j07電子傳遞體系與氧化磷酸化.ppt

1、第六章 電子傳遞體系與氧化磷酸化,主要內(nèi)容和要求：重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。對非線粒體氧化體系作一般介紹。,返回,思考,目錄,第一節(jié) 生物氧化概述 第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系 第三節(jié) 氧化磷酸化作用 第四節(jié) 非線粒體氧化體系（自學(xué)）,第一節(jié) 生物氧化概述,一、生物氧化的概念和特點 二、生物能學(xué)簡介 三、 高能化合物,生物氧化的特點和方式,糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation），其實質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。 狹義生物氧化：

2、專指H+和e-通過呼吸鏈傳遞給O2生成H2O并釋放能量的過程。 化學(xué)本質(zhì)氧化還原反應(yīng) 氧化的形式：脫氫、加氧、失電子 意義：生物體重要的基本反應(yīng)，提供生命活動所需的大量能量 1、生物氧化的特點 2、生物氧化過程中CO2的生成和H2O的生成 3、有機(jī)物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段和相關(guān)酶類,生物氧化的特點,在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。,C

3、O2的生成,方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：直接脫羧和氧化脫羧,H2O的生成,代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e,O=,2H+,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質(zhì),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間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2

4、O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,生物氧化的三個階段,三、生物能學(xué)簡介,1、生物能的轉(zhuǎn)換及生物系統(tǒng)中的能流 2、自由能的概念及化學(xué)反應(yīng)自由能的計算,自由能（free energy）的概念,定義：在恒溫恒壓條件下,體系可以用來對環(huán)境做功的那一部分能量。 自由能與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系: 一個物質(zhì)（A）的自由能含量是不能測得，但在反應(yīng)中A-B 的自由能變化(G）是可以測定的。 G = GB - GA ，表示化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)物與底物的自由能差。它們與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系是： G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行.,

5、化學(xué)反應(yīng)自由能的計算,標(biāo)準(zhǔn)自由能差(G0)： G受溫度、物質(zhì)濃度的影響，因此采用標(biāo)準(zhǔn)條件（ 1個大氣壓，25 oC， pH7，物質(zhì)濃度1mol/L），就用G0表示。 1. 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E0） 氧化還原反應(yīng)和氧化還原電對： 氧化還原反應(yīng)：AH2 + B=A + BH2 式中A、B為氧化型，AH2、BH2為還原型 A/AH2 和 B/BH2 構(gòu)成兩個氧化還原電對。電對的電位是相對值。用標(biāo)準(zhǔn)條件，以標(biāo)準(zhǔn)氫電極做參比（0V）得到該電對的電位，表示為 E0。 P172表6-2列舉了生物體中重要的氧化還原電對的 E0 。（重要）,2、E0值的意義：表示電對中物質(zhì)對電子的親和力 電位 負(fù) 正 對電子的

6、親和力 小 大 還原型供出電子能力 強(qiáng) 弱 氧化型接受電子能力 弱 強(qiáng) 3、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位差（E0） 生化反應(yīng)中，一種物質(zhì)的氧化與另一種物質(zhì)的還原相偶聯(lián)，兩物質(zhì)間電子流動的條件是它們的E0不相等，其差值就是E0。 E0 = E0氧化劑 - E0還原劑 如：乳酸發(fā)酵： 丙酮酸 + NADH + H+ -乳酸 + NAD+ 確定氧化還原電對，并查表6-2 丙酮酸/乳酸 E0= - 0.19V NAD+ / NADH2 E0= - 0.32V 反應(yīng)正行:E0 = 丙酮酸 - NADH + H+ = - 0.19 -（-0.32）= 0.13V,自由能與氧化還原電位的關(guān)系： 標(biāo)準(zhǔn)條件下，電子從低（越

7、負(fù)）的氧化還原電位流向高（越正）的氧化還原電位，自由能降低。兩者的關(guān)系可定量的表示為： G0(KJ/mol)= - n FE0 （P172，要求記） 將上述列子帶入計算： 反應(yīng)正行:G0= -2 96.403 0.13 = -25.1 (KJ/mol)（放能反應(yīng)）,生物系統(tǒng)中的能流,四、高能化合物,1、高能化合物的類型 2、ATP的特點及其特殊作用,生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。,高能化合物類型,ATP的特點,在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)

8、定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩爾）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP的特殊作用, ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨” ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體,第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系,一、線粒體結(jié)構(gòu)特點 二、電子傳遞呼吸鏈的概念 三、呼吸鏈的組成 四、機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化 五、電子傳遞抑制劑,線粒體呼吸鏈,線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一

9、系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctron transfer chain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。,呼吸鏈的組成,1. 黃素蛋白酶類 （flavoproteins, FP） 2. 鐵-硫蛋白類 （ironsulfur proteins) 3. 輔酶 （ubiquinone,亦寫作CoQ） 4. 細(xì)胞色素類 （cytochromes）,NADH,輔 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黃素蛋白（F AD）,黃素蛋白（FMN）,細(xì)胞色素類,鐵硫蛋

10、白（Fe-S）,鐵硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸鏈,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,細(xì)胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈,電子傳遞鏈中各中間體的順序,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合物 I,復(fù)合物 III,NADH脫氫酶,輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶,細(xì)胞色素C還原酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化,總反應(yīng): NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0

