呼吸链生物化学

1、第七章生物氧化1、生物氧化(biologicaloxidation)：物质在体内进行氧化称生物氧化.主要指营养物质在体内分解时逐步释放能量,最终生成CO卸水的过程.生物氧化又称组织呼吸或细胞呼吸.生物氧化释放的能量：主要(40蛆上)用于ADP的磷酸化生成ATP,供生命活动之需.其余以热能形式散发用于维持体温.2、生物氧化内容(1)生物体内代谢物的氧化作用、代谢物脱下的氢与氧结合成水的过程.(2)生物体内二氧化碳的生成.(3)能量的释放、储存、利用(ATP的代谢一一ATP的生成与利用).3、生物氧化的方式遵循一般氧化复原规律.(1)失电子：代谢物的原子或离子在代谢中失去电子,其原子正价升高、负价

2、降低都是氧化.(2)脱氢：代谢物脱氢原子(H=H+e的同时失去电子.(3)加氧：向底物分子直接参加氧原子或氧分子的反响使代谢物价位升高,属于氧化反响.向底物分子加水、脱氢反响的结果是向底物分子参加氧原子,也属于氧化反响.4、生物氧化的特点(1)在温和条件下进行(37C,中性pH等)；(2)在一系列酶催化下完成；(3)能量逐步释放,局部储存在ATP分子中；(4)广泛以加水脱氢方式使物质间接获得氧；(5)水的生成由脱下的氢与氧结合产生；(6)反响在有水环境进行；(7) CO独有机酸脱竣方式产生.5、物质体外氧化(燃烧)与生物氧化的比拟(1)物质体内、体外氧化的相同点：物质在体内外氧化所消耗的氧量、

3、最终产物、和释放的能量均相同.(2)物质体内、体外氧化的区别：体外氧化(燃烧)产生的二氧化碳、水由物质中的碳和氢直接与氧结合生成；能量的释放是瞬间忽然释放.5、营养物氧化的共同规律糖类、脂类和蛋白质这三大营养物的氧化分解都经历三阶段：分解成各自的构件分子(组成单位)、降解为乙酰CoA三竣酸循环.施肪后白fl脂懑%基酸、甘油斗脂酸f乙第I阶段第II阶段第ni阶is第一节ATP生成的体系、呼吸链respiratorychain:代谢物脱下的氢原子2H通过多种酶和辅酶所催化的连锁反响逐步传递,最终与氧结合生成水.这一传递链称呼吸链.又称电子传递链electrontransportchain.呼吸链由

4、按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢体、递电子体组成.一呼吸链的组成用胆酸或脱氧胆酸处理线粒体内膜,可将呼吸链别离为：四种具有递电子功能的酶复合体：复合体I称NADH-泛酶复原酶NADK氢酶：复合体口一一称琥珀酸-泛酶复原酶琥珀酸脱氢酶：复合体W称泛酶-细胞色素C复原酶：复合体IV称细胞色素氧化酶细胞色素aa3:人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称多肽链数辅基复合体INADH-泛醍复原酶39FMN,FaS复合体【I琥珀酸泛醍复原酶4FAD?FeS复合体III泛显细胞色素C复原酶1«铁吓啾,Fe-S复合体IV细胞色素鬲化酶二种游离成分：辅酶Q和细胞色素C不包含在复合体中.1、复合体I将电子从

5、NAD璃2CoQCONH1O-CH5COOHNADH-*NAD中的烟酰胺氮为5价,能接受电子成3价,而其对侧碳原子能进行加氢反响仅1个氢原子NAD*(NADP+)coi(con)复合体I1naD尼克酰胺腺嗯吟二核昔酸和NADP尼克酰胺腺嗯吟二核昔酸磷酸氧化复原反响时变化发生在五价氮和三价氮之口2FMN的氧化与复原黄素单核甘酸FMN含有核黄素维生素B2,FMN发挥作用的是异咯嗪环.烟酸烟酰胺CONH?rA-coN1+H+H+eiKY-conh：NAD,或NADP*NADH或NADPHFMN;Fe-Swab；Fe'SN4；Fe'SN-3：R核黄素与酶的辅基的形成:CHiOHHpOH

