(高级生物化学)第21章--氧化磷酸化(XXXX

第21章氧化磷酸化化学渗透假说电子传递链ATP合酶1分子葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段：2ATP21NADH兑换率1:2.5(或1.5)2ATP2(2.5ATP或1.5ATP)三羧酸循环：21GTP23NADH21FADH221ATP27.5ATP21.5ATP兑换率1：2.5兑换率1：1.5丙酮酸氧化：21NADH兑换率1：2.522.5ATP总计：32ATP或30ATP2025原核生物为何释放38ATP?为什么1分子葡萄糖有氧氧化过程有6次底物水平磷酸化？物质骨架分解释放CO2和[H]CO2如何形成－脱羧反应H2O如何形成－电子传递链能量如何产生－底物水平磷酸化、氧化磷酸化氧化磷酸化生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位。标准氧化还原电位以E0’表示。E0’值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0’值越大，接受电子的倾向越强。任何氧化还原反应在理论上可以构成原电池一、和电子传递链相关的与氧化还原电势氧化还原电位原电池乙醛/乙醇延胡索酸/琥珀酸电子传递链中物质标准氧化还原电位二.用标准氧化还原电势计算自由能变化n:为氧化还原反应的电子转移数F:为法拉第常数96.5KJ/V△E0`:为标准电极电位（pH=7.025～30℃）电子从E0′较小的物质向E0′较大的物质转移，即从还原剂向氧化剂转移。从生物标准氧化还原电势ΔE0′可计算ΔG0′:ΔG0′=－nFΔE0ΔE0′=E0正极—E0负极电动势=正负极电极势之差例题三、线粒体的电子传递链1.线粒体的基本结构电子传递链定义在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称为呼吸链。又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。递氢体：呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基线粒体的电子传递链反应部位：真核生物：存在于线粒体内膜上原核生物；质膜电子传递链线粒体的电子传递链递氢体递电子体：分类NADH途径FADH2途径电子传递链分类根据H的最初受体NADHFMN（Fe-S）c1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸α-磷酸甘油CoQCytb苹果酸β-羟脂酰CoAβ-羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸丙酮酸α-酮戊二酸FAD脂酰CoA电子传递链分类COQ是电子传递链的枢纽2.电子传递链的组成电子传递链(electrontransferchain)呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）利用电子传递抑制剂选择性阻断；3）拆开和重组4）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序(2)电子传递链的体外重组实验(3)电子传递抑制剂试验ReducedOxidizedReducedOxidizedReduced(4)还原状态呼吸链缓慢给氧利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。电子传递链的组成NADH脱氢酶NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）复合物I：NADH到泛醌也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由42条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。复合物I催化两个同时发生的偶联过程：（1）NADH+H++QNAD++QH2（2）4个质子由基质转到内膜外因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。复合物Ⅱ：琥珀酸到泛醌也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜(标志酶)结合的酶，虽比复合物Ⅰ小而简单，但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白,1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合；1个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II：–脂酰CoA脱氢酶–3-磷酸甘油脱氢酶,往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称为琥珀酸脱氢酶类。复合物Ⅲ：泛醌到Cytc又称细胞色素bc1复合物，或泛醌：细胞色素c氧化还原酶。复合物Ⅲ是一个由相同单体组成的二聚体，每个单体含有11个不同的亚基。作用：偶联催化电子由氢醌到Cytc的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。4个质子由基质转到内膜外复合物Ⅲ：泛醌到Cytc复合体Ⅲ功能-Q循环（TheQCycle)复合体Ⅲ功能-Q循环（TheQCycle)QH2被氧化成Q，2cytc被还原，释放4H+到内膜外空间。这种通过辅酶Q氧化还原的循环变化进行的电子传递方式称为Q循环。4、复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧，同时每传递2个电子，泵出2个H+到线粒体内膜外组成：Cyta、Cyta3、Cu，没有铁硫蛋白其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。复合物Ⅳ的电子流向细胞色素CCuA血红素a血红素a3CuB，最后交给分子氧形成水。电子传递链组分和作用铁硫蛋白类(非血红素铁蛋白)铁不出现在血红素中(非血红素)，而与无机硫原子和/或蛋白质Cys残基的硫原子相连。