第21章生物氧化——氧化磷酸化.doc

第21章 生物氧化氧化磷酸化教學目的：掌握線粒體呼吸鏈的組成及功能，掌握氧化磷酸化的機制及細胞溶膠中的NADH再氧化教學重點：呼吸鏈的組成及功能教學難點：氧化磷酸化的作用機制教學方法：多媒體教學內容：一、氧化磷酸化1、概念:糖，脂，蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解，生成CO2，H2O并釋放出能量使ADP和Pi生成ATP的過程。 生物氧化在細胞中進行,又稱細胞氧化或細胞呼吸。 真核細胞，需氧生物氧化多在線粒體內進行，在原核細胞中，需氧生物氧化在細胞膜上進行。2、生物氧化的特點（1）水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。（2）在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化不是同步進行的。氧化過程中脫下來的氫離子和電子，通常由各種傳遞體（如NADH+和FADH2）傳遞給氧生成水，在這個過程中釋放大量的自由能，使ADP磷酸化為ATP。（3）生物氧化是一個逐步進行的過程。并且氧化反應伴隨著還原反應，每一步都由特定的酶催化，每一步反應的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行反應逐步釋放能量，能提高能量利用率,也不會使體溫驟然升高,損壞機體. 3、生物氧化的形式（1）失電子氧化（2）脫H氧化（3）與氧化合氧化二、生物氧化中CO2的生成1、直接脫羧作用2、氧化脫羧作用三、生物氧化中H2O的生成呼吸鏈（一）呼吸鏈概念：代謝物上的氫原子,被脫H酶激活脫落后,經(jīng)過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).2eMH2M遞氫體遞氫體H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ還原型氧化型Cyt遞電子體 b, c1, c, aa32H+ O2O2-H2O脫氫酶氧化酶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，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。（二）呼吸鏈的類型：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,從線粒體內膜中分離到四個不同的傳遞體復合物和未組成復合物的輔酶Q（CoQ）及細胞色素c(Cytc).四個不同的傳遞體復合物分別命名為復合物、復合物、復合物和復合物。NADH-Q還原酶琥珀酸-Q還原酶細胞色素還原酶細胞色素氧化酶（三）呼吸鏈的組成1、復合物INADH-Q還原酶2、 輔酶Q（泛醌） 3、復合物II琥珀酸-Q還原酶4、復合物細胞色素還原酶（1）結構：復合物由2個相同的單體組成的同二聚體，每個單體含11個不同的亞基，每個單體含1個功能核心，每個功能核心含3種輔基。 （2）功能：在伸向線粒體基質部分有2個CoQ結合位點，分別叫Q內（近線粒體基質）；Q外（近線粒體膜間隙），復合物以Q 循環(huán)方式傳遞電子，它使QH2上的兩個電子分為兩路傳遞，一個QH2的2個電子，其中一個電子通過細胞色素C1，另一個電子通過細胞色素b分別還原兩個細胞色素c，Q本身被氧化。另一個QH2的2個電子，其中一個電子通過細胞色素C1傳到細胞色素C，另一個電子通過細胞色素b傳給氧化型Q生成QH2。一個單體將線粒體基質的2個質子轉移到膜間隙，2個單體共轉移4個質子到膜間隙。