6、HCOH1HCOHHCH核黄素+ATP>FMN焦磷酸化酶FMN+ATPFAD核黄素氧化复原机制:异咯嗪H-C-OHtH-C-OHiH-C-OHFMN3铁硫蛋白与铁硫中央Fe-SFe-S含有等量各4的铁原子与硫原子；通过铁原子与铁硫蛋白中的半胱氨酸残基的硫相连.其铁原子可以进行氧化复原反响传递电子4复合体I的功能NADH+H*vFMNy复原型FeSQNAD*人FMNHs氧化型Fe-S人QH217JJIOQCNADH复合体I的功能辅酶Q是一种脂溶性醍类化合物；含有一个较长的侧链R,疏水性强.其侧链由多个异戊间二烯组成,人的CoQ由10个异戊间二烯组成Q10泛醍可以接受或脱去1个电子和1个质子

7、参与氧化复原.泛醍参与氧化复原机制：O'oOH泛醍泛醍H,醍型或氧化型半配型氢注：R为异戊间二烯侧链R=l-CHrCH=CCH3-CH2、复合体口将电子从琥珀酸传递给CoQ含如下成分：含黄素蛋白以FAD为辅基、铁硫蛋白Fe-S、细胞色素b560琥珀酸fFe-S.;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S,-CoQ细胞色素是一类催化电子传递的酶,以铁叶琳为辅基,均有特殊的吸收光谱而呈颜色.根据吸收光谱的不同,参与呼吸链的Cyt有3类：Cyta、Cytb、Cytc；根据最大吸收峰的差异分为假设干亚类.细胞色索吸收峰6006035kailin发现而命名562b566bt与换能作用有关而命名56

8、6550胞液侧基质侧NADHNAD.琥珀酸3、复合体W将电子从泛醍传递给细胞色素复合体III2种细胞色素bCytb562、Cytb566、细胞色素ci、铁硫蛋白细胞色素c呈水溶性,与线粒体内膜外外表结合不紧密而极易于别离,不属于任何复合体成分胞液侧Cyt656IorIICytc4、复合体IV将电子从细胞色素C传递给氧.复合体IV复原型Cytc_CuAaa3CuB-O2含如下成分：细胞色素a、a3和2个铁吓啾辅基及与之相连的Cu.Cyta和Cyta3很难分开,合称为Cytaa3.其中2个铜原子分别连接2个铁叶琳辅基,铜原子可以进行氧化复原反响传递电子.Cu+-e氧化+e复原Cu2+(Fe2>

9、;)基质侧2H2O呼吸链各复合体位置示意图内要胞液的线苞体内履NADHFAD叫；k胞液侧Cytc二呼吸链成分的排列顺序一一确定呼吸链排列顺序的方法：1、根据各组分的EO从低到高排列一一电位低容易失去电子见下表呼吸链中各种氧化复原对的标准氧化复原电位氧化复原对EtVNAD+/NADH+H+-032FMN/FMNH2FAD/FADH2CvtbFe/Fe2+.Qio/QioH2Cvtc.Fe+ZFe2+CvtcCe升/Fe升CvtaFe/Fe2+.Cvta,Fe3+/Fe2+1/2OJH2O-030-0.060*4或0.100.070.220.250.290.550,822、在体外将呼吸链拆开重组一

10、一鉴定4种复合体的组成与排列顺序.3、利用呼吸链特异阻断剂阻断电子传递一一阻断部位以前的处于复原状态,后面的组分处于氧化状态,根据吸收光谱的改变检测.4、以离体线粒体的复原态无氧对照一一缓慢给氧,通过光谱观察各组分的氧化顺序.1氧化-复原对一一参加氧化复原反响的每种物质都有氧化型和复原型两种形式：如：AH十B-A十BH;式中AH/或BH是复原型剂J,A和B是氧化型剂J.一物质的氧化型/复原型如A/AH或B/BH等构成氧化复原对简称氧-还对,氧化复原对是共扼的.氧-还对供出电子趋势的大小,可用标准氧化复原电位Eo表示.2标准氧化复原电位E成对的氧化型/复原型物质的浓度为1摩尔,在PH7.0,25

