生物化學(xué)第七章-生物氧化.ppt課件

1、第七章：電子傳遞與氧化磷酸化一、概述生物氧化有機(jī)分子在細(xì)胞內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放出能量形成ATP的過程統(tǒng)稱為生物氧化。其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸作用中發(fā)生的一系列氧化還原反應(yīng)，即細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。生物氧化的特點(diǎn)：1、體溫條件下進(jìn)行。2、酶促反應(yīng)。3、逐步氧化并釋放能量。4、在氧化過程中產(chǎn)生的能量一般都儲(chǔ)存在ATP中。二、氧化還原電勢(shì)氧化還原反應(yīng)凡是反應(yīng)中有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)稱為氧化還原反應(yīng)。即電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)就是氧化還原反應(yīng)。如： Fe 3 e Fe 2 氧化型 還原型 電子受體 電子供體 氧化還原電勢(shì)還原劑失掉電子或氧化劑得到電子的傾向稱氧化還原電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)任何的氧

2、化-還原物質(zhì)即氧還電對(duì)都有其特定的電動(dòng)勢(shì)，稱標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)。用E0或0表示。氧還電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)值越大，越傾向于獲得電子。例如，異檸檬酸/-酮戊二酸 + CO2電對(duì)在濃度均為1.0mol/L時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)為-0.38V，這個(gè)氧化電對(duì)傾向于將電子傳遞給氧還電對(duì)NADH/NAD+，因?yàn)槠錁?biāo)準(zhǔn)電勢(shì)為-0.32V。 三、電子傳遞與氧化呼吸鏈糖原 三酯酰甘油 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC 2H 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP CO2 * 生物氧化的一般過程呼吸鏈的概念代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。這一系列酶和輔酶所組成

3、的且與細(xì)胞利用氧有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。電子傳遞鏈電子從NADH或FADH2傳遞到O2所經(jīng)過的途徑稱為電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈，由蛋白質(zhì)復(fù)合體構(gòu)成。分為NADH-Q、還原酶琥珀酸-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶4個(gè)部分。電子傳遞鏈存在于真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜上，存在于原核細(xì)胞的質(zhì)膜上。在傳遞過程中，電子的傳遞僅發(fā)生在相鄰的電子載體之間，它的傳遞方向與每個(gè)電子所具有的電化學(xué)勢(shì)能的大小相關(guān)。即電子的流動(dòng)方向總是由電負(fù)性較低的氧還電對(duì)流向更強(qiáng)電正性的氧還電對(duì)。電子從電負(fù)性流向電正性是伴隨著自

4、由能的降低，其標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的計(jì)算公式為： G0=-nF E0n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)=23062cal/Vmol， E0為標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)變化。利用此公式可以計(jì)算出電子傳遞鏈中每一步電子傳遞的自由能變化。四、線粒體呼吸鏈的組成(一)呼吸鏈的組成成分細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素c細(xì)胞色素氧化酶O2NADH-Q還原酶FADH2琥珀酸-Q還原酶NADH輔酶QFMN、Fe-SFAD、Fe-S 細(xì)胞色素 b-562 細(xì)胞色素b-566 細(xì)胞色素c1血紅素a血紅素a3CuA和 CuB Fe-S1. 復(fù)合體: NADH-泛醌還原酶 功能: 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiquinone) 復(fù)合體NADH Co

5、Q FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互轉(zhuǎn)變氧化還原反應(yīng)時(shí)變化發(fā)生在五價(jià)氮和三價(jià)氮之間。FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN 。鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)傳遞電子。 表示無機(jī)硫 泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊二烯連接形成較長(zhǎng)的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成中間產(chǎn)物半醌型泛醌。復(fù)

6、合體的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH22. 復(fù)合體: 琥珀酸-泛醌還原酶 功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復(fù)合體琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 細(xì) 胞 色 素細(xì)胞色素是一類以鐵鐵卟啉為輔基的催化電子傳遞的酶類，根據(jù)它們吸收光譜不同而分類。3. 復(fù)合體: 泛醌-細(xì)胞色素c還原酶 功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素c 復(fù)合體b562; b566; Fe-S; c1QH2Cyt c4. 復(fù)合體: 細(xì)胞色素c氧化酶 功能：將電子從細(xì)胞色素c傳遞給氧 復(fù)合體CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和Cu

7、B形成的活性部位將電子交給O2。還原型Cyt c O2 由以下實(shí)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位 拆開和重組 特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧（二）呼吸鏈成分的排列順序1. NADH氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O22. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復(fù)合體 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈電子傳遞鏈五、 氧化磷酸化作用Oxidative phosphorylation： 氧化磷酸化作用是指在生物氧化過程中伴隨著ATP生成的作用。具體說，就是代謝物被氧化釋放的電子通過一系列電子傳遞體從NADH或FADH2傳到O2并伴隨將ADP磷酸化產(chǎn)生

