第21章生物氧化——氧化磷酸化

1、,第21章 生物氧化氧化磷酸化,1、概念:是指在細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)分子經(jīng)氧化分解形成，生成CO2，H2O并釋放出能量使ADP和Pi生成ATP的過(guò)程。 因生物氧化在細(xì)胞中進(jìn)行,又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。 真核細(xì)胞，需氧生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在原核細(xì)胞中，需氧生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。,一、氧化磷酸化,2、生物氧化的特點(diǎn) （1）水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。 （2）在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化不是同步進(jìn)行的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫和電子，通常各種傳遞體（傳H體和傳電子體）傳遞給氧生成水，在這個(gè)過(guò)程中釋放大量的自由能，使ADP磷酸化為ATP。 （3）生物氧化是一個(gè)逐步

2、氧化的過(guò)程。氧化反應(yīng)伴隨還原反應(yīng)，每一步反應(yīng)都由特定的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來(lái)。 逐步進(jìn)行氧化逐步釋放能量，能提高能量利用率,也不會(huì)使體溫驟然升高,損壞機(jī)體.,2 脫H氧化：因?yàn)闅湓涌煞纸鉃镠+與e，因此其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移。,AH2+BA+BH2,1 失電子氧化：Fe2+Cu2+Fe3+Cu+,3 與氧化合氧化：因加氧時(shí)，常伴有氧接受質(zhì)子和電子而被還原成水，其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移。,RH+O2+2H+2eROH+H2O,3、生物氧化的形式 生物氧化與非生物氧化的方式相同,二、生物氧化中CO2的生成 （1）直接脫羧作用 糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的氧化分解形成含羧基的中間產(chǎn)物，然后在

3、脫羧酶的催化下，直接從含羧基的中間產(chǎn)物上脫去羧基。例如丙酮酸和草酰乙酸的脫羧。,直接脫羧,蘋(píng)果酸,（2）氧化脫羧作用 含羧基的中間產(chǎn)物（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋(píng)果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。,（一）呼吸鏈：代謝物上的氫原子,被脫H酶激活脫落后,經(jīng)過(guò)一系列傳遞體的傳遞,最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的全部體系叫呼吸鏈(電子傳遞鏈).,三、生物氧化中H2O的生成呼吸鏈,呼吸鏈主要是以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系,一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。 在具有線粒體的生物中, 典型的呼吸鏈有兩種：NADH呼吸鏈和FADH2

4、呼吸鏈。這兩種呼吸鏈的區(qū)別在于接受氫的最初受體不同，其它基本是相同的. 在生物體中還有其它的呼吸鏈形式.,在分離NADH和FADH2呼吸鏈各組分時(shí),從線粒體內(nèi)膜中分離到四個(gè)不同的傳遞體復(fù)合物和未組成復(fù)合物的輔酶Q（CoQ）及細(xì)胞色素c(Cytc)。四個(gè)不同的傳遞體復(fù)合物分別命名為復(fù)合物、復(fù)合物、復(fù)合物和復(fù)合物。,（二）呼吸鏈類型,（三）呼吸鏈的組成 復(fù)合物INADH-Q還原酶 復(fù)合物II琥珀酸還原酶 復(fù)合物III細(xì)胞色素還原酶 復(fù)合物IV細(xì)胞色素氧化酶 未形成復(fù)合物的有CoQ和細(xì)胞色素c,1、復(fù)合物INADH-Q還原酶, FMN是氫的載體，可攜帶一個(gè)氫，也可攜帶兩個(gè)氫。 鐵硫聚簇(簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-

