生物化学(王镜岩版)第七章生物氧化.ppt

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1、第七章：电子传递与氧化磷酸化一、概述生物氧化有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程统称为生物氧化。其实质是需氧细胞在呼吸作用中发生的一系列氧化还原反应，即细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的特点：1、体温条件下进行。2、酶促反应。3、逐步氧化并释放能量。4、在氧化过程中产生的能量一般都储存在ATP中。二、氧化还原电势氧化还原反应凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化还原反应。即电子转移反应就是氧化还原反应。如：Fe 3 e Fe 2 氧化型 还原型 电子受体 电子供体 氧化还原电势还原剂失掉电子或氧化剂得到电子的倾向称氧化还原电势。标准电势任何的氧化

2、-还原物质即氧还电对都有其特定的电动势，称标准电势。用E0或0表示。氧还电对的标准电势值越大，越倾向于获得电子。例如，异柠檬酸/-酮戊二酸+CO2电对在浓度均为1.0mol/L时，其标准电势为-0.38V，这个氧化电对倾向于将电子传递给氧还电对NADH/NAD+，因为其标准电势为-0.32V。三、电子传递与氧化呼吸链糖原糖原三酯酰甘油三酯酰甘油蛋白质蛋白质葡萄糖葡萄糖脂酸脂酸+甘油甘油氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoATACTAC2H2H 呼呼吸吸链链H H2 2OOADP+PiATPCOCO22*生物氧化的一般过程呼吸链的概念代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子（2H）通通过过多多种种酶酶和

3、和辅辅酶酶所所催催化化的的链链式式反反应应逐逐步步传传递递，最最终终与与氧氧结结合合生生成成水水。这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶所所组组成成的的且且与与细细胞胞利利 用用 氧氧 有有 关关 的的 链链 式式 反反 应应 称称 为为 呼呼 吸吸 链链(respiratorychain)又又 称称 电电 子子 传传 递递 链链(electrontransferchain)。电子传递链电子从NADH或FADH2传递到O2所经过的途径称为电子传递链，或称呼吸链，由蛋白质复合体构成。分为NADH-Q、还原酶琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶4个部分。电子传递链存在于真核细胞的线粒体内膜上

4、，存在于原核细胞的质膜上。在传递过程中，电子的传递仅发生在相邻的电子载体之间，它的传递方向与每个电子所具有的电化学势能的大小相关。即电子的流动方向总是由电负性较低的氧还电对流向更强电正性的氧还电对。电子从电负性流向电正性是伴随着自由能的降低，其标准自由能变化的计算公式为：G0=-nF E0n为转移电子数，F为法拉第常数=23062cal/Vmol，E0为标准电势变化。利用此公式可以计算出电子传递链中每一步电子传递的自由能变化。四、线粒体呼吸链的组成(一)呼吸链的组成成分细胞色素还原酶细胞色素c细胞色素氧化酶O2NADH-Q还原酶FADH2琥珀酸-Q还原酶NADH辅酶QFMN、Fe-SFAD、F

5、e-S 细胞色素 b-562 细胞色素b-566 细胞色素c1血红素a血红素a3CuA和 CuB Fe-S1.复合体:NADH-泛醌还原酶u 功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)复合体复合体NADHCoQFMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥

6、功功能能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫簇簇(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型还原

7、型Fe-S氧化型氧化型Fe-SQQH22.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶u 功能功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3细 胞 色 素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。3.复合体复合体:泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c复合体复合体b562;b566;Fe-S;c1QH2Cytc4.复合体复合体:细胞

8、色素细胞色素c氧化酶氧化酶u功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧复合体复合体CuAaa3CuB其中其中Cyta3和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。还原型还原型CytcO2 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合

9、体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链电子传递链电子传递链五、五、氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用Oxidative phosphorylation：氧化磷酸化作用是指在生物氧化过程中伴随着ATP生成的作用。具体说，就是代谢物被氧化释放的电子通过一系列电子传递体从NADH或FADH2传到O2并伴随将ADP磷酸化产生ATP的过程。这一系列反应是在线粒体内膜上进行，是需氧生物取得ATP的主要来源.真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞的线粒体内膜发生。原核生物则是在浆膜发生的。（一）线粒体的结构线粒体的结构线粒体的结构内膜脊膜线粒

10、体的结构普遍存在于动植物细胞内，呈球状、棒状、线状等，是需氧细胞产生ATP的主要部位。在细胞中的数目可达数百到数千。线粒体有两层膜：外膜和内膜，中间为膜间隙，线粒体内部为基质。内膜向基质内折叠为嵴，嵴的存在大大增加了内膜的面积。内膜是细胞溶胶和线粒体基质间的主要屏障。膜间隙通过外膜与细胞溶液相接触。线粒体内膜的功能有线粒体内膜的功能有3个方面：个方面：（见（见P130）1、是将丙酮酸和脂肪酸氧化为CO2，同时使NAD+、FAD还原为NADH和FADH2，这发生在线粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上；2、是电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上，并同时形成跨膜质子泵；3、将储存在电化学质子梯度

