第二章   生物氧化
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第二章 生物氧化 ( 电子传递与氧化磷酸化 ). 第一节 氧化还原电势 第二节 生物氧化概述 第三节 电子传递链(呼吸链 ) 第四节 氧化磷酸化 第五节 线粒体穿梭系统. 1- 还原电势. 第一节、氧化还原电势. 一、氧化还原电势: 1 、概念: 氧化还原反应: 凡在反应过程中有电子从一种物质(还原剂)转移到另一种物质(氧化剂)的化学反应。往往是可逆的 还原剂: 在氧化还原反应中提供电子的物质。 氧化剂: 夺得电子的物质 (氧化)还原电势: 还原剂失去电子(氧化剂得到电子)的倾向。.

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第二章 生物氧化 ( 电子传递与氧化磷酸化 )

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第二章 生物氧化(电子传递与氧化磷酸化)

第一节 氧化还原电势

第二节 生物氧化概述

第三节 电子传递链(呼吸链)

第四节 氧化磷酸化

第五节 线粒体穿梭系统


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1-还原电势

第一节、氧化还原电势

  • 一、氧化还原电势:

  • 1、概念:

  • 氧化还原反应:凡在反应过程中有电子从一种物质(还原剂)转移到另一种物质(氧化剂)的化学反应。往往是可逆的

  • 还原剂:在氧化还原反应中提供电子的物质。

  • 氧化剂:夺得电子的物质

  • (氧化)还原电势:还原剂失去电子(氧化剂得到电子)的倾向。

  • 氧化-还原电子对:氧化剂和还原剂相偶联构成的,任何氧化还原电子对都有特定的标准电势


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1-还原电势-概念

原电池

正极

负极

Cu电极标准电极势: +0.34V

Zn电极标准电极势: -0.763V

Zn + Cu2+↔ Zn2+ + Cu

还原剂 氧化剂 被氧化 被还原

负极反应: Zn↔Zn2++2e E0 Zn2+/Zn= - 0.76V

两个半反应

正极反应: Cu↔Cu2++2e E0 Cu2+/Cu=+ 0.34V

ΔE0= E0正极-E0负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V


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1-还原电势-概念

[氧化剂]a

RT

[还原剂]b

nF

2、电极电势计算:

a[氧化态] + ne = b [还原态]

任意电极电位(电势)的能斯特方程:

ln

E= E0 +

F:法拉第常数 (96485库仑/mol)

T:绝对温度

R:气体常数 (8.314焦耳/升·摩尔)

N:为电子价数的变化


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1-还原电势-概念

Fe2++Cu2+ Fe3++Cu+

AH2+B A+BH2

RH+½O2 ROH

3、电子转移的方式

(1)电子形式转移:

(2) 氢原子形式的转移:

(3) 有机还原剂直接加氧时,电子转移至O:

(4) 电子以氢负离子(:H-)的形式转移


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1-还原电势-生物体内还原电势

二、生物体内的氧化还原电势

生物体内所有的工作都直接或间接地依赖氧化还原反应中的电子流,电子流能为生物化学做功。

  • “生物学电路”:电子源=相关的还原性化合物如葡萄糖;通过酶促氧化,释放的电子通过电子传递体自然地流向另一具有高电子亲和力地物质如O2

  • 在非光和作用生物体中,电子源=还原性化合物(食物)

    在光和作用生物体中,最初的电子供体=受吸收光激发的化学物质

  • 如果存在2种对电子有亲和力的物质,那么电子能够通过“连接线路”在两种物质间自然流动,通过电动势驱动到另一亲电子物质


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1、自由能和氧化还原电势的关系

生物体内的氧化还原反应基本原理和化学电池一样,也可做成化学电池。

△G=-Wmax 且电池所做的最大功 = 电势差×电量

△G0’ = -Wmax = -nF△E0′

n = 转移电子数

F = 法拉第常数

(1摩尔 = 6.02×1023个电子 = 1法拉第 = 96485库仑/摩尔=96.5KJ/V.Mol=23.062Kcal/Mol)


P 117

1-还原电势-生物体内还原电势

生物体内一些反应的标准氧化还原电势(P117)


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1-还原电势-生物体内还原电势

  • 电子从E0′值小的物质转移到E0′大的物质

  • △E0′=E0′电子受体-E0′电子供体

  • △G0’ = -nF△E0′△E0′ > 0 △G0 ’<0

练习

例题


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2-生物氧化-概念

第二节 生物氧化概述

一、生物氧化概念:

有机物的C→CO2(脱羧作用:如TCA)

有机物的H+O2→ H2O(氧化的电子传递过程)

当有机物被氧化成CO2和H2O时,释放的能量是如何贮存在ATP中(氧化磷酸化)

广义生物氧化

狭义生物氧化


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2-生物氧化-特点

二、生物氧化的特点:

  • 酶促反应(是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步完成)

  • 条件温和(常温常压、近中性pH、有水的活细胞中)

  • 复杂的氧化还原过程

  • 逐步放能,以ATP形式储存和转运能量

  • 真核细胞在线粒体,原核细胞在细胞质进行。


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2-生物氧化-类型

三、生物中氧化还原类型:

在生物氧化过程中,主要包括如下几种氧化方式。

1.脱氢氧化反应

(1)脱氢

  • 催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。

琥珀酸脱氢酶


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2-生物氧化-类型

O

O

H

C

C

C

O

O

H

H

C

H

C

H

C

O

O

H

3

3

+

N

A

D

N

A

D

H

(2)加水脱氢

  • 如乳酸脱氢酶

  • 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。


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2-生物氧化-类型

2.氧直接参加的氧化反应

  • 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。

    甲烷单加氧酶

    CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O

  • 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应,反应产物为水。是各种脱氢反应中产生的氢质子和电子的最后氧化形式。

练习


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3-呼吸链-线粒体

第三节 电子传递链(呼吸链)

一、线粒体的通透性

  • 外膜:自由透过小分子和离子

  • 内膜:

    • 不能自由透过小分子和离子,包括NADH、ATP、ADP、Pi和 H+。

    • 有电子传递体、ATP合酶(FoF1)

  • 膜间隙:含有许多可溶性酶、底物和一些辅助因子。基质:有丙酮酸脱氢酶、TCA的酶、脂肪酸氧化的酶、氨基酸氧化的酶、DNA、核糖体、ATP、ADP、Pi、Mg2+、可溶的中间产物、其他酶

线粒体结构模式图


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3-呼吸链-线粒体

线粒体嵴的ATP合酶分子组成


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3-呼吸链-概念

二、电子传递链(ETS)概念

概念:线粒体内膜(真核)上由多种蛋白质复合物组成并按一定的顺序排列,能传递质子和电子的连续反应体系。

类型:NADH呼吸链 FADH2呼吸链


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3-呼吸链-组成

三、电子传递链的组成:

1、黄素蛋白类(FP)

与电子传递有关的黄素蛋白有两种,分别以FMN或FAD为辅基

NADH + H+ + FMN ↔ NAD++ FMNH2

琥珀酸 + FAD ↔ 延胡索酸 + FADH2

作用:传递电子和质子


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3-呼吸链-组成

铁硫蛋白中的铁硫簇

2、铁硫蛋白(Fe-S)

含铁硫络合物的蛋白质,又称非血红素铁蛋白。铁硫簇和蛋白质相聚合,有(Fe-S) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在

作用:通过铁的价态变化而传递电子


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3-呼吸链-组成

3、辅酶Q( CoQ,又叫泛醌,又简称Q)

ETS上唯一的非蛋白组分,是脂溶性醌类化合物,可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇( CoQH2),处在呼吸链的中心地位。与蛋白质结合不紧,在黄素蛋白类与细胞色素类之间起载体作用。

作用:传递质子和电子


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3-呼吸链-组成

4、细胞色素类

一些以铁卟啉为辅基的色素蛋白

作用:通过辅基中铁的价态变化而传递电子

Ctyb、Ctyc1、Cytc Cyta、Cyta3

辅基血红素

辅基血红素a,还含两个必需的铜离子

其中Cytc为线粒体内膜外侧的外周蛋白,其余均为内膜上的整合蛋白


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3-呼吸链-组成

细胞色素血红素结构


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3-呼吸链-组成

功能:单电子传递体


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3-呼吸链-组成

上述ETS组分除Cytc和泛醌外,其余组分形成嵌入内膜的复合物:

复合体Ⅰ:NADH脱氢酶,NADH-Q(氧化)还原酶

  • 线粒体上最大的蛋白质复合体,含43条肽链,包括含一分子的黄素蛋白和多种铁硫蛋白。

  • 辅基:FMN,铁硫簇

  • 功能:将两个电子从NADH传递给CoQ


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3-呼吸链-组成

膜间隙

复合体Ⅰ

线粒体基质


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3-呼吸链-组成

线粒体内外膜间隙

电子转移

QH2

电子转移

内膜

FMNH2

Fe-S

FMN

Q

NAD+

线粒体内基质

NADH

4H+

复合体Ⅰ

2H+

H+

通过复合体Ⅰ中的电子流


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+e

+ H

+H+

+H+

H

+2H

NAD(P)+ NAD(P)H+H+

e

-2H

H

H

H+

尼克酰胺核苷酸的作用原理

2H


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3-呼吸链-组成

膜间隙

复合体Ⅱ:琥珀酸-Q(氧化)还原酶

  • 包括以FAD为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白(3个铁硫簇为辅基)

  • 辅基:FAD,铁硫簇

  • 功能:催化电子从琥珀酸转移到泛醌


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3-呼吸链-组成

膜间隙

QH2

电子转移

电子转移

内膜

FADH2

Fe-S

FAD

Q

2H+

2e-

琥珀酸

延胡索酸+2H+

基质

复合体Ⅱ

通过复合体Ⅱ中的电子流


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3-呼吸链-组成

复合体Ⅲ:辅酶Q-细胞色素C还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素bc1复合体

  • 包括Cytb、Cytc1、铁硫蛋白

  • 辅基:血红素、铁硫簇

  • 功能:催化电子从还原型辅酶Q(QH2)传递给细胞色素C


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3-呼吸链-组成

膜间隙

2H+

c

QH2

电子转移

内膜

电子转移

c1

b

Fe-S

2e-

2e-

2e-

Q

基质

4H+

复合体Ⅲ

通过复合体Ⅲ中的电子流


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3-呼吸链-组成

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶

  • 包括Cyta、Cyta3和含铜蛋白

  • 催化电子从还原型Cytc传递到O2


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3-呼吸链-组成

复合体Ⅳ

C

膜间隙

a-CuA

a3-CuB

内膜

e-

e-

基质

O2

H2O

2H+

2H+

通过复合物Ⅳ中的电子流


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3-呼吸链-顺序

四、电子传递链的排列顺序

1、电子传递链的顺序:

  • 电子传递方向按电子亲和力增加的方向传递;

  • 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低,H2O/O2最高)


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3-呼吸链-顺序

NADH呼吸链:

FADH2呼吸链:


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3-呼吸链-顺序


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3-呼吸链-顺序

线粒体电子传递链

动画


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3-呼吸链-顺序

2、电子传递链的顺序确定方法:

  • 测定电子传递链中各组分的氧化还原电位

  • 用分光光度法通过吸收光谱的变化;

  • 利用电子传递抑制剂选择性阻断来测定。

  • 用分离的电子传递体进行体外重组实验。


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3-呼吸链-抑制剂

鱼滕酮

安密妥

杀粉蝶

菌素A

CN-

CO

H2S

N3-

抗霉素A

五、电子传递抑制剂

练习


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4-氧化磷酸化-概念

一、概念

第四节、氧化磷酸化

氧化磷酸化:电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用,或者氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。

方程式:

NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2 → NAD++3H2O+3ATP

三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。


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电子通过复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时释放的自由能:

NADH+CoQ→NAD++CoQH2

ΔE0’=0.36V ΔG0’=-69.5 KJ/Mol

FADH2+ CoQ→FAD+CoQH2

ΔE0’=0.015V ΔG0’=-2.9 KJ/Mol

CoQH2+Cytc(ox)→CoQ+Cytc(red)

ΔE0’=0.19V ΔG0’=-36.7 KJ/Mol

Cytc(red)+1/2O2→ Cytc(ox)+H2O

ΔE0’=0.58V ΔG0’=-112 KJ/Mol


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4-氧化磷酸化-ATP合成

二、ATP的合成

1、P/O比

每消耗一个氧原子所形成的ATP数或每对电子经过呼吸链所形成的ATP数。

测定长呼吸链中P/O比为3(3个部位生成ATP)

短呼吸链中P/O比为2(2个部位生成ATP)


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4-氧化磷酸化-ATP合成

电子传递链中生成ATP的部位

2、ATP合成部位(氧化磷酸化偶联部位)

NADH的P/O比为3,ATP是在3个不连续的部位生成的:

①NADH CoQ NADH脱氢酶

②CoQ CytcCytC还原酶

③CytcO2 CytC氧化酶


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4-氧化磷酸化-机理

三、氧化磷酸化偶联机理

(一)ATP酶复合体(ATP合酶)

  • 线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒,称为ATP酶复合体,是ATP合成的场所。

  • ATP合酶,由两个主要部分F1和Fo组成:

