第五部分生物能学与氧化

第五部分生物能学和生物氧化BIOENERGETICSANDBIOLOGICAL

OXIDATION根据热力学第二定律判断化学反应过程自由能公式：

∆G

=

∆H -

T

∆S∆G

<

0∆G

>

0∆G

=

0放能反应负值 自由能降低反应能自发进行正值 自由能增加吸能反应反应不能自发进行，需提供能量才能进行反应处于平衡状态不吸能也不放能∆G和∆G0′的区别：∆G0′：是在标准条件下（标准条件：25℃、1个大气压、参加反应的物质的浓度都是1mol/L，在生物化学反应中，还规定反应进行的环境为

pH=7.0

）的自由能变化，为每一化学反应都

具有的一个常数，其值依赖于反应的平衡常数，可以是正值、负值或零。（单位：kJ/mol

）。∆G：是一给定化学反应的实际自由能变化，它是浓度、温度、pH值的函数，在自发进行的

反应中，∆G总是负值，当反应达到平衡点时，∆G达到零。标准自由能变化及其与平衡常数的关系∆G

=∆G0′

+

RT

ln[C]c

[D]d[A]a

[B]bK'eq=[C]c

[D]d[A]a[B]b∆

G0'

=∆

G0'

=-

RTln

K'eq-

2.303RT

lgK'eqR：气体常数，R=

8.315J/mol.K（1.98cal/mol.K）T：绝对温度ATP结构特点与水解自由能的关系pH=7时，ATP以ATP4-形式存在，具有较大势能，水解自由能是-30.5kJ/mol。主要原因是：OO

Od+

d+d+腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-O-

O-

O-Mg2+①ATP分子结构存在不稳定因素ATP有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。存在相反共振现象。相邻2个P之间是一个

O原子，上有未共用电子对，P因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是2个相邻的P之间有竞争O原子未共用电子的现象，其结果影响ATP分子的稳定性。②ATP水解产物具有更大的共振稳定性。③H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行。总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使ATP水解释放大量能量。细胞色素中血红素辅基类型①

b

类细胞色素

铁-原卟啉Ⅳ（Hb、Mb也存在），为b型heme，与蛋白质非共价结合。②

c

类细胞色素

为c型heme。和b的区别是heme上的乙烯基与蛋白质的Cys-SH作用，通过硫醚键与蛋白质共价结合。③a

类细胞色素为a型heme。和b有2点区别：一是甲酰基取代甲基；二是一个15碳的烃链取代乙烯基。与蛋白质非共价结合。b-hemeAlso

found

inHemoglobin

&myoglobinC-hemea-hemeBound

tocytochromestightly

butnoncovalentlyBound

to

cytochromestightly

and

covalently.在b、c1

、c、a

中，Fe与卟啉环及蛋白形成6个配位键：4个与卟啉环（平面），2个分别与蛋白中的His和Met配对（与卟啉环垂直）。a3中，Fe与卟啉环及蛋白形成5个配位键（不与Met形成），空的1个与O2、CO或CN配位，正常与O2配位。a、a3在结构上分不开，a3直接被氧氧化，所以aa3又称细胞色素c氧化酶。a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有2个铜离子。aa3可直接以O2为电子受

体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+«Cu2+的互变，将细胞色素c所携带的电子传递给O2

。b、c1

、aa3疏水性，与内膜紧密结合。c

为水溶性蛋白，膜外周蛋白，易提取分离。这种特性允许它在电子传递链中的两个复合物之间起传递电子的联系作用。线粒体中各电子传递体的复合体（1）线粒体的结构鼠肝线粒体长2um，宽1um。有两层膜：外膜平滑有弹性，通透性强。内膜有向内褶叠的嵴。内膜包围基质，各个电子传递蛋白分布于内膜中。NADHCytc1Cytc

