第7章 生物氧化和氧化磷酸化

第7章生物氧化和氧化磷酸化掌握生物氧化的概念；呼吸链的概念、组成成分和排列顺序；氧化磷酸化的概念及偶联部位。熟悉电子传递的抑制；标准自由能变化的计算；线粒体外NADH的氧化磷酸化。了解化学渗透假说；ATP合成酶的结构及ATP合成的机制；能量的储存和利用。重点：呼吸链递氢递电子的原理；两条呼吸链的排列顺序；氧化磷酸化的概念和偶联部位；胞液中NADH的氧化。有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成C2O和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念生物氧化主要包括三方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2—CO2如何形成？：脱羧反应（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？：电子传递链（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP—能量如何产生？底物水平磷酸化、氧化磷酸化氧化还原的本质——电子转移电子转移的主要形式：1.直接的电子转移Fe2++Cu2+↔Fe3++Cu+2.氢原子的转移AH2+B↔A+BH2(H↔H++e)3.有机还原剂直接加氧RH+O2+2H++2e↔ROH+H2O生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同生物氧化体外燃烧细胞内温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放生物氧化的特点(1)直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）丙酮酸HOOCCH2CCOOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（β-脱羧）草酰乙酸生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。一、生物氧化中CO2的生成(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O苹果酸CH3CCOOH+CO2苹果酸酶二、生物氧化中H2O的生成生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。氧化型2H+MH2M氧化型还原型(2H)递氢体NAD+,NADP+,FMN,FAD,COQ还原型递电子体Cytb,c1,c,aa32e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶三、氧化还原电位与自由能p3481、氧化还原电位：氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用E表示。氧化还原反应：反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。标准氢电极：在25℃、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活度为1mol/L的溶液中（pH=0）形成的。规定其电极电位为0。所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为该物质的标准氧化还原电位E0。生化标准氧化还原电位（E0）：生化标准条件下（25C、一个大气压、pH=7.0、电子供体和电子受体的浓度都是1mol/L），发生氧化还原反应的每一氧化还原对的电子转移势能。一般E0值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。E0’值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。在氧化还原反应中，电子总是从E0’值较小的物质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。自由能变化与氧化还原电位的关系生化标准氧化还原电位差ΔE0’，单位为伏特（V）ΔE0’=E0’氧化剂-E0’还原剂=E0’电子受体-E0’电子供体ΔG0’=-nFΔE0’n为转移的电子数，F（法拉第常数）=96.496kJ/v.mol=23.063kcal/v.mol例如：NADH+H++1/2O2====NAD++H2O正极反应：1/2O2+2H++2eH2OE+0′0.82负极反应：NAD++H++2eNADHE-0′-0.3ΔG0′-nFΔE0′-2×96485×[0.82-(-0.32)]-220KJ·mol-1生物氧化过程中代谢物上脱下来的氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称为电子传递链。由于消耗氧，故也叫呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上四、生物氧化体系-呼吸链p3501、概念ATP合成酶呼吸链含有多种成分，目前发现的有20多种，这些成分基本上分为5大类.呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的还原电势大小可排成序列，它们对电子亲和力的不断增加，推动电子从NADH向O2传递；而且电子的传递仅发生在相邻传递体之间；E0’决定电子流动方向2、电子传递链的组成呼吸链：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素c还原酶、细胞色素c氧化酶O2NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素c还原酶细胞色素c琥珀酸-Q还原酶FADH2细胞色素c氧化酶这些酶是以复合体(complex)形式存在,每种酶复合体中含特定的辅酶*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013呼吸链种类根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种:NADH呼吸链：绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成FADH2呼吸链：只能催化某些代谢物脱氢,不能使NADH或NADPH脱氢ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类－－以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有200多种在烟(尼克)酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH或NADPH;当有受H体存在时，NADH或NADPH上的H可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。