂氧化剂被氧化被还原,两个半反应,F：法拉第常数（96485库仑/mol）T：绝对温度R：气体常数（8.314焦耳/升摩尔）N：为电子价数的变化,任意电极电位(电势)的能斯特方程：,a氧化态+ne=b还原态,E=E0+,ln,1-还原电势-概念,2、电极电势计算：,（1）电子形式转移：（2)氢原子形式的转移：(3)有机还原剂直接加氧时，电子转移至O:,3、电子转移的方式,(4)电子以氢负离子（：H-）的形式转移,1-还原电势-概念,二、生物体内的氧化还原电势,1-还原电势-生物体内还原电势,“生物学电路”：电子源相关的还原性化合物如葡萄糖；通过酶促氧化，释放的电子通过电子传递体自然地流向另一具有高电子亲和力地物质如O2,在非光和作用生物体中，电子源还原性化合物（食物）在光和作用生物体中，最初的电子供体受吸收光激发的化学物质如果存在2种对电子有亲和力的物质，那么电子能够通过“连接线路”在两种物质间自然流动，通过电动势驱动到另一亲电子物质,生物体内所有的工作都直接或间接地依赖氧化还原反应中的电子流，电子流能为生物化学做功。,生物体内的氧化还原反应基本原理和化学电池一样，也可做成化学电池。G=-Wmax且电池所做的最大功=电势差电量G0=-Wmax=-nFE0n=转移电子数F=法拉第常数（1摩尔=6.021023个电子=1法拉第=96485库仑/摩尔96.5KJ/V.Mol23.062Kcal/Mol）,1、自由能和氧化还原电势的关系,生物体内一些反应的标准氧化还原电势（P117）,1-还原电势-生物体内还原电势,电子从E0值小的物质转移到E0大的物质E0E0电子受体E0电子供体G0=-nFE0E00G00,例题,练习,1-还原电势-生物体内还原电势,有机物的CCO2（脱羧作用：如TCA）有机物的H+O2H2O（氧化的电子传递过程）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量是如何贮存在ATP中（氧化磷酸化）,广义生物氧化,狭义生物氧化,2-生物氧化-概念,第二节生物氧化概述,一、生物氧化概念：,二、生物氧化的特点：,酶促反应（是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步完成）条件温和（常温常压、近中性pH、有水的活细胞中）复杂的氧化还原过程逐步放能，以ATP形式储存和转运能量真核细胞在线粒体，原核细胞在细胞质进行。,2-生物氧化-特点,在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。,三、生物中氧化还原类型：,1脱氢氧化反应,（1）脱氢催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。,2-生物氧化-类型,琥珀酸脱氢酶,（2）加水脱氢,酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。,如乳酸脱氢酶,2-生物氧化-类型,2氧直接参加的氧化反应,加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。甲烷单加氧酶CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD+H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。是各种脱氢反应中产生的氢质子和电子的最后氧化形式。,练习,2-生物氧化-类型,一、线粒体的通透性,第三节电子传递链（呼吸链),外膜：自由透过小分子和离子内膜：不能自由透过小分子和离子，包括NADH、ATP、ADP、Pi和H+。有电子传递体、ATP合酶（FoF1）膜间隙：含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。