《生物化學(xué)》24 生物氧化

1、第九單元 生物能學(xué)與生物氧化第20章 生物能學(xué)（P23）第24章 生物氧化 電子傳遞和氧化磷酸化作用(P114)Biochemistry第24章 生物氧化 電子傳遞和氧化磷酸化作用生物氧化(biological oxidation) ： 糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物在細胞內(nèi)氧化分解生成二氧化碳和水并放出能量形成ATP的過程。一、氧化還原電勢二、電子傳遞和氧化呼吸鏈三、氧化磷酸化作用Biochemistry一、氧化還原電勢 生物氧化實質(zhì)上就是指氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,是NADH和FADH2上的電子通過一系列電子傳遞載體傳給O2,伴隨NADH和FADH2的再氧化

2、，將釋放的能量使ADP磷酸化形成ATP的過程。凡是反應(yīng)中有電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)稱為氧化-還原反應(yīng)（oxidation-reduction reactions）。提供電子的分子稱為還原劑（reducing agent或reductant）,接受電子的分子稱為氧化劑（oxidizing agent或oxidant）。物質(zhì)失去電子后，稱為氧化型，氧化型再得到電子又成為還原型。？不是實質(zhì)而是主要(一)氧化還原電勢 (二)生物體中某些重要的氧化還原電勢 ( 見P117表24-1 )(三)電勢和自由能的關(guān)系 (四)標準電動勢和平衡常數(shù)的關(guān)系一、氧化還原電勢(一)氧化-還原電勢(P115

3、)氧化還原電勢： 還原劑失去電子的傾向或氧化劑獲得電子的傾向。 發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為陰極或負極。 發(fā)生還原反應(yīng)的電極為陽極或正極。(三)電勢和自由能的關(guān)系（P117） G = Wmax = - n F E其中 Wmax為最大功 G為體系自由能的變化，自發(fā)反應(yīng)為負值 E 為相應(yīng)反應(yīng)的電勢差 n為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目 F為法拉第常數(shù) = 23.062 kcal/Vmol = 96.49 kJ/Vmol(四)標準電動勢 和平衡常數(shù)(Keq)的關(guān)系(P118) R T Eo = lnKeq n FR是氣體常數(shù)（8.314J/L.mol)，T是絕對溫度(298K）。見P29二、電子傳遞和氧化呼吸

4、鏈(一)電子傳遞過程 (二)呼吸鏈概念的建立(三)電子傳遞鏈 (四)電子傳遞鏈各個成員 (五)電子傳遞的抑制劑 Biochemistry(一)電子傳遞過程 電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一系列按電子親和力遞增順序排列的電子載體所構(gòu)成的電子傳遞鏈傳遞到氧的過程。這些電子載體都具有氧化- 還原作用。Biochemistry 據(jù)計算，還原性輔酶（NADH+H+)所釋放的自由能超過3個ATP的自由能含量，這有利于推動電子的轉(zhuǎn)移，有利于ADP形成ATP,有利于形成并維持跨膜電勢。 NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O + G G = - n F E =-223.062 0.8

5、15-(-0.32) = - 52.35kcal （1個ATP按 7.3 kcal 計）原核細胞：電子傳遞鏈存在于質(zhì)膜上。真核細胞：電子傳遞鏈存在于線粒體內(nèi)膜上。見P117 表24-1 標準氧化還原電勢NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O + G G = - n F E = -223.062 0.815-(-0.32)= - 52.35kcal （1個ATP按 7.3 kcal 計）(三)電子傳遞鏈或呼吸鏈 電子傳遞鏈或呼吸鏈 本書定義：電子從NADH到O2的傳遞所經(jīng)過的途徑。 代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體,最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的全部

6、體系稱為電子傳遞鏈或呼吸鏈。 在有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有兩種： NADH呼吸鏈 和 FADH2呼吸鏈 呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，大致分4個部分： 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NADH+H+FADH2NADH-Q還原酶(FMN) 琥珀酸-Q還原酶CoQ細胞色素還原酶(b,c1）細胞色素c細胞色素氧化酶(aa3)電子傳遞鏈中電子載體及其順序： O2復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體IV(NAD+,FMN,Fe-S,CoQ)(FAD, Fe-S, CoQ)(Cyt-b,Fe-S,Cyt-c1)(Cyt-a,a3)基質(zhì)復(fù)合體胞液FAD呼吸鏈 (一)電子傳遞過程