8、ATP的過程。這一系列反應(yīng)是在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行，是需氧生物取得ATP的主要來源.真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化都是在細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜發(fā)生。原核生物則是在漿膜發(fā)生的。（一）線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的結(jié)構(gòu)內(nèi)膜脊膜線粒體的結(jié)構(gòu)普遍存在于動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)，呈球狀、棒狀、線狀等，是需氧細(xì)胞產(chǎn)生ATP的主要部位。在細(xì)胞中的數(shù)目可達(dá)數(shù)百到數(shù)千。線粒體有兩層膜：外膜和內(nèi)膜，中間為膜間隙，線粒體內(nèi)部為基質(zhì)。內(nèi)膜向基質(zhì)內(nèi)折疊為嵴，嵴的存在大大增加了內(nèi)膜的面積。內(nèi)膜是細(xì)胞溶膠和線粒體基質(zhì)間的主要屏障。膜間隙通過外膜與細(xì)胞溶液相接觸。線粒體內(nèi)膜的功能有3個(gè)方面： （見P130）1、是將丙酮酸和脂肪酸氧化為CO2，同時(shí)使NAD+

9、、FAD還原為NADH和FADH2，這發(fā)生在線粒體基質(zhì)或面向基質(zhì)的內(nèi)膜蛋白質(zhì)上；2、是電子從NADH和FADH2傳至線粒體內(nèi)膜上，并同時(shí)形成跨膜質(zhì)子泵；3、將儲(chǔ)存在電化學(xué)質(zhì)子梯度的能量由內(nèi)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（植物體內(nèi)或某些微生物）（二）氧化磷酸化作用機(jī)制在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢(shì)差。(a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.

10、82 V(b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.322 V G =-nF E0 =-2 96500 1.14 = -220kJ/ mol （52.7kcal/mol)上面講的是在電子傳遞過程中，自由能的釋放。而電子傳遞過程中釋放的自由能儲(chǔ)存于ATP的過程，是吸能的過程。放能和吸能的過程相偶聯(lián)就是氧化磷酸化的主要內(nèi)涵。P/O比：指一對(duì)電子通過呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，或者指電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞消耗一個(gè)原子的氧所要消耗的無機(jī)磷的分子數(shù)，它反映氧化磷酸化的效率。NADH 1/2O2 P/O比為3FADH2 1/2O2 P/O比為21.ATP合成的部位合成1molAT

11、P時(shí)，需要提供的能量至少為G0=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸鏈中有三處可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸鏈中，只有兩處可生成ATP。 FAD（0.18) NAD+ FMN (Fe-S) CoQ b(Fe-S) c1 c aa3 1/2O2 -0.32 -0.30 +0.04 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.82 ATP ATP ATP2. 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制（能量偶聯(lián)假說）氧化磷酸化作用與電子傳遞相偶聯(lián)的方式是怎樣的？提出的假說有：化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)滲透假說等（P131）。葡萄糖徹底氧化生成ATP的總結(jié)算：目前

12、公認(rèn)的氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，H+通過氫泵作用被泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè)（膜間腔），從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的“勢(shì)能”，可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；b. 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對(duì)H+是不通透的）。膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 (pH) 和電位梯度（）；c. 在膜內(nèi)外勢(shì)能差（

13、pH 和）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP合酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。ATP合酶：含有F0和F1單位，質(zhì)子流回基質(zhì)通過F0通道，而ATP的合成部位在F1。 當(dāng)質(zhì)子從膜間腔返回基質(zhì)中時(shí)，這種“勢(shì)能”可被位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用以合成ATP。3. 影響氧化磷酸化的因素A、ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)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比值升高時(shí)，則氧化磷酸化速度減慢。 B、甲狀腺激素：甲狀腺激素可間接影響氧化磷酸化的速度。其原因是甲狀腺激素可以

14、激活細(xì)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）解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP磷酸化的藥物或毒物稱為解偶聯(lián)劑。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。 C、 藥物和毒物 （2）氧化磷酸化的抑制劑：對(duì)電子傳遞和ADP磷酸化均有抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。（3）離子載體抑制劑：能與某些除質(zhì)子以外的1價(jià)陽離子結(jié)合并作為它們的載體來增加線粒體內(nèi)膜對(duì)1價(jià)陽離子的通透性而破壞氧化磷酸化過程。如頡氨霉素。（4）電子傳遞的抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過程的藥物或毒物稱為電子

15、傳遞的抑制劑。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816 FAD -0.18魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物 CO疊氮化合物質(zhì)子泵與產(chǎn)能在NADH-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶的催化反應(yīng)中，可使質(zhì)子由線粒體內(nèi)膜泵入線粒體內(nèi)外膜間隙，所以這三個(gè)酶都是質(zhì)子泵，并推動(dòng)ATP的形成。而琥珀酸-Q還原酶不是質(zhì)子泵，不能形成ATP。 一對(duì)電子流經(jīng)NADH-Q還原酶產(chǎn)生1個(gè)ATP，流經(jīng)細(xì)胞色素還原酶產(chǎn)生0.5個(gè) ATP，流經(jīng)細(xì)胞色素氧化酶產(chǎn)生1個(gè)ATP，故一個(gè)NADH分子通過氧化磷酸化形成2.5個(gè)ATP，1個(gè)FADH2只形成1.5個(gè)ATP。氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制 見下圖 ATP循環(huán)：ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”之稱。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。 （ 四）高能磷酸鍵的儲(chǔ)存與釋放 多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移： 在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還用使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等。 核苷