电子传递体系与氧化磷酸化.ppt

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 返回 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 H2O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 例 1 2O2 NAD 电子传递链 H2O 2e O 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CoA e 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 G 是可以测定的 G 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 G0 反应不能自发进行 G 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 G0 G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 G0 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 E0 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 E0 E0 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 E0 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 G0 KJ mol nF E0 P172 要求记 将上述列子带入计算 反应正行 G0 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 G 30 5千焦 摩尔 ATP4 H2O ADP3 Pi2 H G 30 5kJ MOL 1 ATP3 H2O ADP2 Pi3 H G 33 1kJ MOL 1 ATP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 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 ubiquinone 亦写作CoQ 4 细胞色素类 cytochromes NADH 辅酶Q CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 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 H2O O2 FMN FMNH2 CoQH2 CoQ NAD NADH H 2Fe2 2Fe3 细胞色素b c c1 aa3 2H NADH呼吸链和FADH2呼吸链 电子传递链中各中间体的顺序 复合物II 复合物IV 复合物I 复合物III NADH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 FADH2 2e NADH NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化 总反应 NADH H 1 2O2 NAD H2O G nF E 2 96 5 0 82 0 32 220 07千焦 mol 1 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 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 铁硫蛋白 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 细胞色素 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 细胞色素的结构和递电子机理 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 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 NADH FADH2 H2O H2O 例实测得NADH呼吸链 P O 2 5 实测得FADH2呼吸链 P O 1 5 2e 2e 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 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 FAD FADH2 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 NADH NAD 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 NADH H 为膜上的转运载体 呼吸链 2 4 二硝基苯酚的解偶联作用 H 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 Pi ATP 高质子浓度 H2O 2e 质子流 线粒体内膜 ATPase的旋转催化模型 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 Pi ProtenFlux H2OH ATP酶作用机理 电子传递抑制剂 NADH FMN CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 Fe S FMN Fe S 琥珀酸 复合物II 复合物IV 复合物I 复合物III 能荷 意义 能荷由ATP ADP和AMP的相对数量决定 数值在0 1之间 常为0 8 0 95 反映细胞能量水平 化学渗透假说示意图 非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物 植物 微生物主要氧化途径 它与ATP的生成紧密相关 除此以外 生物体内还存在非线粒体氧化系统 其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的 与ATP的生成无关 但各自具有重要的生理功能 生物体内主要的非线粒体氧化系统如下 1 多酚氧化酶系统2 抗坏血酸氧化酶系统3 黄素蛋白氧化酶系统4 超氧化物歧化酶氧化系统5 植物抗氰氧化酶系统 生物氧化有关的酶类 一 脱氢酶类1 不需氧脱氢酶 最重要 特点 催化底物脱氢后 不能以O2为直接受氢体酶蛋白组成 结合酶辅酶 NAD NADP 辅因子辅基 FMN FAD 2 需氧脱氢酶特点 催化底物脱氢后 以O2为直接受氢体 生成H2O2 组成 结合酶 酶蛋白 辅基 FAD 例 乙醇酸氧化酶等 组成 结合酶 酶蛋白 辅基 含Fe Cu 例 细胞色素氧化酶 酚氧化酶等 3 氧化酶类特点 催化底物脱氢后 以O2为直接受氢体 生成H2O 问答题 1 生物氧化有何特点 以葡萄糖为例 比较体内氧化和体外氧化异同 2 何谓高能化合物 体内ATP有那些生理功能 3 氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡 原理何在 名词解释生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链磷氧比 P 0 能荷 本章内容提要 P167 思考题 1 何谓生物氧化 其特点如何 2 G0 和 E0 各表示什么 它们之间的定量关系如何 3 简述高能化合物的定义及种类 为什么ATP可以作为细胞中能量的 通币 4 呼吸链中各成员的排列顺序根据什么原则确定 5 用化学渗透学说解释氧化磷酸化机理 6 NADH呼吸链由哪些成分组成 电子传递抑制剂有哪些 练习题1 用表8 1的数据 计算乙醛被NADH还原为乙醇时的 E0 及 G0 2 计算1分子3 磷酸甘油醛通过有氧分解被彻底氧化为CO2和H2O时生成的ATP分子数 假设通过3 磷酸甘油穿梭 3 P219第4题4 解释名词 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 能荷 解偶联剂 ATP合酶 末端氧化酶 P O 电子传递抑制剂 一 填空题 1 处于电子传递链末端的氧化酶称为 2 CoQ是电子传递链中的 递体 3 复合体 的电子传递抑制剂是 4 通过3 磷酸甘油穿梭 1分子的外源NADH2生成 ATP 5 ATP的1个高能键断裂释放 kJ mol的能量 6 氧化还原反应中E0 小的物质与电子的亲和力 小 7 ATP在反应中既可作为 的供体 又可作为的 供体 8 抑制氧化磷酸化的化合物可分为 和 两类 二 判断题 1 ATP合成酶的F1是H 通道 2 化学渗透学说是解释氧化磷酸化机理的学说 3 抗霉素A是氧化磷酸化的抑制剂 4 线粒体内膜对H 是能够自由通过的 5 一对电子经电子传递链传递到O2时生成的ATP分子数目称为P O 6 电子传递链的基本组成有六类 7 Cyta3除含Fe外还含有Cu 8 电子传递链传递的方向是从 E0 正 E0 负 9 CoQ在线粒体内膜中是游离的 三 选择题 1 下列哪一种化合物不是呼吸链的组成成分 A CoQB CytbC CoAD NAD 2 一氧化碳中毒是由于抑制了哪种细胞色素 A Cytc1B CytbC CytcD Cytaa33 关于化学渗透学说 下列哪种叙述是不对的 A H 返回膜内侧时可以推动ATP酶合成ATPB 呼吸链的递氢体有氢泵的作用C 线粒体内膜外侧H 可以自由返回膜内D 呼吸链各组分按特定的位置排列在线粒体内膜上4 高能化合物发生水解时释放自由能至少应大于多少kJ molA 8B 15 5C 21D 30 5