11、的能量由内膜上的ATP合成酶（F0F1ATPase）合成ATP。ATP的生成方式：的生成方式：底物磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化（植物体内或某些微生物）（二）氧化磷酸化作用机制在生物氧化反应中，在生物氧化反应中，氧化与还原总是氧化与还原总是相互偶联的相互偶联的。在线粒体呼吸链中，推在线粒体呼吸链中，推动电子从动电子从NADH传递到传递到O2的力，是由的力，是由于于NAD+/NADH+H+和和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的两个半反应之间存在很大的电势电势差差。(a)O2+2H+2e-H2OE0=+0.82V(b)NAD+H+2e-NADHE0=-0.322V G =-nF E0=-2 9

12、6500 1.14=-220kJ/mol（52.7kcal/mol)上面讲的是在电子传递过程中，自由能的上面讲的是在电子传递过程中，自由能的释放。释放。而电子传递过程中释放的自由能储存于而电子传递过程中释放的自由能储存于ATP的过程，是吸能的过程。的过程，是吸能的过程。放能和吸能的过程相偶联就是氧化磷酸化放能和吸能的过程相偶联就是氧化磷酸化的主要内涵。的主要内涵。P/O比比：指指一一对对电电子子通通过过呼呼吸吸链链传传至至氧氧所所产产生生的的ATP分分子子数数，或或者者指指电电子子经经过过呼呼吸吸链链传传递递消消耗耗一一个个原原子子的的氧氧所所要要消消耗耗的的无无机机磷磷的的分分子数，它反映氧

13、化磷酸化的效率。子数，它反映氧化磷酸化的效率。NADH1/2O2P/O比为比为3FADH21/2O2P/O比为比为21.ATP合成的部位合合成成1molATP时时，需需要要提提供供的的能能量量至至少少为为G0=-30.5kJ/mol，相相当当于于氧氧化化还还原原电电位位差差E0=0.2V。故故在在NADH氧氧化化呼呼吸吸链链中中有有三三处处可可生生成成ATP，而而在在琥琥珀珀酸酸氧氧化化呼呼吸吸链链中中，只只有有两两处处可可生生成成ATP。FAD（0.18)NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa31/2O2-0.32-0.30+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29

14、+0.82ATPATPATP2.氧化磷酸化的偶联机制（能量偶联假说）氧化磷酸化作用与电子传递相偶联的方式是怎样的？提出的假说有：化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说等（P131）。葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算：目目前前公公认认的的氧氧化化磷磷酸酸化化的的偶偶联联机机制制是是1961年年由由Mitchell提提出出的的化化学学渗渗透透学学说说。这这一一学学说说认认为为氧氧化化呼呼吸吸链链存存在在于于线线粒粒体体内内膜膜上上，当当氧氧化化反反应应进进行行时时，H+通通过过氢氢泵泵作作用用被被泵泵到到线线粒粒体体内内膜膜外外侧侧（膜膜间间腔腔），从从而而形形成成跨跨膜膜pH梯梯度度和和跨跨膜膜电

15、电位位差差。这这种种形形式式的的“势势能能”，可可以以被被存存在在于于线线粒粒体体内内膜膜上上的的ATP合合成成酶酶利利用用，生生成成高高能能磷磷酸酸基基团团，并并与与ADP结结合合而合成而合成ATP。化学渗透假说的要点是：化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在在电电子子传传递递链链中中，电电子子由由高高能能状状态态传传递递到到低低能能状状态态时时释释放放出出来来的的能能量量，用用于于驱驱动动膜膜内内侧侧的的H+迁迁移移到到膜膜外外侧侧（膜膜对对H+是是不不通通透透的的）。膜膜的的内内侧侧与与外外侧侧就就产产生生了了跨跨膜膜质质

16、子梯度子梯度(pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；c.在在膜膜内内外外势势能能差差（pH和和）的的驱驱动动下下，膜膜外外高高能能质质子子沿沿着着一一个个特特殊殊通通道道（ATP合合酶酶的的组组成成部部分分），跨跨膜膜回回到到膜膜内内侧侧。质质子子跨跨膜膜过过程程中中释释放放的的能能量量，直接驱动直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。ATP合酶：含有合酶：含有F0和和F1单位，质子流单位，质子流回基质通过回基质通过F0通道，而通道，而ATP的合成的合成部位在部位在F1。当质子从膜间腔返回基质中时，这种当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势势能能”可被位于线粒体内膜上的可被位于线粒体内膜上的A