（3）細胞色素類：1）細胞色素(cyt)類是以血紅素為輔基的紅色或褐色的蛋白質，是呼吸鏈的電子傳遞體，生物體中的細胞色素約有30多種,線粒體的電子傳遞鏈至少含有5種：2）還原型細胞色素對可見光具有吸收現(xiàn)象,可看到、和三個光譜吸收峰，這是區(qū)別不同細胞色素的重要標志，根據(jù)吸收光譜不同將細胞色素分為a、b、c三類，哺乳動物的線粒體中至少有b、c、c1、a和a3五種，a和a3以復合物的形式存在呼吸鏈的末端。氧化型細胞色素沒有吸收峰的存在。3）不同種類的細胞色素-吸收峰的波長和位置有所不同，如細胞色素b中，一種最大吸收光譜為562nm，用b562nm或b560或bH表示；另一種最大吸收光譜為566nm，用b566或bL表示。4）不同細胞色素的輔基血紅素是有區(qū)別的.細胞色素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在結構上略有不同. 5）不同的細胞色素的的輔基血紅素中鐵原子與卟啉環(huán)和蛋白質結合形成的化學鍵數(shù)不同： 細胞色素a3形成5個配位鍵，其余的細胞色素形成6個共價鍵和配位鍵。所以只有a3能與O2結合，也可與CO、CN-等結合。5、細胞色素c（cyt.c）細胞色素c是唯一能溶于水的細胞色素，也是唯一處于線粒體膜間隙的細胞色素。是當前了解最清楚的細胞色素。由104個氨基酸殘基組成，一條多肽鏈，同源性很強，可作為研究生物系統(tǒng)進化的一個指標。細胞色素c它能交互地與細胞色素還原酶（復合物III）的細胞色素c1和細胞色素氧化酶（復合物IV）接觸，作用是在復合物III和復合物IV之間傳遞電子。它是呼吸鏈中唯一一個獨立的蛋白質電子載體。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同6、復合物細胞色素c氧化酶結構：哺乳動物的復合物含13個亞基，細菌含34個亞基，該復合物共有4個氧化還原中心功能：是把細胞色素c的電子傳遞給氧。所以叫細胞色素氧化酶。電子在復合物的傳遞從cytC開始，2個還原型細胞色素c各將一個電子傳遞給CuA中心，由它再傳遞給cytaa3和CuB的Fe-Cu中心，然后將電子傳給O2生成O22-。復合物IV可將線粒體基質中的2個H+轉移到膜間隙（四） 呼吸鏈各傳遞體的順序1、呼吸鏈各傳遞體的順序2、呼吸鏈各傳遞體順序的證據(jù) （1）根據(jù)呼吸鏈中各標準氧化還原電對（E/0）的數(shù)值確定（2）用特異性電子傳遞抑制劑來選擇性地阻斷呼吸鏈中某傳遞體的傳遞,再測定呼吸鏈中各組分的氧化-還原狀態(tài)，來證明傳遞體的順序。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:伴隨著放能的氧化作用而進行的磷酸化。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ATP的形成直接與一個代謝中間物（如PEP）上的磷酸基團轉移相偶聯(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,然后把能量轉移到ADP上生成ATP. （二）電子傳遞體系磷酸化電子傳遞過程是個放能過程。其中有三個部位的能量落差G較大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=30.514KJ/mol）1、P/O比值：P/O是在電子傳遞體系磷酸化中，在一定時間內所消耗的一摩爾氧所消耗的無機磷酸摩爾數(shù)（或產(chǎn)生的ATP摩爾數(shù)的比值）。2、氧化磷酸化的作用機理：化學滲透學說（主要的）；化學偶聯(lián)學說；結構偶聯(lián)學說化學滲透假說的要點是：這個學說是英國學者P.Mitchell于1961年提出的（1）在電子傳遞和ATP形成之間起偶聯(lián)作用的是電化學梯度，線粒體內膜必須是完整的封閉的，氧化磷酸化才能進行。