7、 電子傳遞過程包括電子從還原型輔酶通過一系列按電子親和力遞增順序排列的電子載體所構(gòu)成的電子傳遞鏈傳遞到氧的過程。這些電子載體都具有氧化- 還原作用。Biochemistry呼吸鏈中傳遞體的順序 aa3ADP+PiADP+PiADP+Pi G為自由能的變化，放能反應(yīng)為負值, E 為相應(yīng)反應(yīng)的電勢差， n為氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目 F為法拉第常數(shù) = 23.062 kcal/Vmol = 96.49 kJ/Vmol G = - n F E (四)電子傳遞鏈各個成員 1、NADH-Q還原酶()2、輔酶Q3、琥珀酸-Q還原酶()4、細胞色素還原酶()5、細胞色素c6、細胞色素氧化酶(IV)1、NA

8、DH-Q還原酶 NADH-Q還原酶又稱為NADH脫氫酶，簡稱為復(fù)合體，是一個具有相對分子質(zhì)量88000的大蛋白質(zhì)分子，至少包含有34條多肽鏈。該酶是電子傳遞鏈中3個質(zhì)子泵中的第一個（包括NAD + 、FMN、鐵硫聚簇和 CoQ ） 。 該酶的作用是先與NADH結(jié)合并將其上的兩個高勢能電子轉(zhuǎn)移到FMN輔基上，使NADH氧化，并使FMN還原，反應(yīng)如下： NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+ NAD+ + 2H NADH + H+ FMN + 2H FMNH2 Fe3+ + e = Fe2+ 因其活性部分含有兩個活潑的硫和兩個鐵原子, 故稱鐵硫聚簇.NADH-Q還原酶含有NAD+

9、、FMN、 Fe-S 和 CoQ. NADH-Q還原酶輔基FMNH2上的電子又轉(zhuǎn)移到鐵硫聚簇（Fe-S）上。它是NADH-Q還原酶的第二種輔基。鐵硫聚簇2、輔酶Q類（泛醌）（半醌中間物）（氧化型）（還原型） 輔酶Q(CoQ)又稱泛醌，是脂溶性輔酶。負責(zé)FMNH2到Cyt b的電子轉(zhuǎn)移（復(fù)合體I 復(fù)合體 ） 和FADH2到Cyt b的電子轉(zhuǎn)移（復(fù)合體 復(fù)合體 ）從CoQ開始，2e和2H+分別按各自途徑運行3、琥珀酸-Q還原酶 琥珀酸-Q還原酶又稱為復(fù)合體，它是嵌在線粒體內(nèi)膜的酶蛋白。完整的酶還包括檸檬酸循環(huán)中使琥珀酸氧化為延胡索酸的琥珀酸脫氫酶。 琥珀酸-Q還原酶以及其它的酶，將電子從FADH2

10、轉(zhuǎn)移到COQ上的標準氧還電勢變化不能產(chǎn)生足夠的自由能用以合成ATP。因此，這一步反應(yīng)沒有ATP的形成。但是，它保證FADH2上的具有相對高轉(zhuǎn)移勢能的電子進入電子傳遞鏈。 琥珀酸-Q還原酶含有 FAD、鐵硫聚簇和 CoQ?；|(zhì)復(fù)合體胞液FAD4、細胞色素還原酶 ( cytochrome reductase) 細胞色素還原酶的名稱多種多樣，又稱復(fù)合體，輔酶Q-Cyt c還原酶、 Cyt bc1復(fù)合體或簡稱bc1. Cyt還原酶含有Cyt b、鐵硫中心（2Fe-2S）、 Cyt c1。 Cyt b在細胞色素還原酶中游離存在， Cyt c1共價與蛋白質(zhì)相連。 細胞色素還原酶在呼吸鏈中催化電子從CoQH

11、2轉(zhuǎn)移到Cyt c中。CoQH2 Cyt c2Fe+2Fe+復(fù)合體(Cyt b、鐵硫中心、 Cyt c1)2H+2e血紅素b5、Cyt c Cyt c中血紅素與蛋白質(zhì)的連接。 Cyt c在細胞色素還原酶（復(fù)合體）的Cyt c1和細胞色素氧化酶（復(fù)合體IV）的Cyt a之間傳遞電子。復(fù)合體- Cyt c1復(fù)合體IV-Cyt a2Fe+2Fe+2Fe+2Fe+Cyt c2e(細胞色素還原酶)(細胞色素氧化酶)6、細胞色素氧化酶血紅素A結(jié)構(gòu) 細胞色素氧化酶又稱Cyt c氧化酶（氧化Cyt c而得名）,復(fù)合體IV. Cyt c氧化酶是由Cyt a和Cyt a3兩個氧化還原單位或兩種酶組成。a和a3二者

