生物化學(xué)課件：第九章 生物氧化-電子傳遞和氧化磷酸化作用

第九章生物氧化——電子傳遞和氧化磷酸化作用

本章主要內(nèi)容：一、生物氧化的概念定義、特點(diǎn)二、生物氧化中二氧化碳的生成氧化脫羧、直接脫羧三、生物氧化中水的生成呼吸鏈、呼吸鏈的組分、各組分排列順序電子傳遞的抑制劑四、氧化磷酸化作用

ATP生成的方式線粒體的結(jié)構(gòu)與功能氧化磷酸化作用機(jī)制質(zhì)子梯度的形成ATP合成機(jī)制影響氧化磷酸化的因素五、ATP重要的生理功能一、生物氧化（BiologicalOxidation）的概念1、定義

生物氧化：有機(jī)物在生物體細(xì)胞內(nèi)的氧化過(guò)程，也叫組織呼吸或細(xì)胞呼吸。

本質(zhì)：加氧、脫氫、失電子。

終產(chǎn)物：CO2、H2O、能量。

（提供氧化環(huán)境并直接參加生物氧化過(guò)程）2、生物氧化的特點(diǎn)⑴、逐步進(jìn)行：物質(zhì)逐步氧化，能量逐步釋放⑵、條件溫和⑶、需O2參與⑷、以脫氫（失電子）方式⑸、CO2以脫羧方式產(chǎn)生⑹、有嚴(yán)格的細(xì)胞定位二、生物氧化中二氧化碳的生成1、氧化脫羧在脫羧的同時(shí)，伴隨有氫的丟失——氧化脫羧。丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系催化下、α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脫氫酶系催化下發(fā)生的脫氫脫羧反應(yīng)等均屬α-氧化脫羧。CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH蘋(píng)果酸酶β-氧化脫羧2、直接脫羧不伴有氧化反應(yīng)的脫羧過(guò)程——直接脫羧。OAA脫羧酶草酰乙酸丙酮酸脫羧酶α-直接脫羧β-直接脫羧氨基酸脫羧酶

α-氨基酸胺α-直接脫羧需要脫氫酶→氧化態(tài)傳遞體一個(gè)或多個(gè)傳遞體←需要氧化酶還原態(tài)傳遞體三、電子傳遞和氧化呼吸鏈中水的生成1、電子傳遞過(guò)程

生物氧化過(guò)程中脫下的氫，經(jīng)一系列傳遞體的傳遞，最后與氧結(jié)合生成水。水的生成發(fā)生在電子傳遞過(guò)程的最后階段。電子傳遞和形成ATP的偶聯(lián)機(jī)制稱(chēng)氧化磷酸化作用——氧化呼吸或呼吸代謝。2、電子傳遞鏈---（部位：線粒體）電子從NDAH或FADH2到O2的傳遞途徑稱(chēng)為電子傳遞鏈，也叫電子傳遞體系或呼吸鏈。其組成：四個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合體：復(fù)合體I～I(xiàn)V兩個(gè)可靈活移動(dòng)成分：泛醌（Q）和細(xì)胞色素C胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜NADH-Q還原酶——復(fù)合體Ⅰ琥珀酸-Q還原酶——復(fù)合體Ⅱ細(xì)胞色素還原酶——復(fù)合體Ⅲ細(xì)胞色素氧化酶——復(fù)合體Ⅳ

輔基：黃素類(lèi)（FAD、FMN）、鐵-硫聚簇、血紅素、銅離子等。⑴、NADH-Q還原酶（NADH脫氫酶）復(fù)合體Ⅰ，呼吸鏈中第一個(gè)氫泵。輔基一：FMN，接受NADH上的質(zhì)子和電子生成FMNH2，并將質(zhì)子傳遞給CoQ，電子傳遞給鐵硫聚簇。FMN屬遞氫遞電子體。輔基二：鐵硫聚簇（Fe-S），接受FMNH2傳給的電子，并將電子傳遞給CoQ。鐵硫聚簇：屬遞電子體。其所含的Fe為非血紅素鐵。鐵硫聚簇中，鐵與硫往往等量出現(xiàn)。鐵通過(guò)與蛋白質(zhì)上Cys殘基的S結(jié)合而與蛋白質(zhì)相連，組成鐵-硫蛋白。⑵、CoQ（輔酶Q）

輔酶Q，也叫泛醌。因其廣泛存在于具有呼吸作用的生物體內(nèi)。泛醌屬遞氫遞電子體（第二個(gè)氫泵）。人及動(dòng)物細(xì)胞線粒體中的CoQ含有10個(gè)異戊二烯單位，因此也叫CoQ10。⑶、琥珀酸-Q還原酶

