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学目的：掌握线粒体呼吸链的组成及功能，掌握氧化磷酸化的机制及细胞溶胶中的NADH再氧化教学重点：呼吸链的组成及功能教学难点：氧化磷酸化的作用机制教学方法：多媒体教学内容：一、氧化磷酸化1、概念:糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量使ADP和Pi生成ATP的过程。 生物氧化在细胞中进行,又称细胞氧化或细胞呼吸。 真核细胞，需氧生物氧化多在线粒体内进行，在原核细胞中，需氧生物氧化在细胞膜上进行。2、生物氧化的特点（1）水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。（2）在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化不是同步进行的。氧化过程中脱下来的氢离子和电子，通常由各种传递体（如NADH+和FADH2）传递给氧生成水，在这个过程中释放大量的自由能，使ADP磷酸化为ATP。（3）生物氧化是一个逐步进行的过程。并且氧化反应伴随着还原反应，每一步都由特定的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行反应逐步释放能量，能提高能量利用率,也不会使体温骤然升高,损坏机体. 3、生物氧化的形式（1）失电子氧化（2）脱H氧化（3）与氧化合氧化二、生物氧化中CO2的生成1、直接脱羧作用2、氧化脱羧作用三、生物氧化中H2O的生成呼吸链（一）呼吸链概念：代谢物上的氢原子,被脱H酶激活脱落后,经过一系列传递体的传递,最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫呼吸链(电子传递链).2eMH2M递氢体递氢体H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体 b, c1, c, aa32H+ O2O2-H2O脱氢酶氧化酶呼吸链主要是以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系,一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。（二）呼吸链的类型：在具有线粒体的生物中, 典型的呼吸链有两种：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。这两种呼吸链的区别在于接受氢的最初受体不同，其它基本是相同的.在生物体中还有其它的呼吸链形式.在分离NADH和FADH2呼吸链各组分时,从线粒体内膜中分离到四个不同的传递体复合物和未组成复合物的辅酶Q（CoQ）及细胞色素c(Cytc).四个不同的传递体复合物分别命名为复合物、复合物、复合物和复合物。NADH-Q还原酶琥珀酸-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶（三）呼吸链的组成1、复合物INADH-Q还原酶2、 辅酶Q（泛醌） 3、复合物II琥珀酸-Q还原酶4、复合物细胞色素还原酶（1）结构：复合物由2个相同的单体组成的同二聚体，每个单体含11个不同的亚基，每个单体含1个功能核心，每个功能核心含3种辅基。 （2）功能：在伸向线粒体基质部分有2个CoQ结合位点，分别叫Q内（近线粒体基质）；Q外（近线粒体膜间隙），复合物以Q 循环方式传递电子，它使QH2上的两个电子分为两路传递，一个QH2的2个电子，其中一个电子通过细胞色素C1，另一个电子通过细胞色素b分别还原两个细胞色素c，Q本身被氧化。另一个QH2的2个电子，其中一个电子通过细胞色素C1传到细胞色素C，另一个电子通过细胞色素b传给氧化型Q生成QH2。一个单体将线粒体基质的2个质子转移到膜间隙，2个单体共转移4个质子到膜间隙。（3）细胞色素类：1）细胞色素(cyt)类是以血红素为辅基的红色或褐色的蛋白质，是呼吸链的电子传递体，生物体中的细胞色素约有30多种,线粒体的电子传递链至少含有5种：2）还原型细胞色素对可见光具有吸收现象,可看到、和三个光谱吸收峰，这是区别不同细胞色素的重要标志，根据吸收光谱不同将细胞色素分为a、b、c三类，哺乳动物的线粒体中至少有b、c、c1、a和a3五种，a和a3以复合物的形式存在呼吸链的末端。氧化型细胞色素没有吸收峰的存在。3）不同种类的细胞色素-吸收峰的波长和位置有所不同，如细胞色素b中，一种最大吸收光谱为562nm，用b562nm或b560或bH表示；另一种最大吸收光谱为566nm，用b566或bL表示。4）不同细胞色素的辅基血红素是有区别的.细胞色素b、c、c 1的辅基是血红素(含铁原卟啉)，与血红蛋白和肌红蛋白的血红素是相同的；细胞色素a和a3的辅基是血红素是A。血红素A 是血红素经修饰形成的，所以血红素和血红素A在结构上略有不同. 5）不同的细胞色素的的辅基血红素中铁原子与卟啉环和蛋白质结合形成的化学键数不同： 细胞色素a3形成5个配位键，其余的细胞色素形成6个共价键和配位键。所以只有a3能与O2结合，也可与CO、CN-等结合。5、细胞色素c（cyt.c）细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素，也是唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素。是当前了解最清楚的细胞色素。由104个氨基酸残基组成，一条多肽链，同源性很强，可作为研究生物系统进化的一个指标。细胞色素c它能交互地与细胞色素还原酶（复合物III）的细胞色素c1和细胞色素氧化酶（复合物IV）接触，作用是在复合物III和复合物IV之间传递电子。它是呼吸链中唯一一个独立的蛋白质电子载体。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同6、复合物细胞色素c氧化酶结构：哺乳动物的复合物含13个亚基，细菌含34个亚基，该复合物共有4个氧化还原中心功能：是把细胞色素c的电子传递给氧。