11、c时组成半电池,以生物化学规定的标准氢电极做参比测得的电位伏特/摩尔.Eo值表示的是同H+/H2相比,某氧-还对氧化复原水平的大小：1） E0是负值,表示此氧-还对易供出电子而被氧化,是复原剂;2） Eo是正值,表示此氧-还对易获得电子而被复原,是氧化剂.3标准氢电极与生物化学规定的标准氢电极1标准氢电极：白金电极放入氢离子浓度为1摩尔/升的溶液,与1大气压的氢气平衡,此电极电位定为0伏特,作为参比电极Eo2生物化学上规定：参加pH=7.0的条件,将氢电极浓度定为10-7mol/L,测得的电位是E°'.4电位测定装置XH?LX+2H+2e1大气压的平衡2NAD+2H2NADH

12、2、两条氧化呼吸链及其排列顺序3、呼吸链电子传递过程二、氧化磷酸化ATP是机体主要供能物质.ATP的另外形成方式是底物水平磷酸化：直接将代谢物分子中的能量转移到ADPGDP生成ATPGTP一氧化磷酸化的偶联部位一一ATP生成的部位偶联部位确实定方法如下:1、P/O比值：物质氧化过程中每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷或ADP的摩尔数.此数值代表ATP的生成数.P/O的测定方法:将底物、ADPHPO、Mg+和别离较为完整的线粒体在模拟细胞内液的环境中相互作用；测定Q和HPOATP形成的主要方式是氧化磷酸化：呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP或ADP的消耗量,可以计算P/O,确定偶联部位

13、.琥用服复合体口miNADHT4、重要代谢物进入呼吸链的途径宜合体m562,b骷&Fc-StCETP电子转递黄素蛋白,辅基EFAD一脂肪酰CoA革果酸B与生酰CoA8-羟丁酸谷氨酸异柠檬酸FRINNADJIFADIf硫辛酸琥珀酸a磷酸LT油a酮戊二酸FMNrFe*%j岫陞颊？Fc-S1,FADFc品Fc鸟atefoFc-Ssj底物呼吸链组成B羟丁酸琥珀酸抗坏血酸NAD+fFMNfCoQfCytcCytaa3O2FAD*CoQ*Cytc-*Cytaa3*O2CvcCyta%f.?Cytaa3O2Cytc(Fe2+)偶联部位分另4在：NAD-FMN-CoQ-CytcJj-:_*2、自由能变

14、化G'=-nFAEo,30.5kJ可合成ATP,心表示pH7寸的标准自由能变化,n=2个氧还对反响时传递电子的数目2,F是法拉第常数96.5kJ/mol?V,王.为电位变化.自由能变化的计算举例一一NADHH+的氧化反响：NADHH+"l/2O2、守=+0,82E°'=0.32E.=受电子的高电位给电子的低电位=+0.82-0.32=1.14G°'="nFAEG,="2X96.5X1.14=-220.02kJ/mol从电位差AE°计算的,如果与足以到达合成ATP释放的自由能30.5kJ/mol那么存在偶联部位.

15、30.5kJ是合成1molATP所需的能量标准状态,体内条件G=-51.6kJ/mol二氧化磷酸化偶联机制一一化学渗透学说化学渗透学说要点：1、呼吸链中递氢体与递电子体交替排列,并在膜中有固定位置,催化的反响是定向的,取决于电子走向.2、电子经呼吸链传递时可将质子从线粒体内膜的基质泵到内膜外侧,产生膜内外质子电化学梯度氢离子浓度梯度和跨膜电位差,以此储存能量.3、当质子顺浓度梯度回流时驱动ATP合酶,利用ADP和Pi合成ATR说明：电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路,即形成3个氧化复原神,每个回路均有质子泵.化学渗透假说NADH+H+线粒体内膜丙膜外侧(1)(2)(3)注：兰色箭头示电子传

16、递方向呼吸链模式化学渗透假说详细示意图ARE+EIATP,H+(三)AT哈酶(复合体V)ATP合酶(ATPsynthase)三联体:Fi：亲水局部,位于线粒体内膜的基质侧,含有5种肽链、9个甲基8&丫6.功能是催化ATP的生成.催化部位在0亚基,但必须与a亚基结合才有活性.F.：疏水局部,镶嵌在线粒体内膜中的H+通道.当H+顺浓度梯度经F0回流时,Fi催化ADP和Pi合成并释放ATP,Fo和Fi之间有寡霉素敏感蛋白OSCP,OSCP!ATP合酶在寡霉素存在时无作用线粒体结构1、ATP合酶的结构模式2、ATP的作用机制一一诱导契合-结合变化0亚基有ORT三种构型AM小ATP合酶的工作机制