復(fù)合體Ⅱ。組分有：琥珀酸脫氫酶；輔基：FADH2和鐵-硫聚簇及CoQ。琥珀酸-Q還原酶的電子受體是鐵-硫聚簇，F(xiàn)ADH2

將電子通過(guò)鐵-硫聚簇傳遞給CoQ，從而進(jìn)入電子傳遞鏈。⑷、細(xì)胞色素類(lèi)（Cyt）

細(xì)胞色素是一類(lèi)含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱(chēng)。

Cyt屬遞電子體，幾乎存在于所有生物體內(nèi)。其從CoQH2上接受電子，并將電子最后傳遞給氧，使氧成為氧負(fù)離子

bc1

caa3↑細(xì)胞色素c

氧化酶復(fù)合體Ⅳ細(xì)胞色素還原酶復(fù)合體ⅢO2a和a3以復(fù)合物存在，稱(chēng)細(xì)胞色素氧化酶，分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu，可將電子傳遞給氧，故亦稱(chēng)其為末端氧化酶。H2OO221O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c1-c-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物2e3、電子傳遞鏈中各組分的排列順序⑴、NADH呼吸鏈：電子傳遞和水的生成⑵、FADH2呼吸鏈：電子傳遞和水的生成H2OFADFADH2

FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ21O2O2-2H+2e延胡索酸琥珀酸琥珀酸等NADH呼吸鏈NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S復(fù)合體II復(fù)合體IV復(fù)合體I復(fù)合體IIINADH-Q還原酶細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶FADH2呼吸鏈

電子傳遞鏈各組分的排列位置與其得失電子趨勢(shì)的強(qiáng)度有關(guān)。電子是從標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)低處向標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)高處傳遞的，按各組分的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)可決定其在呼吸鏈中的位置。+0.045CoQ是線粒體中不同代謝物氧化呼吸鏈的匯合點(diǎn)4、電子傳遞的抑制劑

電子傳遞抑制劑——能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)。常用的抑制劑有：

魚(yú)藤酮、安密妥等：阻斷氫和電子由NADH向CoQ的傳遞。

抗霉素A：干擾電子從還原型CoQ（QH2）到細(xì)胞色素c1的傳遞作用。

氰化物、疊氮化物、CO等：阻斷電子從aa3→O2的過(guò)程。四、氧化磷酸化作用1、生物氧化中ATP生成的方式ATP主要由ADP磷酸化而生成，即：在急需供能時(shí)，ATP也可由AMP焦磷酸化而生成，或由兩分子ADP生成，即：

ATP生成時(shí)，提供能量的方式有兩種：⑴、底物水平磷酸化：物質(zhì)在生物氧化過(guò)程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。⑵、氧化磷酸化

氫或電子在電子傳遞鏈的傳遞過(guò)程中，伴隨有ADP磷酸化為ATP，這種ATP生成的方式就叫氧化磷酸化，也叫電子傳遞體系磷酸化，或呼吸鏈磷酸化作用——產(chǎn)生ATP的主要方式。

膜間空隙⑶、線粒體膜的通透性外膜：通透性較大，分子量小于4000～5000的物質(zhì)通常均可自由通過(guò)。內(nèi)膜：具有通透屏障作用，對(duì)通過(guò)的物質(zhì)具有嚴(yán)格的選擇性。

⑷、線粒體的功能①、線粒體各結(jié)構(gòu)的酶Ⅰ、膜間空隙：腺苷酸激酶等核苷酸激酶Ⅱ、外膜：?jiǎn)伟费趸?、脂肪酸延長(zhǎng)途徑中的酶等Ⅲ、內(nèi)膜：分布著與ATP的生成有關(guān)的重要酶（如：Cyt類(lèi)；琥珀酸脫氫酶；NADH-Q還原酶等呼吸鏈酶及FoF1-ATPase等）Ⅳ、基質(zhì)：分布有參與糖、脂、Aa代謝的重要酶（如：參與TCA循環(huán)的酶、脂肪酸β-氧化酶系、尿素循環(huán)中的部分酶等）②、線粒體的功能Ⅰ、氧化反應(yīng)：產(chǎn)生NADH和FADH2，發(fā)生在線粒體基質(zhì)或是面向基質(zhì)的內(nèi)膜的蛋白質(zhì)上；Ⅱ、電子從NADH和FADH2傳遞至線粒體內(nèi)膜上，并同時(shí)形成跨膜的質(zhì)子泵；Ⅲ、處于線粒體內(nèi)膜上的FoF1-ATPase復(fù)合體將貯存在電化學(xué)質(zhì)子梯度上的能量用于ATP的合成。3、氧化磷酸化作用機(jī)制⑴、ATP的合成部位ATP生成的部位有三：0.045電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧還勢(shì)自由能變化和ATP形成部位示意圖指氧化磷酸化過(guò)程中，每消耗1摩爾O原子所生成ATP的摩爾數(shù)（或一對(duì)電子通過(guò)氧化呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數(shù)）。P/O比值線粒體離體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值可能生成的ATP數(shù)β-羥丁酸NAD+→復(fù)合體Ⅰ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ2.52.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2琥珀酸復(fù)合體Ⅱ→CoQ→復(fù)合體Ⅲ1.51.5→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2抗壞血酸Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O20.881細(xì)胞色素c(Fe2+)復(fù)合體Ⅳ→O20.61-0.681⑵、能量偶聯(lián)假說(shuō)化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）偶聯(lián)假說(shuō)化學(xué)滲透偶聯(lián)假說(shuō)