（2）呼吸鏈中遞H體與遞e體是間隔交錯排列的，并且在線粒體內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不是從前一個傳H體接過來的，而是從線粒體內膜基質中直接吸取的，當傳H體從內膜內側接H后，可將其中的2e傳給其后的傳e體，將H+泵出線粒體內側外側。（4）H+不能自由返回線粒體內膜，形成線粒體內膜外側H+內側。在線粒體內膜內、外兩側產(chǎn)生了跨膜質子梯度。 這種內負外正的電位差，蘊含著一定的能量。（5）線粒體內膜外側H+有順濃度差返回基質的傾向,H+只能通過F1FoATP酶（ATP合酶）返回，ATP合酶利用H+返回到線粒體膜內側所釋放的自由能來合成ATP。（6）每對電子通過NADH-Q還原酶、細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶時，泵出的電子數(shù)分別是：4個、4個和2個（王鏡巖的書是4，2和4個），這樣一對電子從NADH-Q還原酶到氧，共有10個H+從線粒體基質泵出到內膜外側。（7）每合成1molATP需3個質子通過ATP合酶，同時產(chǎn)生的ATP從在線粒體基質運送到胞質中要消耗1個H+，即每形成一個ATP消耗4個H+，這樣一對電子從NAD-Q還原傳遞到氧將產(chǎn)生2.5molATP，P/O是2.5；一對從FADH傳遞到氧將產(chǎn)生1.5molATP。P/O是1.5（三）ATP合酶（或稱F1FoATP酶）1、ATP酶結構（1）線粒體內膜上合成ATP的酶叫ATP合酶,是由F1和Fo及柄三部分組成的復合物，所以又叫F1Fo-ATP合酶，是線粒體內膜上棒狀小顆粒。（2）F1是突出于線粒體內膜上的球狀結構，由9個（5種）亞基組成，分別表示為33，F(xiàn)1單獨存在時催化ATP水解，具有ATP酶的活性。以 ATP酶復合物形式存在時能催化ATP合成。（3）Fo鑲嵌在線粒體內膜并橫跨內膜蛋白， 含有質子穿膜到達F1的通道。柄：連接F1和Fo的部位，含兩種蛋白質，其中一種能使酶復合體對寡霉素產(chǎn)生敏感性，是質子由Fo到F1的通道，當寡霉素與Fo的亞基結合時，會抑制H+通過Fo，所以有控制質子流的作用。 （4）當質子通過Fo返回線粒體基質時,觸發(fā)c亞基旋轉,c亞基帶動、和（）3復合物一起旋轉，使和亞基的構象發(fā)生變化，導致ATP合成。質子流通過ATP合酶同時釋放與酶牢固結合的ATP（5）Paul Boyer提出ATP合酶催化ATP合成的“結合變化機制”。97年獲諾貝爾獎，結合變化機制認為：在ATP合酶F1上有三個相互作用的催化原體，每個原體以不同的構象存在，一種叫L態(tài)（松散態(tài)），只能與底物和產(chǎn)物松散結合，對底物沒有催化能力；另一種叫T態(tài)（緊密態(tài)）能與底物和產(chǎn)物緊密結合，有催化功能，催化ATP合成。第三種是O態(tài)（開放態(tài)），不能與底物和產(chǎn)物結合。在L部位結合一個ADP和Pi，在T部位結合一個ATP，當質子通過F0返回線粒體內基質時，質子流驅動三種構象態(tài)相互轉換，T位O位L位T位；進入T位的ADP和Pi合成ATP。當ATP所處的部位變?yōu)镺位時，ATP就會從O上解離下來。同時結合ADP和Pi的L位又變?yōu)門位。 T位有催化功能，能催化ADP與Pi合成ATP。質子的流動產(chǎn)生的能量主要促進新合成的ATP從酶分子上釋放下來。 （四）氧化磷酸化解偶聯(lián)和抑制1、解偶聯(lián)劑，（2.4硝基苯酚）電子傳遞仍可進行，氧仍能消耗，但不能形成ATP，使電子傳遞過程和ATP形成過程相分離，使電子傳遞釋放的自由能都變成熱能。2、氧化磷酸化抑制劑，直接抑制ATP合酶的活性,如寡霉素能與ATP合酶中F0上的一個亞基結合來干擾質子返回線粒體基質,使 ATP不能合成,同時抑制電子的傳遞和氧的利用，但不直接抑制呼吸鏈上載體的作用.3