1、第四章 生物氧化与氧化磷酸化,第四章 生物氧化与氧化磷酸化,第一节 生物氧化概述 第二节 电子传递链（呼吸链） 第三节 氧化磷酸化,第一节 生物氧化概述,有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。,C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 能量 （2870.22 kJ/mol）,一、生物氧化概念,（一）定义：,（二）生物氧化的特点,1、在活的细胞中温和条件下进行 2、生物氧化反应为酶促反应 3、氧化过程分阶段进行，能量逐步释放。 4、产生的能量贮存在高能磷酸化合物（主ATP）中。,一、生物氧化概念,（三）生物氧化的方式,一、生物氧化概念
2、,（四）CO2的生成,一、生物氧化概念,（四）H2O的形成,在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下由代谢底物脱下的氢与氧结合生成的。,一、生物氧化概念,二、自由能和氧化还原电位,1、自由能,某一系统的总能量中，能在恒温恒压和必要的体积下做有用功的那部分能量。（用G表示）,在一个化学反应中当A转化为B时，其自由能的变化用G表示。,根据G判定反应方向： G0 放能，反应自发进行； G0 吸能，反应不能自发进行； G=0 反应达到平衡。,2、标准自由能变化与平衡常数,G0= - RT1n Keq R为气体常数（1.987calMol-1K-1） T为绝对温度。 G0是一个常数，是一个特定值。,在生
3、化反应中，pH=7.0时,其标准自由能变化以G0表示。,二、自由能和氧化还原电位,3、氧化还原电位,在标准状态下，氢电极电极势为0，与之比较得电极势（电位）。,0 0 接受电子(得电子能力大于H，氧化剂) 0 0 失去电子(失电子能力大于H，还原剂),二、自由能和氧化还原电位,电子从低电位流向高电位。,电池所做的最大功 = 电势差电量 G0 = -Wmax = -nFE0 n = 电子数 F = 法拉第常数（1摩尔 = 6.021023个电子 = 1法拉第 = 6485库仑/摩尔）,4、自由能和氧化还原电势的关系,生物体内的氧化还原反应基本原理和化学电池一样，也可做成化学电池。,G0 7.3千
4、卡时，可形成ATP,二、自由能和氧化还原电位,三、高能化合物,高能化合物：水解时放出的自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。,高能基团 高能化合物中被水解的基团； 高能磷酸化合物 以磷酸作为高能基团的高能化合物； 高能键 被水解断裂释放出大量自由能的活泼共价键。,（一）高能化合物概念,（二）高能化合物类型,1）焦磷酸化合物,1、磷氧键型,三、高能化合物,2） 酰基磷酸化合物,（二）高能化合物类型,1、磷氧键型,3） 烯醇式磷酸化合物,1、磷氧键型,（二）高能化合物类型,2、氮磷键型NP,（二）高能化合物类型,3、硫酯键型,乙酰CoASH,（二）高能化合物类型,脂酰辅酶A
5、,4、甲硫键型,（二）高能化合物类型,常见磷酸化合物标准水解自由能G,（三）最重要的高能化合物-ATP,1、结构特点,密集的负电荷产生静电斥力，产生高的磷酸转移势能，水解脱去磷酸基团可释放大量能量。 与Ca2+，或Mg2+以络合物形式存在,1） ATP为能量货币能量合成与利用以ATP为中心，ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢。,2、ATP的作用,（三）最重要的高能化合物-ATP,在磷酸基团转移反应中，磷酸基从转移势能较高的供体转移到转移势能较低的受体分子，ATP的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置，因而在磷酸基团转移势能高的供体与低能的受体之间充当中间载体。,2）磷
6、酸基团转移反应的中间体,2、ATP的作用,（三）最重要的高能化合物-ATP,第二节 电子传递链（呼吸链）,一、电子传递链概念,在生物氧化中，代谢物上的H原子被脱氢酶激活脱落后，以质子和电子的形式由线粒体内膜上的一系列传递体传递，最终传给被激活的O2，而生成H2O，由这些传递体组成的传递链称为电子传递链（呼吸链）。,2、FADH2呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）,生物体内主要呼吸链,1、NADH呼吸链,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide),是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。,呼吸链所有组成