aa3(Fe-S)FMN

Q

Cytb(Fe-S)O2FAD.H2(Fe-S)4种复合体中，Q

接受Ⅰ和Ⅱ的电子，传递给Ⅲ；c

接受Ⅲ的电子，传向Ⅳ。complexⅡcomplexⅠcomplex

ⅢcomplexⅣ（2）线粒体分离到的4个复合体线粒体NADH呼吸链（3）各复合体概述①复合体Ⅰ（complexⅠ）又为NADH-Q还原酶或NADH脱氢酶。为大蛋白质复合体，34条肽链，分子量88kD，第一个质子泵。FMN和铁-硫聚簇（iron-sulfur

clasters

Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基

或辅酶负责传递电子和氢。酶先与NADH结合，并将两个氢转移到FMN辅基上，Fe-S通过Fe化合价变化，接受FMNH2电子，最后将电子和质子传至CoQ。MMH2NAD+NADH2CoQH2CoQ泵到线粒体内膜外侧2H+FMNH2

2Fe3+2(Fe-S)FMN

2Fe2+NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环2H+NADH-Q还原酶本步反应可生成1分子的ATP。NADH

enters

at

NADH

dehydrogenase(also

called

NADH:ubiquinone

oxidoreductaseor

NADH-Q

oxidoreductase)Consisting

at

least

34

polypeptide

chains“L”

shaped,

~880

KDa(ribosome:

~2500

KDa)exergonicendergonicThe

coupling

mechanismbetween

e-

transferring

and

H+pumping

is

still

unknown!(6-8)延胡索酸琥珀酸FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ②复合体Ⅱ（complexⅡ）又称琥珀酸-Q还原酶，嵌在线粒体内膜的蛋白质，包括TCA中的琥珀酸脱氢酶。本步反应无ATP的生成。FADH2

of

flavoproteins

alsotransfer

their

electrons

toubiquinone

(Q),

with

no

H+

pumped.Succinatedehydrogenase(complex

II)③复合体Ⅲ（complexⅢ）又称细胞色素还原酶、CoQ-细胞色素c还原酶、bc1复合体。由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括两种细胞色素（b、c1

）和一铁硫蛋白（

2Fe-2S

）。作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2

→

cyt.b

→Fe-S

→

cyt.c1

→cyt.c通过Q循环，每次将2个电子传给c，有4个质子泵出去。The

e-

transferring

&

H+

pumpingin

Complex

III

via

the

Qcycle

(for

each

2

e-

transferred,

4H+

aretranslocated)TheQcycleTheQcycle2nd

QH21st

QH2Role

of

the

Q

cycle:a

switch

between

2e--

carrier

(QH2)

and1e-

carrier

(Cyt

c);

doubling

of

thenumber

of

H+

translocated.④复合体Ⅳ（complexⅣ）又称细胞色素c

氧化酶（cytochrome

coxidase）。它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.

a和a3。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合。当电子传递时，在细胞色素的Fe3+、Fe2+间循环，同时在Cu2+、Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。也叫末端氧化酶。Heme

aHeme

a3CuACuA3

subunits

(out

of

the

13in

Mt.)

seem

to

be

criticalCuA-CuACuBCopper

center

AHeme

aandHeme

a3

hasidenticalstructures

but

different

reduction

potentialCytochrome

c

oxidase

(Complex

IV),

the

terminalenzyme

of

the

respiratory

chain,

contains3

Cu

and

2

heme

A

groups

as

electron

carriersThe

bacterial

enzyme

contain

onlythe

three

catalytic

subunits!4e-

are

transferredfrom

4

Cyt

c

to1

O2

to

make

2H2Oin

Complex

IV,with4H+

takenfrom

the

matrixto

make

2H2O

&4H+

pumped

out.?A

transmembrane

H+

gradient

is

generated

usingenergy

released

from

the

electron

transferring:the

electron

motive

force

is

converted

to

anproton

motive

force.~

10

and

~6

protons

are

pumped

per

NADH

and

perFADH2

oxidized

via

the

respiratory

chain.Q

and

Cytcshuttle

electronsfromone

complex

to

another电子传递的抑制剂概念阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。抑制机制抑制剂作用在呼吸链的水不溶蛋白复合物上，改变其构象，失去电子传递的能力。几种常见抑制剂的阻断部位见下图NADHQ10Cytc1Cytc

aa3FMN

Cytb(Fe-S)