所以叫细胞色素氧化酶。电子在复合物的传递从cytC开始，2个还原型细胞色素c各将一个电子传递给CuA中心，由它再传递给cytaa3和CuB的Fe-Cu中心，然后将电子传给O2生成O22-。复合物IV可将线粒体基质中的2个H+转移到膜间隙（四） 呼吸链各传递体的顺序1、呼吸链各传递体的顺序2、呼吸链各传递体顺序的证据 （1）根据呼吸链中各标准氧化还原电对（E/0）的数值确定（2）用特异性电子传递抑制剂来选择性地阻断呼吸链中某传递体的传递,再测定呼吸链中各组分的氧化-还原状态，来证明传递体的顺序。在阻断环节之前，因H（e)不能传递下去而处于还原状态，在阻断环节之后，因不能得到H(e) 而处于氧化状态。（3）在体外重新组装呼吸链。四、氧化磷酸化作用 氧化磷酸化:伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。根据氧化的方式可分为，底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化（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发生磷酸化作用。也就是说ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联。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发生了磷酸化,然后把能量转移到ADP上生成ATP. （二）电子传递体系磷酸化电子传递过程是个放能过程。其中有三个部位的能量落差G较大，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是在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内所消耗的一摩尔氧所消耗的无机磷酸摩尔数（或产生的ATP摩尔数的比值）。2、氧化磷酸化的作用机理：化学渗透学说（主要的）；化学偶联学说；结构偶联学说化学渗透假说的要点是：这个学说是英国学者P.Mitchell于1961年提出的（1）在电子传递和ATP形成之间起偶联作用的是电化学梯度，线粒体内膜必须是完整的封闭的，氧化磷酸化才能进行。（2）呼吸链中递H体与递e体是间隔交错排列的，并且在线粒体内膜上都有特定的位置。（3）传H体有H泵的作用，传H体所传递的H不是从前一个传H体接过来的，而是从线粒体内膜基质中直接吸取的，当传H体从内膜内侧接H后，可将其中的2e传给其后的传e体，将H+泵出线粒体内侧外侧。（4）H+不能自由返回线粒体内膜，形成线粒体内膜外侧H+内侧。在线粒体内膜内、外两侧产生了跨膜质子梯度。 这种内负外正的电位差，蕴含着一定的能量。（5）线粒体内膜外侧H+有顺浓度差返回基质的倾向,H+只能通过F1FoATP酶（ATP合酶）返回，ATP合酶利用H+返回到线粒体膜内侧所释放的自由能来合成ATP。（6）每对电子通过NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶时，泵出的电子数分别是：4个、4个和2个（王镜岩的书是4，2和4个），这样一对电子从NADH-Q还原酶到氧，共有10个H+从线粒体基质泵出到内膜外侧。（7）每合成1molATP需3个质子通过ATP合酶，同时产生的ATP从在线粒体基质运送到胞质中要消耗1个H+，即每形成一个ATP消耗4个H+，这样一对电子从NAD-Q还原传递到氧将产生2.5molATP，P/O是2.5；一对从FADH传递到氧将产生1.5molATP。P/O是1.5（三）ATP合酶（或称F1FoATP酶）1、ATP酶结构（1）线粒体内膜上合成ATP的酶叫ATP合酶,是由F1和Fo及柄三部分组成的复合物，所以又叫F1Fo-ATP合酶，是线粒体内膜上棒状小颗粒。（2）F1是突出于线粒体内膜上的球状结构，由9个（5种）亚基组成，分别表示为33，F1单独存在时催化ATP水解，具有ATP酶的活性。以 ATP酶复合物形式存在时能催化ATP合成。（3）Fo镶嵌在线粒体内膜并横跨内膜蛋白， 含有质子穿膜到达F1的通道。柄：连接F1和Fo的部位，含两种蛋白质，其中一种能使酶复合体对寡霉素产生敏感性，是质子由Fo到F1的通道，当寡霉素与Fo的亚基结合时，会抑制H+通过Fo，所以有控制质子流的作用。 （4）当质子通过Fo返回线粒体基质时,触发c亚基旋转,c亚基带动、和（）3复合物一起旋转，使和亚基的构象发生变化，导致ATP合成。质子流通过ATP合酶同时释放与酶牢固结合的ATP（5）Paul Boyer提出ATP合酶催化ATP合成的“结合变化机制”。97年获诺贝尔奖，结合变化机制认为：在ATP合酶F1上有三个相互作用的催化原体，每个原体以不同的构象存在，一种叫L态（松散态），只能与底物和产物松散结合，对底物没有催化能力；另一种叫T态（紧密态）能与底物和产物紧密结合，有催化功能，催化ATP合成。第三种是O态（开放态），不能与底物和产物结合。在L部位结合一个ADP和Pi，在T部位结合一个ATP，当质子通过F0返回线粒体内基质时，质子流驱动三种构象态相互转换，T位O位L位T位；进入T位的ADP和Pi合成ATP。当ATP所处的部位变为O位时，ATP就会从O上解离下来。同时结合ADP和Pi的L位又变为T位。 T位有催化功能，能催化ADP与Pi合成ATP。质子的流动产生的能量主要促进新合成的ATP从酶分子上释放下来。 （四）氧化磷酸化解偶联和抑制1、解偶联剂，（2.4硝基苯酚）电子传递仍可进行，氧仍能消耗，但不能形成ATP，使电子传递过程和ATP形成过程相分离，使电子传递释放的自由能都变成热能。2、氧化磷酸化抑制剂，直接抑制ATP合酶的活性,如寡霉素能与ATP合酶中F0上的一个亚基结合来干扰质子返回线粒体基质,使 ATP不能合成,同时抑制电子的传递和氧的利用，但不直接抑制呼吸链上载体的作用.3