j07电子传递体系与氧化磷酸化

第六章电子传递体系与氧化磷酸化主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。思考目录第一节生物氧化概述第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用第四节非线粒体氧化体系（自学）第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念和特点二、生物能学简介三、高能化合物生物氧化的特点和方式糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。狭义生物氧化：专指H+和e-通过呼吸链传递给O2生成H2O并释放能量的过程。化学本质——氧化还原反应氧化的形式：脱氢、加氧、失电子意义：生物体重要的基本反应，提供生命活动所需的大量能量1、生物氧化的特点2、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成3、有机物在体内氧化释能的三个阶段和相关酶类生物氧化的特点在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。CO2的生成方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：直接脱羧和氧化脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2RH2O的生成代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链H2O2eO=2H+脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、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间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段三、生物能学简介1、生物能的转换及生物系统中的能流2、自由能的概念及化学反应自由能的计算自由能（freeenergy）的概念定义：在恒温恒压条件下,体系可以用来对环境做功的那一部分能量。自由能与化学反应的关系:一个物质（A）的自由能含量是不能测得，但在反应中A-B的自由能变化(ΔG）是可以测定的。ΔG=GB-GA，表示化学反应中产物与底物的自由能差。它们与化学反应的关系是：ΔG0，反应能自发进行ΔG0，反应不能自发进行ΔG=0，反应处于平衡状态。自由能的变化能预示某一过程能否自发进行.化学反应自由能的计算标准自由能差(ΔG0')：ΔG受温度、物质浓度的影响，因此采用标准条件（1个大气压，25oC，pH7，物质浓度1mol/L），就用ΔG0'表示。1.标准氧化还原电位（E0'）氧化还原反应和氧化还原电对：氧化还原反应：AH2+B=A+BH2式中A、B为氧化型，AH2、BH2为还原型A/AH2和B/BH2构成两个氧化还原电对。电对的电位是相对值。用标准条件，以标准氢电极做参比（0V）得到该电对的电位，表示为E0'。P172表6-2列举了生物体中重要的氧化还原电对的E0。（重要）2、E0'值的意义：表示电对中物质对电子的亲和力电位负正对电子的亲和力小大还原型供出电子能力强弱氧化型接受电子能力弱强3、标准氧化还原电位差（ΔE0'）生化反应中，一种物质的氧化与另一种物质的还原相偶联，两物质间电子流动的条件是它们的E0‘不相等，其差值就是ΔE0’。ΔE0'=E0'氧化剂-E0'还原剂如：乳酸发酵：丙酮酸+NADH+H+----乳酸+NAD+确定氧化还原电对，并查表6-2丙酮酸/乳酸E0'=-0.19VNAD+/NADH2E0'=-0.32V反应正行:ΔE0’=丙酮酸-NADH+H+=-0.19-（-0.32）=0.13V自由能与氧化还原电位的关系：标准条件下，电子从低（越负）的氧化还原电位流向高（越正）的氧化还原电位，自由能降低。两者的关系可定量的表示为：ΔG0'(KJ/mol)=-nFΔE0'（P172，要求记）将上述列子带入计算：反应正行:ΔG0'=-2×96.403×0.13=-25.1(KJ/mol)（放能反应）生物系统中的能流四、高能化合物1、高能化合物的类型2、ATP的特点及其特殊作用生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。高能化合物类型ATP的特点在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。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是细胞内的“能量通货”★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二节线粒体电子传递体系一、线粒体结构特点二、电子传递呼吸链的概念三、呼吸链的组成四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化五、电子传递抑制剂线粒体呼吸链线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸NADH呼吸链和FADH2呼吸链FADH2↓FeS↓NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素C还原酶琥珀酸-辅酶Q还原酶呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADHNADH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-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化烟酰胺脱氢酶类特点：以NAD+或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。传递氢机理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+黄素蛋白酶类特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2铁硫蛋白+e传递电子机理：Fe3+Fe2+-e特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。CoQ特点：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。+2H传递氢机理：CoQCoQH2－2H细胞色素传递电子机理：+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。CoQ的结构和递氢原理CoQ+2HCoQH2铁硫蛋白的结构及递电子机理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e线粒体结构第三节氧化磷酸化作用一、氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念二、氧化磷酸化的偶联机理三、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用四、能荷氧化磷酸化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(广义）。类别：底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能磷氧比（P/O）P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~2.5ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~1.5O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP氧化磷酸化的偶联机理1、化学渗透假说2、氧化磷酸化的抑制解偶联剂氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂三、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用磷酸甘油穿梭系统苹果酸—天冬氨酸穿梭系统酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外线粒体ATP酶化学渗透假说示意图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化氧化ATPase的旋转催化模型IIIIVIII定子转子旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.ADP+PiProtenFluxH2