①、化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)1953年，荷蘭化學(xué)家EdwardSlater

要點(diǎn)：電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生一種活潑的高能中間產(chǎn)物，它隨后的水解可驅(qū)動(dòng)ATP的生成。這一學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)是強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)全部化學(xué)反應(yīng)的順序性。甘油醛-3-P+NAD++Pi甘油酸-1，3-二磷酸+NADH+H+甘油酸-1，3-二磷酸+ADP甘油酸-3-磷酸+ATP例如：酵解中：至今未能從線粒體中發(fā)現(xiàn)假說(shuō)中的高能化合物、沒(méi)有突出線粒體膜的重要性。②、構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)：1964年，美國(guó)科學(xué)家PaulBoyer

要點(diǎn)：電子沿電子傳遞鏈的傳遞過(guò)程中能使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化，形成高能形式，這種高能形式通過(guò)ATP的合成而恢復(fù)其原來(lái)的構(gòu)象。COOHSHCOOHHSA*（蛋白質(zhì)多肽鏈）的空間發(fā)生如下的變化：③、化學(xué)滲透假說(shuō)：

1961年由英國(guó)生化學(xué)家PeterMitchell首次提出，1966年再次提出。

化學(xué)滲透假說(shuō)示意圖Mitchell認(rèn)為：電子傳遞釋放出的自由能與ATP的合成是同一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持化學(xué)滲透假說(shuō)：氧化磷酸化作用需要線粒體內(nèi)膜的完整性。解偶聯(lián)劑：2，4-二硝基苯酚。H+不能自由通過(guò)內(nèi)膜呼吸鏈確實(shí)能將H+排到內(nèi)膜外側(cè)。ATP的形成確實(shí)伴隨著H+向膜內(nèi)的移動(dòng)。1978年，Mitchell獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

4、質(zhì)子梯度的形成質(zhì)子梯度的形成與NADH脫氫酶、細(xì)胞色素還原酶及細(xì)胞色素氧化酶有關(guān)。線粒體電子傳遞鏈圖解：表明電子傳遞和H+

排出的途徑2H+2H+⑴、氧化-還原回路機(jī)制①、呼吸鏈中遞氫體和遞電子體在線粒體內(nèi)膜上交替排列，各組分有其特定位置，催化定向反應(yīng)。②、遞氫體具氫泵作用，可將底物傳來(lái)的兩個(gè)氫中的電子（2e）傳遞給其后的電子傳遞體，而將兩個(gè)質(zhì)子（H+）從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵出內(nèi)膜到內(nèi)膜的外側(cè)。③、內(nèi)膜具選擇通透作用，H+不能自由通過(guò)內(nèi)膜，因此形成膜內(nèi)外H+

濃度梯度。⑵、質(zhì)子泵機(jī)制電子傳遞→復(fù)合體構(gòu)象改變→pK值改變→質(zhì)子移位。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的電化學(xué)梯度與ATP的生成并無(wú)必然的關(guān)系。

ATP合成機(jī)制----質(zhì)子順梯度回流釋放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

ATP合酶結(jié)構(gòu)組成F1：親水部分（動(dòng)物：α3β3γδε亞基復(fù)合體，OSCP、IF1

亞基），線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)顆粒狀突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亞基，動(dòng)物還有其他輔助亞基），鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中，形成跨內(nèi)膜質(zhì)子通道。ATP合酶模式圖蘊(yùn)藏在質(zhì)子濃度梯度中的自由能稱(chēng)為質(zhì)子動(dòng)勢(shì)或質(zhì)子動(dòng)力。當(dāng)泵出膜外的高能質(zhì)子重新返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)ATP的合成。ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液側(cè)

基質(zhì)側(cè)++++++++++---------ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQADP+PiATPADP+PiATP4.氧化磷酸化作用可受某些內(nèi)外源因素的影響1、呼吸鏈抑制劑復(fù)合體Ⅰ抑制劑：魚(yú)藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及異戊巴比妥(amobarbital)等阻斷傳遞電子到泛醌。復(fù)合體Ⅱ的抑制劑：萎銹靈(carboxin)。（一）有3類(lèi)氧化磷酸化抑制劑復(fù)合體Ⅲ抑制劑：抗霉素A(antimycinA)阻斷CytbH傳遞電子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇則作用QP位點(diǎn)。復(fù)合體Ⅳ抑制劑：CN－、N3－緊密結(jié)合中氧化型Cyta3，阻斷電子由Cyta到CuB-Cyta3間傳遞。CO與還原型Cyta3結(jié)合，阻斷電子傳遞給O2。

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2魚(yú)藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)2、解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑：使氧化與磷酸化兩個(gè)偶聯(lián)過(guò)程相互分離的物質(zhì)。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶聯(lián)蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。Uncoupler：Amolecular,Suchasdinitrophenol,thatuncouplesATPsynt