(Fe-S)O2FADH2(Fe-S)鱼藤酮阿米妥杀粉蝶霉素A-抗霉素A氰化物

硫化氢

叠氮化物

CO--ADPATP寡霉素-DNP-氰化物中毒机理及解毒机制氰化物的N原子含孤对电子，能够与aa3的氧化形式（Fe3+）以配位键结合，而阻止了电子传递给O2。亚硝酸盐可将Hb的heme上Fe2+氧化为Fe3+

。它也可以和氰化钾结合，这就竞争性抑制了氰化物与aa3的结合。硫代硫酸钠可使CN―可被转变为无毒的硫氰化物（SCN―），随尿排出体外。化学渗透假说(chemiosmotic

hypothesis)1961年英国生化学家Peter.Mitchell提出。电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒

体内膜的基质侧泵到

内膜外侧，产生内外

质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。The

Nobel

inChemistry

1978For

his

contribution

to

theunderstanding

of

biological

energytransfer

through

the

formulationof

the

chemiosmotic

theory.P.D.Mitchell内膜0

1F

F

ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(ΔmH+)驱动ATP的合成。化学渗透假说原理示意图4H+NADH+H+4H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度4H+2H+H2O2e-_

_

_

_

_

_

_

_

_

_质子流磷酸化+

+

+

+

+

+

+

+

+氧化线粒体电子传递和H+排出的数目和途径H2O2H+CytcCytcCytcQCytc1CytbKFeSCytbrFeSCytaCyta32e-FMNFeS2e-NADH+H+NAD+4H+4H+2H+复合物III12

O2

+2H+

H2O①ATP合成酶又称FOF1ATP酶，位于线粒体内膜上。主要组成：F1

MW

380kD，含9个亚基（a3b3gd

e）。催化ATP

的生成，游离时可催化ATP的水解。FO

（疏水部分）

(ab2c10-14)

镶嵌在内膜中。Rod-shaped

gsubunit.Structure

determination

indicates

that

indeedthe

three

b

subunits

are

inequivalent

inconformation!

(John

Walker,

1994)ADPT

(tight)L

(loose)O

(open)ATP

synthase,

“asplendid

molecularmachine”,

comprisesa

proton

channel

(Fo)and

an

ATPase

(F1)The

enzyme

consists

oftwo

functional

components:A

moving

unit

or

rotor(the

c

ring

and

the

ge

stalk)and

a

stationary

unit

or

stator(the

remainder)F1:

a3b3gde.c10rotorFo:

ab2c10-14statorRotation

of

the

gsubunit

and

thering

of

c

subunitsin

the

FoF1

complewas

observed

byin

vitro

studiesusing

fluorescencmicroscopy

(K.Kinosita,

1997)a3b3g,

with

the

gsubunit

linked

toan

actin

filamentwill

also

rotatewhen

ATP

is

added.FluorescencetlylabeledThe

world’s

smallestmolecular

motor:rotational

catalysis.Rotation

of

the

gsubunit

and

the

ring

of

c

subunits

in

in

theFoF1

complex

as

directly

observed

by

in

vitro

studies

usingfluorescence

microscopy:

they

rotate

in

120-degreeincrements,with

each

step

consume

one

ATP;

operationefficiency

near

100%.Model

on

the

rotation

of

the

c-ring

in

ATP

synthase:two

half-channels

for

H+

on

the

a

subunit

hasbeen

proposed.(3ATP

made

per

10-14protons

transported:~3H+/ATP.)Asp美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理，提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象

(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体

ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。Boyer和Walker的工作ATP合成的旋转催化模型egacdbabb定子转子该理论认为：质子流通过Fo引起亚基c寡聚体和g及e亚基一起转动，这种旋转配置a/b亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,g亚基的中心a

-螺旋是转子，亚基a和b2