j07電子傳遞體系與氧化磷酸化

第六章電子傳送體系與氧化磷酸化主要內(nèi)容和要求：重點(diǎn)討論線粒體電子傳送體系的組成、電子傳送機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。對(duì)非線粒體氧化體系作普通引見。前往思索目錄第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)線粒體電子傳送體系第三節(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(diǎn)二、生物能學(xué)簡介三、高能化合物生物氧化的特點(diǎn)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)展氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化〔biologicaloxidation〕，其本質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)展的一系列氧化復(fù)原反響過程。狹義生物氧化：專指H+和e-經(jīng)過呼吸鏈傳送給O2生成H2O并釋放能量的過程?；瘜W(xué)本質(zhì)——氧化復(fù)原反響氧化的方式：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(dòng)所需的大量能量1、生物氧化的特點(diǎn)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(gè)階段和相關(guān)酶類生物氧化的特點(diǎn)

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、輔酶和中間傳送體參與下進(jìn)展，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過程中能量逐漸釋放，其中一部分由一些高能化合物〔如ATP〕截獲，再供應(yīng)機(jī)體所需。在此過程中既不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而損傷機(jī)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(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CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO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(yīng)的氫載體〔NAD+、NADP+、FAD、FMN等〕所接受，再經(jīng)過一系列遞氫體或遞電子體傳送給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳送鏈H2O2eO=2H+脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳送〔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(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳送鏈傳送生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分經(jīng)過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成根本構(gòu)造單位生物氧化的三個(gè)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、自在能的概念及化學(xué)反響自在能的計(jì)算自在能〔freeenergy〕的概念定義：在恒溫恒壓條件下,體系可以用來對(duì)環(huán)境做功的那一部分能量。自在能與化學(xué)反響的關(guān)系:一個(gè)物質(zhì)〔A〕的自在能含量是不能測(cè)得，但在反響中A-B的自在能變化(ΔG〕是可以測(cè)定的。ΔG=GB-GA，表示化學(xué)反響中產(chǎn)物與底物的自在能差。它們與化學(xué)反響的關(guān)系是：ΔG<0，反響能自發(fā)進(jìn)展ΔG>0，反響不能自發(fā)進(jìn)展ΔG=0，反響處于平衡形狀。自在能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)展.

化學(xué)反響自在能的計(jì)算規(guī)范自在能差(ΔG0')：ΔG受溫度、物質(zhì)濃度的影響，因此采用規(guī)范條件〔1個(gè)大氣壓，25oC，pH7，物質(zhì)濃度1mol/L〕，就用ΔG0'表示。1.規(guī)范氧化復(fù)原電位〔E0'〕氧化復(fù)原反響和氧化復(fù)原電對(duì)：氧化復(fù)原反響：AH2+B=A+BH2式中A、B為氧化型，AH2、BH2為復(fù)原型A/AH2和B/BH2構(gòu)成兩個(gè)氧化復(fù)原電對(duì)。電對(duì)的電位是相對(duì)值。用規(guī)范條件，以規(guī)范氫電極做參比〔0V〕得到該電對(duì)的電位，表示為E0'。P172表6-2列舉了生物體中重要的氧化復(fù)原電對(duì)的E0?！仓匾?、E0'值的意義：表示電對(duì)中物質(zhì)對(duì)電子的親和力電位負(fù)正對(duì)電子的親和力小大復(fù)原型供出電子才干強(qiáng)弱氧化型接受電子才干弱強(qiáng)3、規(guī)范氧化復(fù)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(fù)原相偶聯(lián)，兩物質(zhì)間電子流動(dòng)的條件是它們的E0‘不相等，其差值就是ΔE0’。ΔE0'=E0'氧化劑-E0'復(fù)原劑如：乳酸發(fā)酵：丙酮酸+NADH+H+----乳酸+NAD+確定氧化復(fù)原電對(duì)，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自在能與氧化復(fù)原電位的關(guān)系：

規(guī)范條件下，電子從低〔越負(fù)〕的氧化復(fù)原電位流向高〔越正〕的氧化復(fù)原電位，自在能降低。兩者的關(guān)系可定量的表示為：ΔG0'(KJ/mol)=-nFΔE0'〔P172，要求記〕將上述列子帶入計(jì)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(diǎn)及其特殊作用生化反響中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響中可釋放出大量自在能〔>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(diǎn)