基质：有丙酮酸脱氢酶、TCA的酶、脂肪酸氧化的酶、氨基酸氧化的酶、DNA、核糖体、ATP、ADP、Pi、Mg2、可溶的中间产物、其他酶,线粒体结构模式图,3-呼吸链-线粒体,线粒体嵴的ATP合酶分子组成,3-呼吸链-线粒体,概念：线粒体内膜（真核）上由多种蛋白质复合物组成并按一定的顺序排列，能传递质子和电子的连续反应体系。类型：NADH呼吸链FADH2呼吸链,二、电子传递链（ETS）概念,3-呼吸链-概念,1、黄素蛋白类（FP）与电子传递有关的黄素蛋白有两种，分别以FMN或FAD为辅基NADHH+FMNNAD+FMNH2琥珀酸FAD延胡索酸FADH2作用：传递电子和质子,三、电子传递链的组成：,3-呼吸链-组成,2、铁硫蛋白（Fe-S）含铁硫络合物的蛋白质，又称非血红素铁蛋白。铁硫簇和蛋白质相聚合，有(Fe-S)(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在作用：通过铁的价态变化而传递电子,铁硫蛋白中的铁硫簇,3-呼吸链-组成,3、辅酶Q（CoQ，又叫泛醌，又简称Q）ETS上唯一的非蛋白组分，是脂溶性醌类化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2），处在呼吸链的中心地位。与蛋白质结合不紧，在黄素蛋白类与细胞色素类之间起载体作用。作用：传递质子和电子,3-呼吸链-组成,4、细胞色素类一些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Ctyb、Ctyc1、CytcCyta、Cyta3,辅基血红素,辅基血红素a，还含两个必需的铜离子,其中Cytc为线粒体内膜外侧的外周蛋白，其余均为内膜上的整合蛋白,3-呼吸链-组成,细胞色素血红素结构,3-呼吸链-组成,功能：单电子传递体,3-呼吸链-组成,复合体：NADH脱氢酶，NADH-Q（氧化）还原酶线粒体上最大的蛋白质复合体，含43条肽链，包括含一分子的黄素蛋白和多种铁硫蛋白。辅基：FMN，铁硫簇功能：将两个电子从NADH传递给CoQ,上述ETS组分除Cytc和泛醌外，其余组分形成嵌入内膜的复合物：,3-呼吸链-组成,复合体,3-呼吸链-组成,线粒体基质,H+,2H+,通过复合体中的电子流,复合体,3-呼吸链-组成,2H,尼克酰胺核苷酸的作用原理,包括以FAD为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白（3个铁硫簇为辅基）辅基：FAD，铁硫簇功能：催化电子从琥珀酸转移到泛醌,3-呼吸链-组成,复合体：琥珀酸Q（氧化）还原酶,通过复合体中的电子流,复合体,3-呼吸链-组成,复合体：辅酶Q细胞色素C还原酶，细胞色素还原酶，细胞色素bc1复合体包括Cytb、Cytc1、铁硫蛋白辅基：血红素、铁硫簇功能：催化电子从还原型辅酶Q(QH2)传递给细胞色素C,3-呼吸链-组成,通过复合体中的电子流,复合体,3-呼吸链-组成,复合体：细胞色素c氧化酶包括Cyta、Cyta3和含铜蛋白催化电子从还原型Cytc传递到O2,3-呼吸链-组成,通过复合物中的电子流,3-呼吸链-组成,电子传递方向按电子亲和力增加的方向传递；电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高),1、电子传递链的顺序:,3-呼吸链-顺序,四、电子传递链的排列顺序,NADH呼吸链:,FADH2呼吸链:,3-呼吸链-顺序,3-呼吸链-顺序,线粒体电子传递链,3-呼吸链-顺序,动画,2、电子传递链的顺序确定方法:,测定电子传递链中各组分的氧化还原电位用分光光度法通过吸收光谱的变化；利用电子传递抑制剂选择性阻断来测定。用分离的电子传递体进行体外重组实验。