（2）黄素脱氢酶类－－以FMN或FAD为辅基的脱氢酶类FMN和FAD是比NAD+或NADP+更强的氧化剂。NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2HFMNH2或FADH2可进一步将电子转移给辅酶Q。（3）铁硫蛋白类（简写为Fe-S）铁硫蛋白(Fe-S)是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，其作用是借铁的变价互变进行电子传递:Fe3++eFe2+因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，故称铁硫中心。铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素b及c1有关。铁硫蛋白有几种不同的类型,可概括为3类:●FeS●2Fe–2S●4Fe–4S[FeS]只含1个铁原子[2Fe–2S][4Fe–4S]（4）辅酶Q类－－电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物,又名泛醌,简写为CoQ或Q。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。Q(氧化型)QH•半醌式中间体QH2还原型但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体;也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），使它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特殊灵活的电子载体起作用。（5）细胞色素类－－一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称细胞色素主要是通过Fe3++eFe2+的互变起传递电子的作用。线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素：a，a3，b，c，c1它们的辅基结构略有不同:血红素A－Cyta，a3血红素B－Cytb，血红蛋白，肌红蛋白血红素C－Cytc1，c血红素A血红素C血红素Baa3、b、c1中辅基与蛋白质非共价结合，c的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b→c1→c→aa3→O2a和a3组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子。Cytaa3可直接以O2为电子受体，故aa3又称细胞色素c氧化酶。a与a3之间的2个铜离子，起电子传递作用：Cu+Cu2+的互变,将Cytc所携电子传递给O2。b、c1、c、a－－Fe与卟啉环及蛋白形成6个共价键或配位键：4个与N，1个与His，1个与蛋白链中Met形成。a3－－Fe与卟啉环及蛋白形成5个配位键（不与Met形成)，空1个配位键与O2、CO、CN-等结合，其正常功能是与O2结合。4.呼吸链中传递体的顺序a.测定各电子传递体氧化还原电位的数值－－按氧化还原电位由低到高顺序排列；确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：b.利用电子传递抑制剂确定其顺序；抑制剂前的组分为还原态，抑制剂后的组分为氧化态c.通过电子传递体体外重组实验加以验证；d.还原状态呼吸链缓慢给氧。以无氧时的呼吸链为对照，缓慢给氧后观察各组分的氧化顺序。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO,叠氮化合物电子传递抑制剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。各组分Eº′：低高电子迁移方向：低电位高电位∆Gº′：逐步降低放能NADHFMNQCytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)O2FADH2(Fe-S)电子传递链各组份的排列顺序II（琥珀酸-Q还原酶）INADHQ还原酶IIIQ-细胞色素c还原酶IV细胞色素c氧化酶膜间隙（外）基质（内）琥珀酸延胡索酸呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能Fe-S复合体I基质（负）膜间隙(正)1）NADH泛醌还原酶（复合体Ⅰ）作用：将NADH+H+中的电子传递给泛醌：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。组成：NADH-泛醌还原酶。黄素蛋白：辅基是FMN铁硫蛋白（Fe-S）：以铁硫族为辅基2）琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）膜间隙（正）基质(负)琥珀酸延胡索酸复合体Ⅱ复合体Ⅲ作用：将电子从琥珀酸传递到泛醌。琥珀酸→FAD→Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。组成：琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。黄素蛋白：辅基是FAD铁硫蛋白：辅基是铁硫族细胞色素(cytochrome,Cyt）：b5603）泛醌细胞色素c还原酶（复合体Ⅲ）作用：将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。CoQH2→(Cytb562→Cytb566)→Fe-S→Cytc1→Cytc泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。复合体Ⅲ具有质子泵功能。组成：泛醌-细胞色素C还原酶Cytb(b562,b566)、Cytc1铁硫蛋白4）细胞色素c氧化酶（复合体Ⅳ）作用：将电子从细胞色素C传递给氧Cytc→CuA→Cyta→CuB–Cyta3→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。组成：细胞色素C氧化酶Cyta、Cyta3