17、诱导契合结合变化三、影响氧化磷酸化的因素氧化磷酸化的影响因素有：呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂；ADP的调节作用、甲状腺素的作用、线粒体DNA突变一呼吸链抑制剂,阻断电子传递.此抑制剂可以停止细胞内呼吸,引起死亡.1鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥一一与复合体I的铁硫蛋白结合而阻断电子传递.2抗霉素A、二疏基丙醇BAL抑制复合体W中Cytb与Cytci间的电子传递.3COCNrN-、H2S抑制复合体IV细胞色素氧化酶,使电子不能传递给氧.呼吸链抑制剂及部位琥珀酸丙二酸一粉蝶毒素A阿妥毒素|复合物H|FADIF的|二疏基丙醇抗琴素A-二解偶联剂多属于能通过膜的阳离子ATPADP+Pi偶联

18、部位2复合物IV*(Cu)ATPADP+Pi偶联部位5载体,使氧化与磷酸化过程脱离.作用机制：使呼吸链电子传递过程泵出的氢离子不经过ATP合酶的Fo质子通道回流,而经其他途径返回线粒体基质.破坏膜两侧的电化学梯度,电化学梯度储存的能量以热能形式散发.解偶联蛋白作用机制标色脂肪组织线粒体1、解偶联蛋白质子通道释放热能存在于动物棕色脂肪组织;2、FFA促进质子经解偶联蛋白反流至基质.3、二硝基苯酚DNP结合质子在膜内移动.4、其他：游离脂肪酸、水杨酸盐、双香豆素.解偶联剂作用一破坏质子梯度琥珀酸非琦质子通道返回,释放热能三氧化磷酸化抑制剂一一对电子彳递与ADP的磷酸化均抑制.如寡霉素可与AT哈酶E

19、、Fo之间柄部的寡霉素敏感蛋白OSCP结合,阻止质子从FC®道内流合成ATR质子不能内流导致膜两侧电化学梯度增高,影响质子泵的功能,进而抑制电子传递.演疫的如苍术背酸：特异抑制ATP/ADP载体腺普酸转位酶各种抑制剂对线粒体耗氧量的影响一一实验过程：&>超一O一时间用氧电极测定氧浓度观察离体线粒体的耗军二ADP勺调节作用正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节:机体利用ATPTfADPT-ADP®入线粒体T-氧化磷酸化K反之ADPF足-氧化磷酸化K这种调节可使ATP的生成适应生理需要.用极谱法氧电极系统测量游离线粒体的呼吸过程(1) ADP底物线粒体氧浓度(

20、微摩尔/毫升)(2) ADP(3) ADP(4)底物时间min)三甲状腺素甲状腺素的作用有两个方面：1、促进氧化磷酸化：甲状腺素诱导膜上Na+-K+-ATP酶的合成,促进ATP分解为ADP而促进氧化磷酸化.2、甲状腺素Ta可以增加解偶联蛋白的表达,引起耗氧合产热均增加,即根底代谢率增加.四线粒体DN除变mtDNAt裸露的环状双螺旋,缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统,容易受本身氧化磷酸化过程产生的氧自由基的损伤而发生突变.突变率是核内DNA勺1020倍.mtDNA码的基因：呼吸链中13条肽链、线粒体蛋白合成所需要的22个tRNA、蛋白合成所需要的2个rRNA=mtDN娱变可以降低线粒体的功能.mt

21、DNA病的主要问题是ATP生成减少引起的病症,耗能较多的器官先受累,且随年龄的增长而严重.四、ATP-能量的储存的形式生物氧化过程释放的能量有约40蛆化学能的形式储存于特殊的有机磷酸化合物中,形成磷酸酯磷酸酊.磷酸酯键水解放能较多大于21kJ/mol,称为高能磷酸键",用P表示.在所有高能磷酸化合物中,以ATP分子末端的丫磷酸键最为重要.一常见的高能磷酸化合物通式举例AGG,kJ11NHR-CNHPOU磷酸肌酸CHRC-O-PO3H2磷酸肌醇式丙酮酸-6LSORC-OPOjH2乙酰磷酸-41JOOrrII_公“P-OP-OHATP、GTP、UTP、CTP-30OHOHO乙酰CoA-3

