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(xué)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(jī)制及細(xì)胞溶膠中的NADH再氧化教學(xué)重點(diǎn)：呼吸鏈的組成及功能教學(xué)難點(diǎn)：氧化磷酸化的作用機(jī)制教學(xué)方法：多媒體教學(xué)內(nèi)容：一、氧化磷酸化1、概念:糖，脂，蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)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(xì)胞中進(jìn)行,又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。 真核細(xì)胞，需氧生物氧化多在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在原核細(xì)胞中，需氧生物氧化在細(xì)胞膜上進(jìn)行。2、生物氧化的特點(diǎn)（1）水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。（2）在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化不是同步進(jìn)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(gè)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(gè)逐步進(jìn)行的過程。并且氧化反應(yīng)伴隨著還原反應(yīng)，每一步都由特定的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進(jìn)行反應(yīng)逐步釋放能量，能提高能量利用率,也不會(huì)使體溫驟然升高,損壞機(jī)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(dāng)受氫體是氧時(shí)，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(shí),從線粒體內(nèi)膜中分離到四個(gè)不同的傳遞體復(fù)合物和未組成復(fù)合物的輔酶Q（CoQ）及細(xì)胞色素c(Cytc).四個(gè)不同的傳遞體復(fù)合物分別命名為復(fù)合物、復(fù)合物、復(fù)合物和復(fù)合物。NADH-Q還原酶琥珀酸-Q還原酶細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶（三）呼吸鏈的組成1、復(fù)合物INADH-Q還原酶2、 輔酶Q（泛醌） 3、復(fù)合物II琥珀酸-Q還原酶4、復(fù)合物細(xì)胞色素還原酶（1）結(jié)構(gòu)：復(fù)合物由2個(gè)相同的單體組成的同二聚體，每個(gè)單體含11個(gè)不同的亞基，每個(gè)單體含1個(gè)功能核心，每個(gè)功能核心含3種輔基。 （2）功能：在伸向線粒體基質(zhì)部分有2個(gè)CoQ結(jié)合位點(diǎn)，分別叫Q內(nèi)（近線粒體基質(zhì)）；Q外（近線粒體膜間隙），復(fù)合物以Q 循環(huán)方式傳遞電子，它使QH2上的兩個(gè)電子分為兩路傳遞，一個(gè)QH2的2個(gè)電子，其中一個(gè)電子通過細(xì)胞色素C1，另一個(gè)電子通過細(xì)胞色素b分別還原兩個(gè)細(xì)胞色素c，Q本身被氧化。另一個(gè)QH2的2個(gè)電子，其中一個(gè)電子通過細(xì)胞色素C1傳到細(xì)胞色素C，另一個(gè)電子通過細(xì)胞色素b傳給氧化型Q生成QH2。一個(gè)單體將線粒體基質(zhì)的2個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙，2個(gè)單體共轉(zhuǎn)移4個(gè)質(zhì)子到膜間隙。（3）細(xì)胞色素類：1）細(xì)胞色素(cyt)類是以血紅素為輔基的紅色或褐色的蛋白質(zhì)，是呼吸鏈的電子傳遞體，生物體中的細(xì)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(xì)胞色素對(duì)可見光具有吸收現(xiàn)象,可看到、和三個(gè)光譜吸收峰，這是區(qū)別不同細(xì)胞色素的重要標(biāo)志，根據(jù)吸收光譜不同將細(xì)胞色素分為a、b、c三類，哺乳動(dòng)物的線粒體中至少有b、c、c1、a和a3五種，a和a3以復(fù)合物的形式存在呼吸鏈的末端。氧化型細(xì)胞色素沒有吸收峰的存在。3）不同種類的細(xì)胞色素-吸收峰的波長和位置有所不同，如細(xì)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(xì)胞色素的輔基血紅素是有區(qū)別的.細(xì)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(xì)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(jié)構(gòu)上略有不同. 5）不同的細(xì)胞色素的的輔基血紅素中鐵原子與卟啉環(huán)和蛋白質(zhì)結(jié)合形成的化學(xué)鍵數(shù)不同： 細(xì)胞色素a3形成5個(gè)配位鍵，其余的細(xì)胞色素形成6個(gè)共價(jià)鍵和配位鍵。所以只有a3能與O2結(jié)合，也可與CO、CN-等結(jié)合。5、細(xì)胞色素c（cyt.c）細(xì)胞色素c是唯一能溶于水的細(xì)胞色素，也是唯一處于線粒體膜間隙的細(xì)胞色素。是當(dāng)前了解最清楚的細(xì)胞色素。由104個(gè)氨基酸殘基組成，一條多肽鏈，同源性很強(qiáng)，可作為研究生物系統(tǒng)進(jìn)化的一個(gè)指標(biāo)。細(xì)胞色素c它能交互地與細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合物III）的細(xì)胞色素c1和細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合物IV）接觸，作用是在復(fù)合物III和復(fù)合物IV之間傳遞電子。它是呼吸鏈中唯一一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同6、復(fù)合物細(xì)胞色素c氧化酶結(jié)構(gòu)：哺乳動(dòng)物的復(fù)合物含13個(gè)亞基，細(xì)菌含34個(gè)亞基，該復(fù)合物共有4個(gè)氧化還原中心功能：是把細(xì)胞色素c的電子傳遞給氧。所以叫細(xì)胞色素氧化酶。