企業(yè)管理j07電子傳遞體系與氧化磷酸化

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、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。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〕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)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化〔biologicaloxidation〕，其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化復原反響過程。狹義生物氧化：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?；瘜W本質(zhì)——氧化復原反響氧化的形式：脫氫、加氧、失電子意義：生物體重要的根本反響，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、有機物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段和相關酶類生物氧化的特點

在活的細胞中〔pH接近中性、體溫條件下〕，有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過程中能量逐步釋放，其中一局部由一些高能化合物〔如ATP〕截獲，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(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CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RH2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體〔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。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=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CoAe-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〕共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一局部通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成根本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個階段三、生物能學簡介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反響自由能的計算自由能〔freeenergy〕的概念定義：在恒溫恒壓條件下,體系可以用來對環(huán)境做功的那一局部能量。自由能與化學反響的關系:一個物質(zhì)〔A〕的自由能含量是不能測得，但在反響中A-B的自由能變化(ΔG〕是可以測定的。ΔG=GB-GA，表示化學反響中產(chǎn)物與底物的自由能差。它們與化學反響的關系是：ΔG<0，反響能自發(fā)進行ΔG>0，反響不能自發(fā)進行ΔG=0，反響處于平衡狀態(tài)。自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行.

化學反響自由能的計算標準自由能差(ΔG0')：ΔG受溫度、物質(zhì)濃度的影響，因此采用標準條件〔1個大氣壓，25oC，pH7，物質(zhì)濃度1mol/L〕，就用ΔG0'表示。1.標準氧化復原電位〔E0'〕氧化復原反響和氧化復原電對：氧化復原反響：AH2+B=A+BH2式中A、B為氧化型，AH2、BH2為復原型A/AH2和B/BH2構(gòu)成兩個氧化復原電對。電對的電位是相對值。用標準條件，以標準氫電極做參比〔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復原電對的E0?！仓匾?、E0'值的意義：表示電對中物質(zhì)對電子的親和力電位負正對電子的親和力小大復原型供出電子能力強弱氧化型接受電子能力弱強3、標準氧化復原電位差〔ΔE0'〕生化反響中，一種物質(zhì)的氧化與另一種物質(zhì)的復原相偶聯(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ΔE0’。ΔE0'=E0'氧化劑-E0'復原劑如：乳酸發(fā)酵：丙酮酸+NADH+H+----乳酸+NAD+確定氧化復原電對，并查表6-2丙酮酸/乳酸E0'=-0.19VNAD+/NADH2E0'=-0.32V反響正行:ΔE0’=丙酮酸-NADH+H+=-0.19-〔-0.32〕=0.13V自由能與氧化復原電位的關系：

標準條件下，電子從低〔越負〕的氧化復原電位流向高〔越正〕的氧化復原電位，自由能降低。兩者的關系可定量的表示為：ΔG0'(KJ/mol)=-nFΔE0'〔P172，要求記〕將上述列子帶入計算：反響正行:ΔG0'=-2×96.403×0.13=-25.1(KJ/mol)〔放能反響〕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響中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反響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完全解離成帶4個負電荷的離子形式〔ATP4-〕，具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大〔ΔG°′=-30.5千焦/摩爾〕。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1ATP的特殊作用

★ATP是細胞內(nèi)的“能量通貨〞★ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二節(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〔eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關，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〔iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ〔ubiquinone,亦寫作CoQ〕4.細胞色素類〔cytochromes〕NADH輔酶Q〔CoQ〕Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白〔FAD〕黃素蛋白〔FMN〕細胞色素類鐵硫蛋白〔Fe-S〕鐵硫蛋白〔Fe-S〕NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合物I復合物IIINADH脫氫酶輔酶Q-細胞色素復原酶細胞色素C復原酶琥珀酸-輔酶Q復原酶呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADHNADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反響:NADH+H++1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反應：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白類別：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〕遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2鐵硫蛋白

+e

傳遞電子機理：Fe3+Fe2+

-e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Fe—S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。

+2H

傳遞氫機理：CoQCoQH2

－2H細胞色素

傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

特點：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)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復合物物存在，稱細胞色素氧化酶，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+2HCoQH2鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e細胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e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

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP〔即ADP+Pi→ATP〕,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ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能磷氧比〔P/O〕

P/O的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~

2.5ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~

1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP氧化磷酸化的偶聯(lián)機理

1、化學滲透假說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—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)酵解（細胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）-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FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+線粒體內(nèi)膜〔細胞液〕蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細胞液線粒體內(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)蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶〔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外線粒體ATP酶化學滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型IIIIVIII定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)催化理論認為質(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+PiProtenFluxH2O

H+ATP酶作用機理電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復合物II復合物IV復合物I復合物III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO能荷

定義式：能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]

意義：能荷由ATP、ADP和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在0~1之間(常為0.8-0.95)，反映細胞能量水平。

能荷相對速率ATP的利用途徑

ATP的生成途徑能荷對ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對速率的影響化學滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜F0-F1寡霉素非線粒體氧化系統(tǒng)通過線粒體細胞色素系統(tǒng)進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。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，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O2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、FAD2、需氧脫氫酶特點：催化底物脫氫后，以O2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O2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〔P\0〕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、ΔG0’和ΔE0’各表示什么，它們之間的定量關系如何？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)什么原那么確定。5、用化學滲透學說解釋氧化磷酸化機