,3-呼吸链-顺序,五、电子传递抑制剂,练习,3-呼吸链-抑制剂,一、概念,第四节、氧化磷酸化,氧化磷酸化：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。方程式：NADHH+3ADP3Pi1/2O2NAD+3H2O3ATP三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。,4-氧化磷酸化-概念,电子通过复合体、时释放的自由能：NADHCoQNAD+CoQH2E0=0.36VG0=-69.5KJ/MolFADH2CoQFADCoQH2E0=0.015VG0=-2.9KJ/MolCoQH2Cytc（ox）CoQCytc（red）E0=0.19VG0=-36.7KJ/MolCytc（red）1/2O2Cytc（ox）H2OE0=0.58VG0=-112KJ/Mol,二、ATP的合成,1、P/O比每消耗一个氧原子所形成的ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的ATP数。测定长呼吸链中P/O比为3（3个部位生成ATP）短呼吸链中P/O比为2（2个部位生成ATP）,4-氧化磷酸化-ATP合成,电子传递链中生成ATP的部位,4-氧化磷酸化-ATP合成,2、ATP合成部位（氧化磷酸化偶联部位）NADH的P/O比为3，ATP是在3个不连续的部位生成的：,CoQCytcCytC还原酶,CytcO2CytC氧化酶,NADHCoQNADH脱氢酶,三、氧化磷酸化偶联机理,（一）ATP酶复合体（ATP合酶）,线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。ATP合酶，由两个主要部分F1和Fo组成：F1含有5种不同的亚基（按3、3、1、1和1的比例结合）。活性中心位于亚基上，是合成ATP的催化部位Fo：为一个疏水蛋白，含有质子通道。是与线粒体电子传递系统连接的部位。,4-氧化磷酸化-机理,4-氧化磷酸化-机理,基质,膜间隙,ATP酶的工作方式,4-氧化磷酸化-机理,膜间隙,基质,4-氧化磷酸化-机理,1、化学偶联假说：电子的传递过程中产生高能中间化合物，随后高能中间化合物释放能量，使ADP生成ATP2、构像偶联假说：电子传递过程中使内膜蛋白形成了高能构象，构象转化释放能量，使ADP生成ATP3、化学渗透学说：1961年由P.Mitchell提出，此假说得到多数人的支持,（二）氧化磷酸化机理,4-氧化磷酸化-机理,化学渗透假说的内容,1)电子传递释放的自由能驱动线粒体内膜三大复合体（复合体、和）将H+从基质一侧泵到膜间隙，整个过程共泵出10个H+2)线粒体内膜对H+不通透，造成跨膜H+电化学梯度（质子浓度梯度和电位梯度合称）3)H+通过F1-Fo-ATPase回流时，释放能量，驱动ATP生成,4-氧化磷酸化-机理,4-氧化磷酸化-机理,化学渗透假说的一些证据,氧化磷酸化需要完整的线粒体内膜随着细胞呼吸的进行，线粒体外室的pH降低人为建立的pH梯度同时加入ADP和Pi，发现合成了ATP。破坏H+浓度的试剂能够破坏氧化磷酸化分离纯化得到F1-Fo-ATPase（最直接的证据）,不足：合成1分子ATP需要有多少H+通过F0？CoQ在电子传递链中的变化？ATP合成的分子机制？,4-氧化磷酸化-机理,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,1、解偶联剂：作用：使氧化（电子传递）和磷酸化（形成ATP）两个偶联的过程相分离，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形式释放。