22、1,二各种核甘酸之间的转变1、UTP、CTP、GTP的生成：二磷酸核甘激酶催化,反响如下UDPATPADPHTPCDP*CTPGDPGTP2、体内ATP消耗过多、ADP积累EADP+ADP腺甘酸激醒ATP+J三磷酸肌酸1、ATP可以将P转移给肌酸生成磷酸肌酸.反响可逆.过程如下:2、磷酸肌酸是肌肉和脑组织能量的一种储存形式.四ATP的生成和利用一一生物体能量的生成和利用都是以ATP为中央.体外pH7.0、25c条件下,1摩尔ATP水解为ADP+Pi时释放的能量为30.5kJ,体内生理条件下为50kJ/mol人体每日经ADP/ATP相互转变的量ATP转换率非常可观.静卧24小时消耗ATP40kg

23、运动时0.5kg/min.1、ATP的利用一一ATPW环细胞能量循环1末端磷酸基的分裂与转移,生成ADP和新的磷酸化物.如激酶催化的反响.此时ATP的磷酸基和局部能量同时转给新的磷酸化物.2ATP水解为ADP+Pi,能量供机体利用.离子转运、肌肉收缩、竣化反响.3利用ATP的另一个高能磷酸键.生成焦磷酸.如脂酸活化反响.2、ATP生成、储存和利用氧化磷底物水平磷酸化官自冒械透学能能机渗化电热7ADPy五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体基质与细胞液之间有线粒体内外膜相隔.线粒体外膜通透性好,允许分子量在1000以内的物质自由通过普通生物膜.线粒体内膜对各种物质的通过有严格选择性.几乎所有的离子、

24、不带电荷的小分子有机化合物都不能自由通过,必须依赖内膜上特殊的蛋白.此蛋白少数是酶,多数是载体也称为转位酶.载体对物质具有严格的选择性.内膜载体对物质的转运规律：一种离子或带电荷的化合物顺浓度梯度向内膜一侧转运时,必须伴有对应离子或带电物质逆浓度梯度反向转运.通常是对一交换"A-入B-出或A-出B-入.膜间腔线粒体内膜线粒体基质线粒体内膜的运载体重要的线粒体转位酶载体功能胞液线粒U-酮戊二酸载体苹果酸0用酸性氨基酸载体谷氨酸天名腺昔酸载体ADPAT磷酸盐载体PiPi丙酮酸载体丙酮酸OH三较酸载体革果酸柠横碱性氨基酸载体鸟氨酸瓜佞肉毒碱载体脂酰肉毒碱肉d底物平衡离子抑制剂LADPATP

25、苍术酸Z+磷酸盐、种酸盐、醋酸盐OH-对-氟耒苯甲酸3琥珀酸.苹果酸、丙二酸Pi氯琥珀酸,2-丁基丙二酸4+柠檬酸,异柠檬酸、顺乌头酸苹果酸2-丁基丙二酸、笨三工Q津戊二酸革果酸、丙二酸2-丁基丙二酸.R甲胃弓L6*谷氨酸OH4-羟谷氨酸、2-氨基己二.天冬氨酸谷氨酸、2-氨基己二酸S3-磷酸甘油磷酸二羟丙配单向,.丙腿酸*4氮4羟肉桂酸、茉丙第占四种转位酶的协同作用外侧内侧一胞液中NADH勺氧化一一如何进入线粒体胞液脱氢产生的复原当量H+e必须进入线粒体氧化,但NADM能自由透过线粒体内膜.必须借助于其他转运机制完成.有两种机制可以使NADHS入线粒体：生磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭1

26、、纺磷酸甘油穿梭一一存在于脑和骨骼肌NADH+H+NAD+'胞液侧CH20HC=O-ch2oP甘油脱氢BECH.OHRhoh-Clho.4P二羟丙第基质侧P甘油脱氢前甘油fadh2FAD外膜膜间腔内膜线粒体外膜胞液侧NADt苹果酸c=oCHOHCH2O-内膜NADH+1T载体悍果酸脱氢3!载体I草酰乙酸口第戊二酸,物质氧化CHZO-CH20HPi基质侧莘果酸脱氢型I一.第戊二酸草戢乙酸/二腺昔酸载体一一又称ATP-ADpii或ATP-ADP转位酶.2个亚基组成的二聚体,每个亚基3.0kDoATP与ADP经此载体反向交换；同时胞液中的H2PO经磷酸盐载体与H同向转运入线粒体ATRADRPi的转运内膜h2po4>H2PO4H