7、成分都嵌合于线粒体内膜，线粒体的内膜是重要的能量交换部位。,（一）黄素蛋白,是膜内侧的一个嵌入蛋白，含FMN或FAD，活性中心在膜的内侧,可催化琥珀酸氧化为延胡索酸。,每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子，NADH脱氢酶以FMN为辅基，琥珀酸脱氢酶以FAD为辅基。,二、电子传递链的组成成分,（二）Fe-S蛋白,铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和肽链的半胱氨酸4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,二、电子传递链的组成成分,（三）CoQ,二、电子传递链的组成成分,醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的非蛋白质的有机分子
8、，在膜中比较自由。,（四）细胞色素（Cyt）类,二、电子传递链的组成成分,Cyt 分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，呼吸链中有5类：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。,1、Cytb 是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子。 2、Cytc1 是膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受Cytb的电子，并把它传给Cytc 。,（四）细胞色素（Cyt）类,二、电子传递链的组成成分,3、 Cytc,是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cytaa3。,（四）细胞色素（Cyt）类,二、电子传递链的组成成分,两个细胞色素的复合体，跨膜蛋白，含有C
9、u离子。Cyta接受Cytc的电子，经过Cu传给a3。Cyta3的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。,该复合体又称为细胞色素氧化酶 呼吸链末端氧化酶,4、Cytaa3,（四）细胞色素（Cyt）类,二、电子传递链的组成成分,上述电子传递链组分除泛醌和细胞色素C外， 其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合物。,复合物I：又称为NADHCoQ还原酶, 它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及CoQ还原。包括以FMN为辅基的黄素蛋白和多种铁硫蛋白。,复合物：又称为琥珀酸CoQ还原酶,它的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和CoQ的还原。包括以FAD为辅基的黄素蛋白、多种铁硫蛋白和细胞色素b5
10、60。,复合物:又称为CoQ -Cytc还原酶, 其作用是催化还原型CoQ的氧化和细胞色素c的还原。包括细胞色素b（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白。,复合物IV：又称为Cytc 氧化酶、末端氧化酶，它的重要作用是将电子从Cytc传递给氧。包括cyt aa3和含铜蛋白。,电子传递链组分形成的超分子复合物,三、呼吸链的电子传递顺序,研究方法：,电子传递方向性由氧化还原电位决定 电子从E0值小的传递体向E0值大的传递体传递,琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2+0.06,三、呼吸链的电子传递顺序,外膜,膜间空间,内膜,胞液,衬质,NADH+H+,FMN,Fe-S,CoQ,Fe
11、-S,FAD,Cytb,Fe-S,Cytc1,Cytc,O2,Cyta,Cyta3,琥珀酸,四、呼吸链的电子传递抑制剂,能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质，称为电子传递抑制剂。,利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中多组分的氧化还原态情况，是研究电子传递链顺序的一种重要方法。,原理如通水管中的流水一样，正常情况下，连通管中的水位，越靠近出水管口越低，从入水到出水形成均匀的梯度；若连通水管中某一环节受阻，则在受阻部位以前的水管即充满水，而在受阻部位以后的水管，因无水继续补充而即将流空。,四、呼吸链的电子传递抑制剂,第三节 氧化磷酸化,底物氧化过程中，高能代谢中间
12、产物，通过E促磷酸基团转移反应，直接偶联ATP的形成。,一、氧化磷酸化的概念及类型,1、底物水平磷酸化,电子从NADH或FADH2经过电子传递体传递到O2形成H2O时，同时偶联ADP磷酸化为ATP，这一过程称电子传递偶联的磷酸化。,一、氧化磷酸化的概念及类型,2、电子传递偶联的磷酸化（简称氧化磷酸化）,1、根据标准氧化还原电位差计算能量,二、氧化磷酸化偶联部位,（一）推测氧化磷酸化的偶联部位的方法,G0 = -nFE0,每消耗一个氧原子所形成的ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的ATP数。,测定长呼吸链中P/O比为2.5； 短呼吸链中P/O比为1.5。,在每2个电子经呼吸链传递给分子氧的过程中