5、S)，與蛋白質(zhì)結(jié)合后叫鐵硫蛋白，又叫鐵硫中心。 鐵硫聚簇有3類:1Fe-0S ,2Fe-2S ,4Fe-4S。主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。 鐵硫蛋白通過(guò)Fe3+ Fe2+變價(jià)進(jìn)行電子傳遞。,輔酶Q（簡(jiǎn)寫(xiě)為Q或CoQ）：是一種脂溶性醌類化合物，因在自然界存在廣泛又叫泛醌。它是電子傳遞鏈上唯一的非蛋白電子載體 輔酶Q在線粒體中有兩種存在形式：膜結(jié)合型、游離型 CoQ含有一異戊二烯碳?xì)滏?，在不同生物中長(zhǎng)度不同，哺乳動(dòng)物最常見(jiàn)是含10個(gè)異戊二烯單位，非哺乳動(dòng)物中可能含68個(gè)異戊二烯單位，這鏈的作用是CoQ成為非極性化合物，使其在線粒體內(nèi)膜中可迅速擴(kuò)散。,2、 輔酶Q（泛醌

6、）,輔酶-Q的功能 CoQ的活性部分是它的醌環(huán)結(jié)構(gòu)，CoQ很容易接受電子和質(zhì)子，生成還原型輔酶（CoQH2）；CoQH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成氧化型Q（CoQ）。并且還原型（CoQH2）轉(zhuǎn)化為氧化型輔酶QCoQ時(shí)，把2H分解為2H+和2e。 它在線粒體呼吸鏈中主要功能是氧化-還原酶的輔酶，它可以接受NADH-Q還原酶脫下的電子和氫原子，也能接受琥珀酸-Q還原酶脫下的電子和氫原子，在呼吸鏈中處于中心地位。 CoQ也是NADH-Q還原酶的輔酶,氧還型CoQ或叫醌型,半醌中間體（Q-）,還原型CoQ（QH2）,CoQ可以接受兩個(gè)電子形成QH2，也可接受一個(gè)電子，或由QH2給出一個(gè)電子形成穩(wěn)

7、定的半醌中間產(chǎn)物。,電子由FADH2轉(zhuǎn)移到CoQ上釋放的自由能不足以合成ATP，所以這步反應(yīng)無(wú)ATP生成，這步反應(yīng)的意義是：保證了FADH2上的具有相對(duì)較高勢(shì)能的電子繞過(guò)復(fù)合物I進(jìn)入電子傳遞鏈,3、復(fù)合物II琥珀酸-Q還原酶,（1）結(jié)構(gòu)：復(fù)合物由2個(gè)相同的單體組成的同二聚體，每個(gè)單體含11個(gè)不同的亞基，每個(gè)單體含1個(gè)功能核心，每個(gè)功能核心含3種輔基。,4、復(fù)合物細(xì)胞色素還原酶,（2）功能：在伸向線粒體基質(zhì)部分有2個(gè)CoQ結(jié)合位點(diǎn)，分別叫Q內(nèi)（近線粒體基質(zhì)）；Q外（近線粒體膜間隙），復(fù)合物以Q 循環(huán)方式傳遞電子，它使QH2上的兩個(gè)電子分為兩路傳遞， 一個(gè)QH2的2個(gè)電子，其中一個(gè)電子通過(guò)細(xì)胞色素

8、C1，另一個(gè)電子通過(guò)細(xì)胞色素b分別還原兩個(gè)細(xì)胞色素c，Q本身被氧化。 另一個(gè)QH2的2個(gè)電子，其中一個(gè)電子通過(guò)細(xì)胞色素C1傳到細(xì)胞色素C，另一個(gè)電子通過(guò)細(xì)胞色素b傳給氧化型Q生成QH2。,（3）細(xì)胞色素類 1）細(xì)胞色素(cyt)類是以血紅素為輔基的紅色或褐色的蛋白質(zhì)，是呼吸鏈的電子傳遞體，生物體中的細(xì)胞色素約有30多種,線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種： 2）還原型細(xì)胞色素對(duì)可見(jiàn)光具有吸收現(xiàn)象,可看到、和三個(gè)光譜吸收峰，這是區(qū)別不同細(xì)胞色素的重要標(biāo)志，根據(jù)吸收光譜不同將細(xì)胞色素分為a、b、c三類，哺乳動(dòng)物的線粒體中至少有b、c、c1、a和a3五種，a和a3以復(fù)合物的形式存在呼吸鏈的末端 氧化型細(xì)