12、不可分，分開無活性。活性中心含有Fe+和Cu+，通過變價傳遞電子。（五）電子傳遞的抑制劑1、魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素。 其作用是阻斷在NADH-Q還原酶內(nèi)的傳遞，因此阻 斷了電子由NADH向CoQ的傳遞 (FMNH 2 CoQ)2、抗霉素A 干擾細胞色素還原酶中電子從細胞色素b的傳遞作用,從而 抑制電子從還原型CoQ到細胞色素c1傳遞作用(b c1)。3、氰化物，疊氮化物，一氧化碳 阻斷電子在細胞色素氧化酶中傳遞作用（Cyt aa3 O2)三、氧化磷酸化作用(一) 線粒體的結(jié)構(gòu) (二) 氧化磷酸化作用機制 (三) 質(zhì)子梯度的形式 (四) ATP合成機制 (五) 氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制(六)

13、 細胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化(七) 氧化磷酸化的調(diào)控 (八) 葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算 (九) 氧的不完全還原氧化磷酸化 與 底物水平磷酸化 定義 氧化磷酸化(oxiditive phosphorylation): 生物體通過生物氧化所產(chǎn)生的能量，除一部分用以維持體溫外，大部分可以通過磷酸化作用轉(zhuǎn)移至高能磷酸化合物ATP中，此種伴隨放能的氧化作用而進行的磷酸化稱為氧化磷酸化作用。 底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）: 是指直接由一個代謝中間產(chǎn)物的高能磷酸基團斷裂并轉(zhuǎn)移到ADP分子上生成ATP的過程。 底物氧化時，分子內(nèi)能進行了重新分布，形成高能化學(xué)鍵

14、，這一高能鍵（可以不是磷酸鍵）斷裂生成ATP過程。(一)線粒體的結(jié)構(gòu)基質(zhì)嵴內(nèi)膜外膜(二)氧化磷酸化作用機制 1、ATP的合成部位 P/O 定義： 每消耗一個O2分子(應(yīng)為原子或1/2 O2)生成X個ATP. NADH呼吸鏈 P/O = 3 有三處氧化磷酸化生成 3個ATP FADH2呼吸鏈 P/O = 2 有兩處氧化磷酸化生成 2個ATP 2、能量偶聯(lián)假說 （1）化學(xué)偶聯(lián)假說 （2）構(gòu)象偶聯(lián)假說 （3）化學(xué)滲透假說 化學(xué)滲透假說認為，電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。也就是，電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙,從而形成跨線粒體內(nèi)膜的

15、H+電化學(xué)梯度。這個梯度的電化學(xué)電勢驅(qū)動ATP合成.(見圖24-18 )（3）化學(xué)滲透假說簡述圖24-18化學(xué)滲透假說示意圖 圖中表明電子傳遞鏈是一個H+離子泵（質(zhì)子泵）使H+從線粒體基質(zhì)排到內(nèi)膜外，在內(nèi)膜外面的H+濃度比膜內(nèi)高，即形成一種H+濃度梯度，所產(chǎn)生的電化學(xué)電勢驅(qū)動H+通過合成酶系統(tǒng)的F0F1 ATP酶分子上的特殊通道回流到線粒體基質(zhì)，同時釋放自由能與ATP的合成相偶聯(lián)。 電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙,從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度 這個梯度的電化學(xué)電勢驅(qū)動H+通過ATP合酶的特殊通道，回流到線粒體基質(zhì)，同時釋放能量用于合成ATP。(見圖24-18

16、) 注意： “合酶”與“合成酶”區(qū)別，合酶在催化反應(yīng)中沒有ATP直接參加反應(yīng)，如若ATP直接參加反應(yīng)，則是合成酶。(三)質(zhì)子梯度的形式 1、質(zhì)子泵出是需能過程 電子傳遞驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙,結(jié)果造成線粒體內(nèi)膜基質(zhì)的H+濃度低于間隙，線粒體基質(zhì)形成負電勢，而間隙形成正電勢，這樣就產(chǎn)生了質(zhì)子動勢。所需能量來于電子傳遞。 2、質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機制有兩種假設(shè) （1）氧化還原回路機制（圖24-20） （2）質(zhì)子泵機制 （3）合成一個ATP需2-3個跨膜質(zhì)子（H+） (四)ATP合成機制 1、亞線粒體結(jié)構(gòu)(P134圖24-22)。 2、 ATP合酶-F1單元和F0單元結(jié)構(gòu)（見圖24-21）。

17、 3、質(zhì)子流通過 ATP合酶,同時釋出與酶牢固結(jié)合的 ATP分子。 從圖24-24和24-18可見，ATP合酶的作用由質(zhì)子動力驅(qū)動，這種動力由pH梯度和膜電勢產(chǎn)生的。 0.18V的電勢差可導(dǎo)致F0-F1接頭處的 H+濃度比F0通道入口處高1000倍。也就是，0.18V電勢產(chǎn)生的濃度梯度和膜兩邊3個pH單位差所產(chǎn)生的濃度梯度是相同的。如果有3個H+通過ATP合酶的F0-F1接頭處，即導(dǎo)致合成一個ATP分子.線粒體及亞線粒體結(jié)構(gòu)基質(zhì)嵴內(nèi)膜外膜P134圖24-22ATP酶對氧化磷酸化的作用基質(zhì)復(fù)合體胞液ATP合酶 ATP合酶（ATPase) 由Fo和 F1兩單元構(gòu)成。 F1 是球狀結(jié) 構(gòu)，由5種不同