    F1含有5种不同的亚基(按3、3、1、1和1的比例结合)。活性中心位于亚基上,是合成ATP的催化部位

    Fo:为一个疏水蛋白,含有质子通道。是与线粒体电子传递系统连接的部位。


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4-氧化磷酸化-机理

基质

膜间隙


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4-氧化磷酸化-机理

ATP酶的工作方式

膜间隙

基质


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4-氧化磷酸化-机理


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4-氧化磷酸化-机理

(二)氧化磷酸化机理

1、化学偶联假说:电子的传递过程中产生高能中间化合物,随后高能中间化合物释放能量,使ADP生成ATP

2、构像偶联假说:电子传递过程中使内膜蛋白形成了高能构象,构象转化释放能量,使ADP生成ATP

3、化学渗透学说:1961年由P.Mitchell提出,此假说得到多数人的支持


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4-氧化磷酸化-机理

化学渗透假说的内容

1) 电子传递释放的自由能驱动线粒体内膜三大复合体(复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ)将H+从基质一侧泵到膜间隙,整个过程共泵出10个H+

2)线粒体内膜对H+不通透,造成跨膜H+电化学梯度(质子浓度梯度和电位梯度合称)

3)H+通过F1-Fo-ATPase回流时,释放能量,驱动ATP生成


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4-氧化磷酸化-机理


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4-氧化磷酸化-机理

化学渗透假说的一些证据

  • 氧化磷酸化需要完整的线粒体内膜

  • 随着细胞呼吸的进行,线粒体外室的pH降低

  • 人为建立的pH梯度同时加入ADP和Pi,发现合成了ATP。

  • 破坏H+浓度的试剂能够破坏氧化磷酸化

  • 分离纯化得到F1-Fo-ATPase(最直接的证据)

不足:合成1分子ATP需要有多少H+通过F0?

CoQ在电子传递链中的变化?

ATP合成的分子机制?


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4-氧化磷酸化-抑制

四、氧化磷酸化的解偶联和抑制

1、解偶联剂:

作用:使氧化(电子传递)和磷酸化(形成ATP)两个偶联的过程相分离,只抑制ATP的形成过程,而不抑制电子传递过程,使电子传递所产生的自由能以热能形式释放。

(注意电子传递抑制剂:阻断电子传递,也不生成ATP)

解偶联剂如:DNP(2,4-二硝基苯酚)

FCCP(三氟甲氧基苯腙羰基氟化物)


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4-氧化磷酸化-抑制

NO2

NO2

NO2

NO2

H+

H+

NO2

NO2

NO2

NO2

O-

OH

OH

O-

解偶联剂DNP的抑制原理:破坏跨膜H+梯度

在正常生理条件下DNP是解离形式,不能透过线粒体内膜,在酸性环境下DNP接受质子成为脂溶性物质,透过内膜,同时将质子H+带入内膜内,破坏了跨膜H+梯度而引起解偶联现象。


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4-氧化磷酸化-抑制

2、氧化磷酸化的抑制剂

作用:直接作用于ATPase复合体而抑制ATP的合成;间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。

这类抑制剂有寡霉素,DCCD。

寡霉素抑制原理:与Fo-F1-ATPase复合体Fo的一个亚基结合,“堵塞”了其内的质子通道,阻止内膜外的H+回流到基质内。


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4-氧化磷酸化-抑制

3、离子载体抑制剂

是一类脂溶性物质,与某些离子结合,并作为它们的载体,使这些离子能够穿过膜,破坏电化学梯度,从而破坏氧化磷酸化过程。

与解偶联剂区别:增加内膜对一价阳离子(H+除外)的通透性。

如:短杆菌肽、缬氨霉素、芸香霉素

例题

练习题

作业


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5-线粒体穿梭系统

第五节、线粒体外NADH的穿梭

NAD+和NADH不能自由地透过线粒体内膜,在胞液内生成的NADH必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体内。

1、α-磷酸甘油穿梭系统:一对氢原子只能产生2分子ATP (肌细胞、脑细胞)


2 cell

5-线粒体穿梭系统

2、苹果酸-天冬氨酸穿梭:(心肝Cell)

  • 通过该穿梭,一对氢原子可产生3分子ATP

练习题


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本 章 重 点

△G0’ = -nF△E0′

电子传递链的组成

电子传递顺序

电子传递抑制剂

氧化磷酸化的概念

氧化磷酸化的机理

氧化磷酸化的抑制


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