9、胞色素沒(méi)有吸收峰的存在。,3）不同種類的細(xì)胞色素-吸收峰的波長(zhǎng)和位置有所不同，如細(xì)胞色素b中，一種最大吸收光譜為562nm，用b 562nm或b560或bH表示；另一種最大吸收光譜為566nm，用b566或bL表示。,4）不同細(xì)胞色素的輔基血紅素是有區(qū)別的. 細(xì)胞色素b、c、c 1的輔基是血紅素(含鐵原卟啉)，與血紅蛋白和肌紅蛋白的血紅素是相同的；細(xì)胞色素a和a3的輔基是血紅素是A。血紅素A 是血紅素經(jīng)修飾形成的，所以血紅素和血紅素A在結(jié)構(gòu)上略有不同.,5）不同的細(xì)胞色素的的輔基血紅素中鐵原子與卟啉環(huán)和蛋白質(zhì)結(jié)合形成的化學(xué)鍵數(shù)不同： 細(xì)胞色素a3形成5個(gè)配位鍵，其余的細(xì)胞色素形成6個(gè)共價(jià)鍵和配

10、位鍵。所以只有a3能與O2結(jié)合，也可與CO、CN-等結(jié)合。,5、細(xì)胞色素c （cyt.c） 是唯一可溶性的細(xì)胞色素，是當(dāng)前了解最清楚的細(xì)胞色素。由104個(gè)氨基酸殘基組成，一條多肽鏈，同源性很強(qiáng)，可作為研究生物系統(tǒng)進(jìn)化的一個(gè)指標(biāo)。 細(xì)胞色素c是呼吸鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它能交互地與細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合物III）的細(xì)胞色素c1和細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合物IV）接觸，作用是在復(fù)合物III和復(fù)合物IV之間傳遞電子。,功能是把細(xì)胞色素c的電子傳遞給氧。所以叫細(xì)胞色素氧化酶。,6、復(fù)合物細(xì)胞色素c氧化酶 結(jié)構(gòu)：哺乳動(dòng)物的復(fù)合物含13個(gè)亞基，細(xì)菌含34個(gè)亞基，

11、該復(fù)合物共有4個(gè)氧化還原中心,（四） 呼吸鏈各傳遞體的順序 1、呼吸鏈各傳遞體的順序 2、呼吸鏈各傳遞體的順序的證據(jù),2、呼吸鏈各傳遞體順序的證據(jù) 呼吸鏈中H和電子的傳遞有著嚴(yán)格的順序和方向，呼吸鏈中各傳遞體的順序主要有以下證據(jù)。 （1）根據(jù)呼吸鏈中各標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電對(duì)（E/0）的數(shù)值確定，已知各傳遞體的順序與得失電子的能力有關(guān)，電子總是從低E/0向高E/0流動(dòng) ，氧化還原電對(duì)越低，所具有的能量越高，越易失電子而位于呼吸鏈前面。電子從電負(fù)性流向電正性伴隨著自由能的降低，在兩個(gè)氧還電對(duì)之間，當(dāng)電子從電負(fù)性電對(duì)流向電正性電對(duì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)之差越大自由能丟失也越多。 如果一對(duì)電子從NADH轉(zhuǎn)移到氧，它的

12、標(biāo)準(zhǔn)自由能變化可根據(jù)公式 G0/= -nFE/0 求得。,（2）用特異性電子傳遞抑制劑來(lái)選擇性地阻斷呼吸鏈中某傳遞體的傳遞,再測(cè)定呼吸鏈中各組分的氧化-還原狀態(tài)，來(lái)證明傳遞體的順序。在阻斷環(huán)節(jié)之前，因H（e)不能傳遞下去而處于還原狀態(tài)，在阻斷環(huán)節(jié)之后，因不能得到H(e) 而處于氧化狀態(tài)。,（3）在體外重新組裝呼吸鏈。,四、氧化磷酸化作用 氧化磷酸化:伴隨著生物氧化而進(jìn)行的磷酸化作用。 體內(nèi)95%的ATP來(lái)自體內(nèi)的氧化磷酸化,只有少量的ATP是通過(guò)非磷酸化產(chǎn)生的,(由于脫水引起分子內(nèi)能量的重新分布,如甘油酸2-磷酸烯醇式丙酮酸）。,ADP + Pi + 能量 ATP AMP + PPi + 能量