18、多肽鏈組成。Fo 是跨線粒體內(nèi)膜的疏水蛋白。 Fo：英文字母o，不是數(shù)字0見圖24-21 Fo-F1接頭處的 H+濃度比Fo通道入口處高1000倍(五)氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制 1、特殊試劑的解偶聯(lián)作用 根據(jù)影響方式不同可分為三大類， 一類稱為解偶聯(lián)劑（2，4-二硝基酚）， 另一類稱為氧化磷酸化抑制劑 （寡霉素）， 第三類稱為離子載體抑制劑（纈氨霉素）。 2、激素控制褐色脂肪線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)機制使產(chǎn)生熱量 這類抑制劑直接干擾ATP的形成。例：寡霉素抑制氧的利用，又抑制ATP形成，不直接抑制電子傳遞鏈上的載體。這類抑制劑通過增加線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性破壞氧化磷酸化作用。例：纈氨霉素

19、能與K+結(jié)合，增加其通透性加以破壞。（六）細胞溶膠內(nèi)NADH的再氧化 細胞溶膠內(nèi)的NADH不能透過線粒體內(nèi)膜進入線粒體氧化。因此，需要通過兩種“穿梭”途徑解決NADH再氧化問題。在不同組織中，NADH再氧化走不同“穿梭”途徑。1、甘油-3-磷酸穿梭途徑在傳遞NADH電子中的特殊作用。2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑 細胞質(zhì)中除細胞器以外的液體部分稱為細胞溶膠。1、甘油-3-磷酸穿梭途徑在傳遞NADH電子中的特殊作用（P139圖24-28)肌肉、神經(jīng)組織等 甘油-磷酸穿梭作用 胞液內(nèi) 甘油-磷酸脫氫酶 線粒體內(nèi) 甘油-磷酸脫氫酶2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑(P140圖24-29)心臟、肝臟等MDHm

20、 = 線粒體蘋果酸脫氫酶MDHc = 細胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶蘋果酸天冬氨酸蘋果酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸（八）葡萄糖徹底氧化的總結(jié)算 據(jù)當(dāng)前最新測定，H+經(jīng)NADH-Q還原酶、細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵到膜外的細胞溶膠側(cè)時，一對電子泵出的質(zhì)子數(shù)依次為4、2和4，合成一個ATP分子是由3個H+和一個ATP合酶所驅(qū)動。多余的一個H+可能用于將ATP從基質(zhì)運往膜外溶膠(合成一個ATP分子實際是由4個H+完成) 。因此一對電子從NADH傳至氧氣，所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)是2.5個.這樣，當(dāng)一分子葡萄糖徹底氧化成 CO2時所得到的ATP分子數(shù)和過去傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)（38或36）相比少了

21、6個，即30個。氧化還原回路機制（圖24-20） 呼吸鏈各成員既能完成電子轉(zhuǎn)移，又能轉(zhuǎn)移基質(zhì)中的質(zhì)子。在此過程中，一個被還原后接下來又被氧化,即形成一 個氧化還原回路。圖24-20 氧化還原回路機制示意圖輔酶Q調(diào)節(jié)氧化磷酸化電子傳遞的質(zhì)子泵Q 循 環(huán)Q循環(huán)是對氧化還原回路機制的補充和設(shè)想質(zhì)子泵機制 電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象變化，構(gòu)象變化造成復(fù)合體多肽鏈氨基酸側(cè)鏈pK值變化，結(jié)果使氨基酸側(cè)鏈暴露在外，并交替暴露在線粒體內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)，引起質(zhì)子發(fā)生移位流動。這就是質(zhì)子泵機制。合成一個ATP需2-3個跨膜質(zhì)子（H+） 在生理條件下，合成一個ATP需大約+4050 kJ/mol(912kcal )自由能。這個數(shù)值靠一個質(zhì)子流回到線粒體基質(zhì)的跨膜驅(qū)動力是做不到的，至少需要2個質(zhì)子跨膜驅(qū)動力。試驗結(jié)果表明，合成一個ATP需2-3個質(zhì)子（H+）跨膜。 合成一個ATP需2-3個跨膜質(zhì)子（H+） 合成一個ATP需大約+4050kJ/mol(912kc