(注意电子传递抑制剂：阻断电子传递，也不生成ATP)解偶联剂如：DNP(2,4-二硝基苯酚)FCCP（三氟甲氧基苯腙羰基氟化物）,4-氧化磷酸化-抑制,解偶联剂DNP的抑制原理：破坏跨膜H梯度在正常生理条件下DNP是解离形式，不能透过线粒体内膜，在酸性环境下DNP接受质子成为脂溶性物质，透过内膜，同时将质子H带入内膜内，破坏了跨膜H梯度而引起解偶联现象。,4-氧化磷酸化-抑制,2、氧化磷酸化的抑制剂,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。这类抑制剂有寡霉素，DCCD。寡霉素抑制原理：与Fo-F1-ATPase复合体Fo的一个亚基结合，“堵塞”了其内的质子通道，阻止内膜外的H+回流到基质内。,4-氧化磷酸化-抑制,3、离子载体抑制剂,是一类脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。与解偶联剂区别：增加内膜对一价阳离子（H除外）的通透性。如：短杆菌肽、缬氨霉素、芸香霉素,例题,练习题,4-氧化磷酸化-抑制,作业,NAD+和NADH不能自由地透过线粒体内膜，在胞液内生成的NADH必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体内。,第五节、线粒体外NADH的穿梭,1、-磷酸甘油穿梭系统：一对氢原子只能产生2分子ATP（肌细胞、脑细胞）,5-线粒体穿梭系统,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭：（心肝Cell）,通过该穿梭，一对氢原子可产生3分子ATP,5-线粒体穿梭系统,练习题,例题：计算下反应式G0,NADH+H+1/2O2NAD+H2O解：正极反应：1/2O2+2H+2eH2OE00.815负极反应：NAD+H+2eNADHE0-0.32G-nFE-2964850.815-(-0.32)-220KJmol-1,关于氧化还原电位的论述，下列哪项是正确的？a.规定氢电极的标准电位是0伏特b.pH与氧化还原电位无关c.不能由氧化还原电位计算电化学反应的自由能变化d.测定氧化还原电位需要金属电极e.所有氧化还原电位的测定，都应有一个为氢电极如果将琥珀酸（琥珀酸/延胡索酸氧化还原电位+0.03V）加到硫酸铁和硫酸亚铁（亚铁/高铁氧化还原电位+0.077V）的平衡混合液中，可能发生的变化是：a.硫酸铁的浓度将增加b.硫酸铁的浓度和延胡索酸的浓度将增加c.高铁和亚铁的比例无变化d.硫酸亚铁和延胡索酸的浓度将增加e.硫酸亚铁的浓度将降低，延胡索酸的浓度将增加,习题,1-还原电势,3.在标准条件下，写出下面每对分子自发反应的方向：延胡索酸/琥珀酸和CoQ/CoQH2-酮戊二酸/异柠檬酸和NAD/NADH4.将乳酸脱氢酶加到含有丙酮酸、乳酸、NAD+和NADH的溶液中，它们的浓度比如下：（1）乳酸/丙酮酸1；NAD+/NADH1（2）乳酸/丙酮酸159；NAD+/NADH159（3）乳酸/丙酮酸1000；NAD+/NADH1000写出自发反应式，并计算反应的G.5.当X作为唯一的碳源和氢源，Y作为唯一的环境的电子受体时，如仅从能量上考虑，在下列情况下细菌能否存活？为什么？（假定E=E0)(1)X是-羟丁酸，Y是硫元素（2）X是乙酸，Y是乙醛（3）X是乙醇，Y是SO42-(4)X是乙醇，Y是硫元素,习题,1-还原电势,（1）电极反应2H+2e-H2的E0任意规定为0，计算pH7.0时的E0(2)电极反应NAD+2H+2e-NADHH+在pH7.0时的E0为-0.32V，计算在pH4.0时的E0。,作业,1-还原电势,填空题：1、参与生物氧化的酶可分为_、_和_三类。2、细胞内代谢物上脱下来的氢如果直接与氧气结合则形成_。3、代谢物在细胞内的生物氧化与在体外燃烧的主要区别是_、_、_。判断题：1.生物氧化只有在氧气的存在下才能进行。2.