13、 ATP,根據(jù)氧化的方式可分為，底物水平磷酸化和電子傳遞體系磷酸化,（一）底物水平磷酸化 底物水平磷酸化作用：是指在被氧化的底物發(fā)生磷酸化作用。也就是說(shuō)ATP的形成直接與一個(gè)代謝中間物（如PEP）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸、琥珀酰CoA、磷酸烯醇丙酮酸的生成都是在被氧化的底物上發(fā)生了磷酸化,然后把能量轉(zhuǎn)移到ADP上生成ATP.,（二）電子傳遞體系磷酸化 電子沿傳遞鏈傳遞到O2是一個(gè)高度放能的過(guò)程，產(chǎn)生的能量，主要用于轉(zhuǎn)移質(zhì)子，即將質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵到線粒體內(nèi)、外膜間隙。每對(duì)電子從NADH傳遞到O2的過(guò)程中，共泵出10個(gè)質(zhì)子，其中4個(gè)質(zhì)子由復(fù)合物泵出，4個(gè)質(zhì)子由復(fù)合物泵

14、出，2個(gè)質(zhì)子由復(fù)合物泵出?？杀硎緸椋?質(zhì)子不能自由返回到線粒體基質(zhì)中，在返回時(shí)要通過(guò)ATP合酶，ATP合酶利用質(zhì)子返回時(shí)釋放的自由能合成ATP。,1、P/O比值 P/O是在電子傳遞體系磷酸化中，每2個(gè)電子經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)（或每消耗的一摩爾氧所消耗的無(wú)機(jī)磷酸摩爾數(shù)。 研究線粒體中ATP的生成量最常用的方法是測(cè)定線粒體的P/O,2、氧化磷酸化的機(jī)制 電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的能量如何驅(qū)動(dòng)ATP的合成，一直是能量代謝的研究熱點(diǎn)，先后有許多假說(shuō)提出，如有化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)、結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)和化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。支持者最多的是化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。,化學(xué)滲透假說(shuō)的要點(diǎn)是 這個(gè)學(xué)說(shuō)是英國(guó)學(xué)者P.Mitchell

15、于1961年提出的 (1)在電子傳遞和ATP形成之間起偶聯(lián)作用的是電化學(xué)梯度，線粒體內(nèi)膜必須是完整的封閉的，氧化磷酸化才能進(jìn)行。 (2)呼吸鏈中遞H體與遞e體是間隔交錯(cuò)排列的，并且在線粒體內(nèi)膜上都有特定的位置。 (3)傳H體有H泵的作用，傳H體所傳遞的H不是從前一個(gè)傳H體接過(guò)來(lái)的，而是從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)中直接吸取的，當(dāng)傳H體從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)接H后，可將其中的2e傳給其后的傳e體，將H+泵出線粒體膜間隙。 (4)H+不能自由返回線粒體基質(zhì)中，形成線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+內(nèi)側(cè)。在線粒體內(nèi)膜內(nèi)、外兩側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度。 這種內(nèi)負(fù)外正的電位差，蘊(yùn)含著一定的能量。,(5)線粒體膜間隙H+有順濃度差返回基質(zhì)的傾向,H

16、+只能通過(guò)F1FoATP酶（ATP合酶）返回，ATP合酶利用H+返回到線粒體膜內(nèi)側(cè)所釋放的自由能來(lái)合成ATP。 (6)每對(duì)電子通過(guò)NADH呼吸鏈傳遞給O2時(shí)，共有10個(gè)H+從線粒體基質(zhì)泵出到內(nèi)膜外側(cè)。 (7)每合成1molATP需3個(gè)質(zhì)子通過(guò)ATP合酶，將產(chǎn)生的ATP從在線粒體基質(zhì)運(yùn)送到胞質(zhì)中要消耗1個(gè)H+，即每形成一個(gè)ATP消耗4個(gè)H+，這樣一對(duì)電子從NADH傳遞到氧將產(chǎn)生2.5molATP，P/O是2.5；一對(duì)從FADH傳遞到氧將產(chǎn)生1.5molATP。P/O是1.5,M,FeS,2e,CoQ,3、ATP合酶（或稱F1FoATP酶） （1）ATP酶結(jié)構(gòu) 線粒體內(nèi)膜上催化合成ATP的酶叫AT