11、.32) =-220.07千焦mol-1,煙酰胺脫氫酶類,特點：以NAD+ 或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機(jī)理:,黃素蛋白酶類,特點： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白,類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）,鐵硫蛋白,特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。,CoQ,特點：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。,細(xì)胞色素,特

12、點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。,CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理,CoQ+2H CoQH2,鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機(jī)理,細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機(jī)理,線粒體結(jié)構(gòu),第三節(jié) 氧化磷酸化作用,一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 三、 線粒體外NADH的氧化磷酸化作用 四、能荷,氧化磷酸化,代謝物在

13、生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化(廣義）。,類別： 底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化,磷氧比（ P/O ）,P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 實測得NADH呼吸鏈： P/O 2.5,實測得FADH2呼吸鏈： P/O 1.5,2e-,2e-,氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理,1、化學(xué)滲透假說 2、氧化磷酸化的抑制 解偶聯(lián)劑 氧化磷酸化抑制劑,離子載體抑制劑,三、 線粒體外NADH的氧化磷酸化作用, 磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸天冬氨酸穿梭系

14、統(tǒng),-磷酸甘油穿梭,（線粒體基質(zhì)）,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,線粒體內(nèi)膜,（細(xì)胞液）,蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用,細(xì)胞液,線粒體內(nèi)膜體,天冬氨酸,-酮戊二酸,蘋果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,蘋果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,線粒體基質(zhì),NADH+H+,（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運載體）,呼吸鏈,2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用,H+,H+,線粒體內(nèi)膜,內(nèi),外,線粒體ATP酶,化學(xué)滲透假說示意圖,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+

15、H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型,旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過Fo引起亞基III 寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動,這種旋轉(zhuǎn)配置 /亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質(zhì)的轉(zhuǎn)變, 亞基的中心 -螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住 /異質(zhì)六聚體.,ADP+Pi,Proten Flux,H2O H+,ATP酶作用機(jī)理,電子傳遞 抑制劑,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt

16、 c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合物 I,復(fù)合物 III,能 荷,意義： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在01之間(常為0.8-0.95)，反映細(xì)胞能量水平。,化學(xué)滲透假說示意圖,非線粒體氧化系統(tǒng),通過線粒體細(xì)胞色素系統(tǒng)進(jìn)行氧化的體系是一切動物、植物、微生物主要氧化途徑，它與ATP的生成緊密相關(guān)。除此以外，生物體內(nèi)還存在非線粒體氧化系統(tǒng)，其特點是從底物脫氫到H2O的生成是經(jīng)過其它末端氧化酶完成的，與ATP的生成無關(guān)，但各自具有重要的生理功能。 生物體內(nèi)主要的非線粒體氧化系統(tǒng)如下：,1、多酚氧化酶系統(tǒng) 2、抗壞血酸氧化

17、酶系統(tǒng) 3、黃素蛋白氧化酶系統(tǒng) 4、超氧化物歧化酶氧化系統(tǒng) 5、植物抗氰氧化酶系統(tǒng),生物氧化有關(guān)的酶類 (一)脫氫酶類 1、不需氧脫氫酶（最重要） 特點：催化底物脫氫后，不能以O(shè)2為直接 受氫體 酶蛋白 組成：結(jié)合酶 輔酶：NAD+ 、NADP+ 輔因子 輔基：FMN 、FAD,2、需氧脫氫酶 特點：催化底物脫氫后，以O(shè)2為直接受氫體， 生成H2O2。,組成：結(jié)合酶,酶蛋白,輔基：FAD,例：乙醇酸氧化酶等,組成：結(jié)合酶,酶蛋白,輔基：含F(xiàn)e 、 Cu,例：細(xì)胞色素氧化酶、酚氧化酶等,3、氧化酶類 特點：催化底物脫氫后，以O(shè)2為直接受氫體， 生成H2O。,問答題,1、生物氧化有何特點？以葡萄糖

18、為例，比較體內(nèi)氧化和體外氧化異同。 2、何謂高能化合物？體內(nèi)ATP 有那些生理功能？ 3、氰化物和一氧化碳為什麼能引起窒息死亡？原理何在？ 名詞解釋 生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸鏈 磷氧比（P0）能荷,本章內(nèi)容提要（P167）。 思考題： 1、何謂生物氧化？其特點如何？ 2、G0和E0各表示什么，它們之間的定量關(guān)系如何？ 3、簡述高能化合物的定義及種類，為什么ATP可以作為細(xì)胞中能量的“通幣”。 4、呼吸鏈中各成員的排列順序根據(jù)什么原則確定。 5、用化學(xué)滲透學(xué)說解釋氧化磷酸化機(jī)理。 6、NADH呼吸鏈由哪些成分組成？電子傳遞抑制劑有哪些？,練習(xí)題 1、用表8-1的數(shù)據(jù)，計算乙醛被NADH還原為乙醇時的E0及G0。 2、計算1分子3-磷酸甘油醛通過有氧分解被徹底氧化為CO2和H2O時生成的ATP分子數(shù)。（假設(shè)通過3-磷酸甘油穿梭） 3、P219第4題 4、解釋名詞：氧化磷酸化、底物水平磷酸化、能荷、解偶聯(lián)劑, ATP合酶、末端氧化酶、P/O、電子傳遞抑制劑,一、填空題： 1、處于電子傳遞鏈末端的氧化酶稱為（ ）。 2、CoQ是電子傳遞鏈中的（ ）遞體。 3、復(fù)合體的電子傳遞抑制劑是（ ）。