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子方式〔ATP4-〕，具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因此水解自在能很大〔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(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

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)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(tuán)貯藏物〕6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二節(jié)線粒體電子傳送體系

一、線粒體構(gòu)造特點(diǎn)二、電子傳送呼吸鏈的概念三、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、電子傳送抑制劑線粒體呼吸鏈線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)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送，最后傳送給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳送系統(tǒng)稱電子傳送鏈〔eclctrontransferchain),由于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〔iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ〔ubiquinone,亦寫作CoQ〕4.細(xì)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(xì)胞色素類鐵硫蛋白〔Fe-S〕鐵硫蛋白〔Fe-S〕NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2復(fù)原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)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(xì)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呼吸鏈電子傳送鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIINADH脫氫酶輔酶Q-細(xì)胞色素復(fù)原酶細(xì)胞色素C復(fù)原酶琥珀酸-輔酶Q復(fù)原酶呼吸鏈中電子傳送時(shí)自在能的下降FADH22e-NADHNADH呼吸鏈電子傳送過程中自在能變化總反響:NADH+H++1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反響：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳送過程中自在能變化煙酰胺脫氫酶類

特點(diǎn)：以NAD+或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。傳送氫機(jī)理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+黃素蛋白酶類特點(diǎn)：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〕遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2鐵硫蛋白

+e傳送電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)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(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。CoQ特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自在泳動(dòng)。

+2H傳送氫機(jī)理：CoQCoQH2－2H細(xì)胞色素

傳送電子機(jī)理：+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e特點(diǎn)：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送體，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，可將電子傳送給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。CoQ的構(gòu)造和遞氫原理CoQ+2HCoQH2鐵硫蛋白的構(gòu)造及遞電子機(jī)理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳送電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e細(xì)胞色素的構(gòu)造和遞電子機(jī)理傳送電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e線粒體構(gòu)造第三節(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

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自在能用于合成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：底物程度磷酸化電子傳送程度磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自在能磷氧比〔P/O〕P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳送至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈：P/O~2.5ADP+PiATP實(shí)測(cè)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(jī)理

1、化學(xué)浸透假說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越系統(tǒng)蘋果酸—天冬氨酸穿越系統(tǒng)酵解〔細(xì)胞質(zhì)〕氧化磷酸化〔線粒體〕-磷酸甘油穿越〔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(xì)胞液〕蘋果酸-草酰乙酸穿越作用細(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)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(yùn)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(xué)浸透假說表示圖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

III

IVIII定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)催化實(shí)際以為質(zhì)子流經(jīng)過Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一同轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對(duì)稱的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被以為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一同組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.ADP+PiProtenFluxH2OH+ATP酶作用機(jī)理電子傳送抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)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(duì)數(shù)量決議，數(shù)值在0~1之間(常為0.8-0.95)，反映細(xì)胞能量程度。

能荷相對(duì)速率ATP的利用途徑ATP的生成途徑能荷對(duì)ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對(duì)速率的影響化學(xué)浸透假說表示圖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)經(jīng)過線粒體細(xì)胞色素系統(tǒng)進(jìn)展氧化的體系是一切動(dòng)物、植物、微生物主要氧化途徑，它與ATP的生成嚴(yán)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(diǎn)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(diǎn)：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、FAD2、需氧脫氫酶特點(diǎn)：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(diǎn)：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(diǎn)？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程度磷酸化呼吸鏈磷氧比〔P\0〕能荷本章內(nèi)容提要〔P167〕。思索題：1、何謂生物氧化？其特點(diǎn)如何？2、ΔG0’和ΔE0’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、呼吸鏈中各成員的陳列順序根據(jù)什么原那么確定。5、用化學(xué)浸透學(xué)說解釋氧化磷酸化機(jī)理。6、NADH呼吸鏈由哪些成分組成？電子傳送抑制劑有哪些？練習(xí)題1、用表8-1的數(shù)據(jù)，計(jì)算乙醛被