17、P合酶，是由F1和Fo及柄三部分組成的復(fù)合物，所以又叫F1Fo-ATP合酶，位于線粒體內(nèi)膜的棒狀小顆粒上。,F1是突出于線粒體內(nèi)膜上的球狀結(jié)構(gòu)，由9個(gè)（5種）亞基組成，分別表示為33，F(xiàn)1單獨(dú)存在時(shí)催化ATP水解，具有ATP酶的活性。以 ATP酶復(fù)合物形式存在時(shí)才能催化ATP合成。,F1,Fo鑲嵌在線粒體內(nèi)膜并橫跨內(nèi)膜，由1012個(gè)C亞基、1個(gè)a亞基和2個(gè)b亞基組成， 有質(zhì)子穿過(guò)膜到達(dá)F1的通道,柄：連接F1和Fo的部位，由亞基構(gòu)成，是質(zhì)子由Fo到F1的通道。 含兩種蛋白質(zhì)。其中一種能使酶復(fù)合體對(duì)寡霉素產(chǎn)生敏感性，當(dāng)寡霉素與Fo的亞基結(jié)合時(shí)，會(huì)抑制H+通過(guò)Fo，所以有控制質(zhì)子流的作用。 當(dāng)質(zhì)子

18、通過(guò)Fo返回線粒體基質(zhì)時(shí)，觸發(fā)c亞基旋轉(zhuǎn)，C亞基帶動(dòng)、和（）3復(fù)合物一起旋轉(zhuǎn)，使和亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致ATP合成。,（2）質(zhì)子流通過(guò)ATP合酶催化ATP合成 Paul Boyer（保羅博耶 ）提出ATP合酶催化ATP合成的“結(jié)合變化機(jī)制”。97年獲諾貝爾獎(jiǎng) 結(jié)合變化機(jī)制認(rèn)為：在ATP合酶F1上的-亞基上有三個(gè)相互作用的催化原體，每個(gè)原體以不同的構(gòu)象存在。 一種叫L態(tài)（或松散態(tài)或-ADP構(gòu)象），只能與底物和產(chǎn)物松散結(jié)合，對(duì)底物沒(méi)有催化能力。 另一種叫T態(tài)（或緊密態(tài)或-ATP構(gòu)象），能與底物和產(chǎn)物緊密結(jié)合，有催化功能，催化ATP合成。 第三種是O態(tài)（或開(kāi)放態(tài)或-空構(gòu)象），不能與底物和產(chǎn)物結(jié)合。,在L部位結(jié)合一個(gè)ADP和Pi，在T部位結(jié)合一個(gè)ATP，當(dāng)質(zhì)子通過(guò)Fo返回線粒體內(nèi)基質(zhì)時(shí)，質(zhì)子流驅(qū)動(dòng)三種構(gòu)象態(tài)相互轉(zhuǎn)換，T位O位L位T位；進(jìn)入T位的ADP和Pi合成ATP。,當(dāng)ATP所處的部位變?yōu)镺位時(shí)，ATP就會(huì)從O上解離下來(lái)。同時(shí)結(jié)合ADP和Pi的L位又變?yōu)門(mén)位。T位有催化功能，能催化ADP與Pi合成ATP。 質(zhì)子流動(dòng)產(chǎn)生的能量主要促進(jìn)新合成的ATP從酶分子上釋放下來(lái),1、解偶聯(lián)劑，（2.4硝基苯酚）電子傳遞仍可進(jìn)行，氧仍能消耗，但不能形成ATP，使電子傳遞過(guò)程和ATP形成過(guò)程相分離，使電子傳遞釋放的自由能都變成熱能。 這是由于在pH7的環(huán)境下，2,4-二