物质在空气中燃烧和在体内的生物氧化的化学本质是完全相同的。,练习题,2-生物氧化,呼吸链上流动的电子载体包括_、_和_等几种。氧化态的细胞色素aa3上的血红素辅基上的Fe3+除了和氧气能够配位结合以外，还可以与_、_、_和_等含有孤对电子的物质配位结合。线粒体呼吸链中电位跨度最大的一步是在_。H2S使人中毒机理是_。,习题,填空题,3-呼吸链,选择题1.下列对线粒体呼吸链中的细胞色素b的描述，哪项是正确的？a.标准氧化还原电位比细胞色素c和细胞色素a高b.容易从线粒体内膜上分开c.低浓度的氰化物或CO对其活性无影响d.容易和细胞色素a反应e.不是蛋白质2.在下列的氧化还原系统中，氧化还原电位最高的是：ANAD+NADHB细胞色素a(Fe3+）细胞色素a(Fe2+）C延胡索酸/琥珀酸D氧化型泛醌/还原型泛,3-呼吸链,1.呼吸链上各成分的摩尔比是1/1。2.呼吸链上电子流动的方向是从高标准氧化还原电位到低标准氧化还原电位。3.细胞色素b和细胞色素c因处于呼吸链的中间，因此它们的血红素辅基不可能与CN-配位结合。4.甘油-磷酸脱氢生成的FADH2经线粒体内膜上的复合体进入呼吸链。5.NADH脱氢酶是指以NADH为辅酶的脱氢酶的总称。6.NADH在340nm处有吸收，而NAD+没有，利用这个性质可将NADH与NAD+区分开来。7.在消耗ATP的情况下，电子可从复合体流动到复合体。,判断题,3-呼吸链,问答题1、有人发现一种新的喜氧细菌，在它的细胞膜上含有5种以前并不知晓的电子传递体，分别以m,n,o,p,q来表示。1)分离出此传递链，并以NADH作为电子供体，使用不同的呼吸链抑制剂处理，应用分光光度法分析各个成分是以还原形式(+表示)存在，还是以氧化形式存在(-表示)，结果见下表：,根据上面的图表结果，指出各传递体在传递链上的排列次序.电子传递方向和抑制剂的作用部位。,3-呼吸链,2)如果以琥珀酸作为电子供体，则得到的结果见下表：,根据上表的结果，进一步指出各传递体在传递链上的排列次序。,3-呼吸链,2.有功能的电子转移系统可以用纯化的电子传递链的组分和膜颗粒重新构成。根据下面的每套组分确定最后的电子受体。假定O2存在。NADH、CoQ、复合物、和；NADH、CoQ、细胞色素c、复合物和；琥珀酸、CoQ、细胞色素c、复合物、和；琥珀酸、CoQ、细胞色素c、复合物和。3.把一种广泛使用的处方止痛药Demerol（地美罗）加入到处在呼吸状态的线粒体悬浮液中，NADH/NAD+和CoQ/CoQH2的比例增高。哪个部位电子传递复合物被Demerol抑制？,1.将新鲜制备的线粒体与-羟丁酸，氧化型细胞色素c，ADP，Pi和KCN保温，然后测定-羟丁酸的氧化速率和ATP形成的速率。1)写出该系统的电子流动图2)预期1分子-羟丁酸经该系统中氧化可产生多少分子ATP？3)能否用NADH代替-羟丁酸？4)KCN的功能是什么？5)如在这个系统中加入鱼藤酮，结果会有什么不同？,例题,4-氧化磷酸化,解（1）-羟丁酸NAD+FMNFe-SCoQCytbFe-SCytc1Cytc（2）2（3）不能，因为NADH不能自由地通过线粒体内膜（4）抑制细胞色素氧化酶（5）鱼藤酮是电子传递抑制剂，抑制从NADH到CoQ之间的电子传递。加入后电子传递和氧化磷酸化均受到抑制。,4-氧化磷酸化,填空：1、P/O值是指_，NADH的P/O值是_，在DNP存在的情况下，琥珀酸的P/O值是_。2、_可以被称为最小的分子马达。3、给小白鼠注射FCCP，会导致小白鼠_。,练习,判断题1.呼吸作用能导致线粒体基质的pH值升高。2.抗霉素A能阻断异柠檬酸氧化过程中ATP的形成，但不阻断琥珀酸氧化过程中ATP的形成。3.如果线粒体内ADP浓度较低，则加入DNP将减少电子传递的速率。4.ADP的磷酸化作用对电子传递起限速作用。,4-氧化磷酸化,选择题：在离体的完整的线粒体中，在有