17、TP合酶合酶利利用以合成用以合成ATP。3.影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素A、ATP/ADP比值：比值：ATP/ADP比比值值是是调调节节氧氧化化磷磷酸酸化化速速度度的的重重要要因因素素。ATP/ADP比比值值下下降降，可可 致致 氧氧 化化 磷磷 酸酸 化化 速速 度度 加加 快快；ATP/ADP比比值值升升高高时时，则则氧氧化化磷磷酸酸化速度减慢。化速度减慢。B、甲状腺激素：甲状腺激素：甲甲状状腺腺激激素素可可间间接接影影响响氧氧化化磷磷酸酸化化的的速速度度。其其原原因因是是甲甲状状腺腺激激素素可可以以激激活活细细胞胞膜膜上上的的Na+,K+-ATP酶酶，使使ATP水水解解增增加

18、加，因因而而使使ATP/ADP比比值值下下降降，氧化磷酸化速度加快。氧化磷酸化速度加快。（1）解偶联剂：解偶联剂：不不抑抑制制呼呼吸吸链链的的递递氢氢或或递递电电子子过过程程，但但能能使使氧氧化化产产生生的的能能量量不不能能用用于于ADP磷酸化的药物或毒物称为磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂解偶联剂。主要的解偶联剂有主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚二硝基酚。C、药物和毒物药物和毒物（2）氧化磷酸化的抑制剂：）氧化磷酸化的抑制剂：对对电电子子传传递递和和ADP磷磷酸酸化化均均有有抑抑制制作作用用的的药药物物和和毒毒物物称称为为氧氧化化磷磷酸酸化化的抑制剂的抑制剂，如，如寡霉素寡霉素。（3）离离子子

19、载载体体抑抑制制剂剂：能能与与某某些些除除质质子子以以外外的的1价价阳阳离离子子结结合合并并作作为为它它们们的的载载体体来来增增加加线线粒粒体体内内膜膜对对1价价阳阳离离子子的的通通透透性性而而破破坏坏氧氧化化磷磷酸酸化化过过程程。如如颉颉氨氨霉素。霉素。（4）电子传递的抑制剂：）电子传递的抑制剂：能能够够抑抑制制呼呼吸吸链链递递氢氢或或递递电电子子过过程程的的药药物或毒物称为物或毒物称为电子传递的抑制剂。电子传递的抑制剂。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816 FAD -0.18鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抑

20、制剂：抑制剂：抗霉素抗霉素A氰化物氰化物 CO叠氮化合物叠氮化合物质子泵与产能在NADH-Q还原酶还原酶、细胞色素还原酶细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶的催化反应中，可使质子由线粒体内膜泵入线粒体内外膜间隙，所以这三个酶都是质子泵质子泵，并推动ATP的形成。而琥珀酸琥珀酸-Q还原酶不是质子泵还原酶不是质子泵，不能形成ATP。一对电子流经NADH-Q还原酶产生1个ATP，流经细胞色素还原酶产生0.5个 ATP，流经细胞色素氧化酶产生1个ATP，故一个NADH分子通过氧化磷酸化形成2.5个ATP，1个FADH2只形成1.5个ATP。氧化磷酸化的解偶联和抑制 见下图 ATP循环：循环：A

21、TP是是生生物物界界普普遍遍使使用用的的供供能能物物质质，有有“通用货币通用货币”之称。之称。ATP水水解解为为ADP并并供供出出能能量量之之后后，又又可可通通过过氧氧化化磷磷酸酸化化重重新新合合成成，从从而形成而形成ATP循环。循环。（四）高能磷酸键的储存与释放四）高能磷酸键的储存与释放多磷酸核苷间的能量转移：多磷酸核苷间的能量转移：在在生生物物体体内内，除除了了可可直直接接使使用用ATP供供能能外外，还还用用使使用用其其他他形形式式的的高高能能磷磷酸酸键键供供能能，如如UTP用用于于糖糖原原的的合合成成，CTP用用于于磷磷脂脂的的合合成，成，GTP用于蛋白质的合成等。用于蛋白质的合成等。核

22、苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP（五）线粒体外（五）线粒体外NADH的穿梭的穿梭胞胞液液中中的的3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛或或乳乳酸酸脱脱氢氢，均均可可产产生生NADH。这这些些NADH可可经经穿穿梭梭系系统统而而进进入入线线粒粒体体氧氧化化磷磷酸酸化化，产产生生H2O和和ATP。A，磷磷酸酸甘甘油油穿穿梭梭系系统统：NADH通通过过此此穿穿梭梭系系统统带带一一对对氢氢原原子子进进入入线线粒粒体体，只产生只产生2分子分子ATP。B，苹苹果果酸酸穿穿梭梭系系统统：NADH+H+的的一一对对氢氢原原子子经经此此穿穿梭梭系系统统带带入入一一对对氢氢原原子子可生成可生成3分子分子ATP。1.-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制