電子在復(fù)合物的傳遞從cytC開始，2個(gè)還原型細(xì)胞色素c各將一個(gè)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(fù)合物IV可將線粒體基質(zhì)中的2個(gè)H+轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)氧化還原電對(duì)（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(jìn)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(gè)代謝中間物（如PEP）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gè)放能過程。其中有三個(gè)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(shí)間內(nèi)所消耗的一摩爾氧所消耗的無機(jī)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(jī)理：化學(xué)滲透學(xué)說（主要的）；化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說；結(jié)構(gòu)偶聯(lián)學(xué)說化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：這個(gè)學(xué)說是英國學(xué)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(xué)梯度，線粒體內(nèi)膜必須是完整的封閉的，氧化磷酸化才能進(jìn)行。（2）呼吸鏈中遞H體與遞e體是間隔交錯(cuò)排列的，并且在線粒體內(nèi)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(gè)傳H體接過來的，而是從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)中直接吸取的，當(dāng)傳H體從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)外側(cè)。（4）H+不能自由返回線粒體內(nèi)膜，形成線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+內(nèi)側(cè)。在線粒體內(nèi)膜內(nèi)、外兩側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度。 這種內(nèi)負(fù)外正的電位差，蘊(yùn)含著一定的能量。（5）線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+有順濃度差返回基質(zhì)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(nèi)側(cè)所釋放的自由能來合成ATP。（6）每對(duì)電子通過NADH-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶時(shí)，泵出的電子數(shù)分別是：4個(gè)、4個(gè)和2個(gè)（王鏡巖的書是4，2和4個(gè)），這樣一對(duì)電子從NADH-Q還原酶到氧，共有10個(gè)H+從線粒體基質(zhì)泵出到內(nèi)膜外側(cè)。（7）每合成1molATP需3個(gè)質(zhì)子通過ATP合酶，同時(shí)產(chǎn)生的ATP從在線粒體基質(zhì)運(yùn)送到胞質(zhì)中要消耗1個(gè)H+，即每形成一個(gè)ATP消耗4個(gè)H+，這樣一對(duì)電子從NAD-Q還原傳遞到氧將產(chǎn)生2.5molATP，P/O是2.5；一對(duì)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(jié)構(gòu)（1）線粒體內(nèi)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(fù)合物，所以又叫F1Fo-ATP合酶，是線粒體內(nèi)膜上棒狀小顆粒。（2）F1是突出于線粒體內(nèi)膜上的球狀結(jié)構(gòu)，由9個(gè)（5種）亞基組成，分別表示為33，F(xiàn)1單獨(dú)存在時(shí)催化ATP水解，具有ATP酶的活性。以 ATP酶復(fù)合物形式存在時(shí)能催化ATP合成。（3）Fo鑲嵌在線粒體內(nèi)膜并橫跨內(nèi)膜蛋白， 含有質(zhì)子穿膜到達(dá)F1的通道。柄：連接F1和Fo的部位，含兩種蛋白質(zhì)，其中一種能使酶復(fù)合體對(duì)寡霉素產(chǎn)生敏感性，是質(zhì)子由Fo到F1的通道，當(dāng)寡霉素與Fo的亞基結(jié)合時(shí)，會(huì)抑制H+通過Fo，所以有控制質(zhì)子流的作用。 （4）當(dāng)質(zhì)子通過Fo返回線粒體基質(zhì)時(shí),觸發(fā)c亞基旋轉(zhuǎn),c亞基帶動(dòng)、和（）3復(fù)合物一起旋轉(zhuǎn)，使和亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致ATP合成。質(zhì)子流通過ATP合酶同時(shí)釋放與酶牢固結(jié)合的ATP（5）Paul Boyer提出ATP合酶催化ATP合成的“結(jié)合變化機(jī)制”。97年獲諾貝爾獎(jiǎng)，結(jié)合變化機(jī)制認(rèn)為：在ATP合酶F1上有三個(gè)相互作用的催化原體，每個(gè)原體以不同的構(gòu)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(jié)合，對(duì)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(jié)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(jié)合。在L部位結(jié)合一個(gè)ADP和Pi，在T部位結(jié)合一個(gè)ATP，當(dāng)質(zhì)子通過F0返回線粒體內(nèi)基質(zhì)時(shí)，質(zhì)子流驅(qū)動(dòng)三種構(gòu)象態(tài)相互轉(zhuǎn)換，T位O位L位T位；進(jìn)入T位的ADP和Pi合成ATP。當(dāng)ATP所處的部位變?yōu)镺位時(shí)，ATP就會(huì)從O上解離下來。同時(shí)結(jié)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(zhì)子的流動(dòng)產(chǎn)生的能量主要促進(jìn)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(jìn)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(gè)亞基結(jié)合來干擾質(zhì)子返回線粒體基質(zhì),使 ATP不能合成,同時(shí)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