13、，伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷的磷原子数与消耗的氧原子数之比 P/O,2、 P/O比值,（一）推测氧化磷酸化的偶联部位的方法,二、氧化磷酸化偶联部位,（二）氧化磷酸化偶联部位,二、氧化磷酸化偶联部位,三、氧化磷酸化的作用机制,（一）线粒体偶联因子F1F0,组成,三、氧化磷酸化的作用机制,（二）氧化磷酸化偶联机制,三种假说解释氧化磷酸化偶联机制,1、化学偶联假说（1953年E.C.Slater提出的）,三、氧化磷酸化的作用机制,（二）氧化磷酸化偶联机制,2、构象偶联假说（1964年P.D.Boyer提出了这种假说）,3、化学渗透学说（此学说被多数人支持）,化学渗透学说是英国米歇尔经过大量实验后
14、于1961年首先提出的，主要论点是认为呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP合成ATP。,三、氧化磷酸化的作用机制,（二）氧化磷酸化偶联机制,（1）递H体与递电子体交替排列，定位于线粒体内膜。 （2）递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程泵出3对H+造成H+跨膜梯度 （3）线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度。 （4）H+通过线粒体F1-F0-ATP酶进入内膜，释放出的自由能推动ATP合成。,例： 2.4二硝基苯酚（DNP） 原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质电化学梯度（H+）梯度,
15、四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,化学因素可影响氧化磷酸化过程，不同的试剂对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们的影响方式可分为三大类,1、解偶联剂,抑制氧的利用和ATP的形成，不直接抑制电子传递。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。（和电子传递抑制剂不同）,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,DNP（解偶联剂）可解除它对氧利用的抑制作用。,例：寡霉素与F1F0结合，抑制氢离子内流即抑制氧的利用。,2、氧化磷酸化抑制剂,生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。,四、氧化磷酸化的解偶联和
16、抑制,与解偶联剂区别：H+离子以外的其它一价阳离子的载体，改变除H+离子以外的一价阳离子透性。,例： 缬氨霉素K+；短秆菌肽K+，Na+,3、离子载体抑制剂,五、线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜蛋白,10kDa 的物质通过,线粒体内膜不 同的转运体，对物质有选择性,五、线粒体内膜的物质转运,细胞内的ATP主要在线粒体内由ADP磷酸化而成，大部分ATP在线粒体外被利用后又变为ADP。由于ADP和ATP都不能自由地穿过线粒体内膜，因而必需有一种机制将线粒体外的ADP运入，同时把ATP运到线粒体外。现已证实由线粒体内膜上的腺苷酸载体（二聚体，只有一个腺苷酸结合位点）负责其双向运输，又称ADP/ATP
17、交换体。面向外侧时结合位点对ADP亲和力高，面向内侧时结合位点对ATP亲和力高。,（一）腺苷酸的转运,生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行，而NAD+和NADH不能自由地透过线粒体内膜，因此在胞液内生成的NADH必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体。已知动Cell有两个穿梭系统。,五、线粒体内膜的物质转运,（二） NADH的转运,1、 磷酸甘油穿梭（肌肉细胞、大脑细胞）,五、线粒体内膜的物质转运,（二） NADH的转运,产生2个ATP,2、苹果酸穿梭(肝细胞),五、线粒体内膜的物质转运,（二） NADH的转运,五、线粒体内膜的物质转运,（三）线粒体内膜的主要转运载体,五、线粒体内膜的物质转运,（三）线粒体内膜的主要转运载体,六、能荷,总的腺苷酸系统中（即ATP、ADP和AMP浓度之和）所负荷的高能磷酸基数量（ATP所占的比例）。,能荷意义 能荷由ATP ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。 高能荷时抑制ATP生成，促进ATP利用。 低能荷时抑制ATP利用，促进ATP生成。 能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中酶的变构调节实现的。,