根据铁硫蛋白中所含铁原子和硫原子的数量不同可分为三类：FeS中心、Fe2-S2中心和Fe4-S4中心。在线粒体内膜上，复合物I、复合物Ⅱ、复合物Ⅲ中均结合有铁硫蛋白，其功能是通过二价铁离子和三价铁离子的化合价变化来传递电子，而且每次只传递一个电子，是单电子传递体。其氧化还原电位与其所处环境有关铁硫蛋白类(非血红素铁蛋白)辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，电子传递链上唯一的非蛋白质成分，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。人类为Q10，聚异戊二烯侧链使CoQ成为脂溶性化合物，可以在线立体内膜迅速扩散。泛醌将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。辅酶Q的氧化还原细胞色素功能：单电子传递体的作用;通过血红素中Fe原子的价态变化传递电子（血红蛋白与肌红蛋白的血红素不发生价态变化）Fe3++e-Fe2+细胞色素的特点细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。细胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。铁原子可以和酶蛋白及卟啉环形成6个配位键。细胞色素aa3中的铁原子只形成5个配位键，还能与氧再形成一个配位键，将电子直接传递给氧，也可与CO、氰化物、H2S或叠氮化合物形成一个配位键。细胞色素aa3与氰化物结合就阻断了整个呼吸链的电子传递，引起氰化物中毒。细胞色素c唯一线粒体内膜外周蛋白,位于线粒体内膜的外侧.是唯一能溶于水的细胞色素，细胞色素C比较容易分离提纯,其结构已清楚.思考：思考：在电子传递链中发现有6种细胞色素都能通过可逆的氧化还原反应Fe3+→Fe2+催化一个电子的传递。尽管铁在每种情况下都是电子载体，但是还原半反应的EO的值却从细胞色素b的0.05V变化到细胞色素a3的0.39V,试解释之。答：细胞色素是含有血红素基团的电子传递蛋白，在卟啉环中的每个铁原子的还原电势依赖于周围蛋白质的环境，因为每个细胞色素的蛋白质成分是不同的，因而每个细胞色素的铁原子具有不同的还原电势，还原电势的不同使一系列细胞色素可以沿着电势梯度传递电子选择题A、H2O2B、H2OC、H+D、CO2E、O2经过呼吸链氧化的终产物是：选择题√NADH或FADH2+O2=H2O电子传递链抑制剂假设鱼藤酮和抗霉素A在阻断各自作用的电子传递链位点的效率是相同的，鱼藤酮的毒性会更大。中国科技大学2010、中山大学2009电子传递链的抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递过程的药物或毒物称为电子传递抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮、安密妥等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。氰化物为什么能引起细胞窒息死亡？解救时首先给中毒者吸入亚硝酸异戊酯和注射亚硝酸钠，使部分血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，当高铁血红蛋白含量达到20%-30%时，就能成功地夺取已与细胞色素aa3结合的CN-，使细胞色素aa3的活力恢复。但生成的氰化高铁血红蛋白在数分钟后又能逐渐解离而放出CN-，此时再注射硫代硫酸钠，在肝脏的硫代硫酸-氰转硫酶的催化下可将CN-转变成为无毒的硫氰化物，经肾脏随尿排出体外。测试题思考：利用分离出的线粒体可以研究细胞呼吸，可测定各种不同状况下氧的消耗，如果将0.01M的丙二酸钠添加正在进行细胞呼吸的线粒体（以丙酮酸为燃料来源）中，呼吸作用很快就会停止，并造成代谢中间产物的堆积。（a）堆积的中间代谢物是什么？（b）解释为什么会堆积？（c）解释氧消耗为什么会停止？（d）除了除去丙二酸解除抑制以外，还有什么方法可以克服丙二酸的抑制？分析：（a）琥珀酸（b）丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。（c）阻断柠檬酸循环就阻断了NADH的合成从而阻断了电子传递和呼吸。（d）琥珀酸浓度大大过量。化学渗透假说电子传递链ATP合酶氧化磷酸化作用的机制氧化磷酸化作用的机制1）糖或脂肪的分解代谢ATP(来自底物水平磷酸化）NADH或FADH22）电子传递链(氧化）：放能？NADH或FADH2+O2=H2O3）磷酸化（ATP储能）ADP+Pi→ATP偶联如果解偶联呢？氧化磷酸化作用的机制代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化氧化磷酸化的偶联机理1、化学偶联假说化学偶联假说认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。2、构象偶联假说构象偶联假说认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。3、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)•该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。•当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。化学渗透假说的证据膜氧化和磷酸化的偶联泵出10个H需要200kJ/molNADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-0.03]=-181.58千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化电子传递过程中自由能变化ATP合酶由亲水部分F1和疏水部分F0组成F1主要由α3β3γδε亚基组成其功能是催化生成ATP,催化部位在β亚基中,但β亚基必须与α亚基结合才有活性.F0是质子通道.此外,在F0和F1之间的柄部存在,其中一个称