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4.3.2 需传递链的生物氧化体系. 由多个酶进行催化 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的传递体传递给氧. 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶 三种以上的酶系,包括 NAD + 型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶. 第五节 电子传递链. 5.1 Concept and history 生物氧化体系解决的是呼吸状态下有机物脱氢及氢的去路问题,即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子,最终把氢和电子交给氧生成水,并产生 ATP 的问题。.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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4 3 2
4.3.2 需传递链的生物氧化体系
  • 由多个酶进行催化
  • 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的传递体传递给氧
  • 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶
  • 三种以上的酶系,包括NAD+型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶
slide2
第五节 电子传递链
  • 5.1 Concept and history

生物氧化体系解决的是呼吸状态下有机物脱氢及氢的去路问题,即解决有机物是如何通过一系列特异性的酶催化的反应脱氢、递氢和递电子,最终把氢和电子交给氧生成水,并产生ATP的问题。

slide3
电子传递(electron transfer): 底物脱下的氢和电子经过系列载体的序列氧化还原反应,最终把电子和氢质子传递给受体的过程,称之为电子传递。
  • 电子传递链(electron transfer chain): 由一系列递氢体和递电子体组成的氧化还原反应链,称之为电子传递链。参与底物氧化的电子传递链也叫做呼吸链(respiration chain)。
  • 递氢体:电子传递链中同时参与传递H+与电子的辅酶或辅基
  • 递电子体:电子传递链中参与传递电子的辅酶或辅基
slide4
呼吸链的研究过程

1925

1935

1900-1920

21世纪

Szent-Györgyi

Who ?

Thunmburg & Vieland

Warburg

Keilin

Us!

生物氧化中氢与氧的激活都是必需的,黄素酶参与电子传递

生物氧化需要含铁的呼吸酶,氧激活是生物氧化的基本机制

生物氧化主要是氢激活

细胞色素起电子传递的作用

机制

slide5
5.2 呼吸链的组成及其作用机制
  • 5.2.1 吡啶核苷酸与吡啶核苷酸型脱氢酶

吡啶核苷酸型脱氢酶,属脱氢酶类,包括脱氢酶复合物,但它们的辅酶大多相同,主要有两种:

NAD+(CoI):Nicotinamide AdenineDinucleotide

NADP+(CoII): Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate

分子中起递氢作用的是烟酰胺,能反复氧化和还原,起到接受氢和提供氢的作用而传递氢。

根据NAD(P)+的光谱变化进行测定

5 2 2
5.2.2 黄素脱氢酶类
  • 是一类不需氧的含黄素的脱氢酶;
  • 种类多,酶蛋白不同,辅基有两种:

黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide,FMN);

黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide, FAD)

  • 此类酶催化由NADH分子上脱氢(NADH脱氢酶,酶蛋白称为FP1),生成FMNH2,或催化由琥珀酸分子上脱氢(琥珀酸脱氢酶,酶蛋白称为FP2)生成FADH2。
5 2 3 iron sulfur centers
5.2.3 铁-硫中心(Iron-sulfur Centers, 铁硫蛋白)
  • 铁硫中心(Fe-S):铁硫蛋白中铁与无机硫原子和/或蛋白质中Cys残基的硫原子相连所形成的活性基团。
  • 铁硫中心的结构:最简单的是单铁原子与4个Cys的-SH相连;更复杂的是有2个或4个铁原子。Rieske铁硫蛋白则为1个铁原子与两个His残基相连。
iron sulfur centers1
铁-硫中心(Iron-sulfur Centers)
  • 功能:所有的铁硫蛋白参与一个电子的转移,其中的铁原子或被氧化、或被还原,线粒体中至少有8个铁硫蛋白参与电子传递。
5 2 4 q coenzyme q coq
5.2.4 辅酶Q(Coenzyme Q,CoQ)
  • 脂溶性醌类化合物,有一个长的异戊二烯侧链,因广泛存在得名,又称泛醌(Ubiquinone) 。位于线粒体内膜。
  • 辅酶Q为电子和质子载体。CoQ在呼吸链中接受黄素脱氢酶传递过来的H,本身被还原为氢醌,再把H传递给Cyt体系而被氧化,接受1 e变为半醌自由基,接受2e变为氢醌(QH2)。
5 2 4 q coenzyme q coq1
5.2.4 辅酶Q(Coenzyme Q,CoQ)
  • CoQ不仅接受NADH脱氢酶的H,还接受线粒体内其它脱氢酶的H,如琥珀酸脱氢酶,脂酰CoA脱氢酶及其它黄素脱氢酶脱下的H,在电子传递链中处于中心地位。
slide13

辅酶Q的氧化还原

氧化型泛醌

半醌自由基

氢醌

5 2 5 cytochromes
5.2.5 细胞色素(cytochromes)
  • 结构:细胞色素是一类色蛋白,以血红素为辅基
  • 功能:在电子传递链中起传递电子的作用:通过血红 素中Fe原子的价态变化传递电子(血红蛋白与 肌红蛋白的血红素不发生价态变化)
  • Fe3+ + e- Fe2+
  • 血红素结构是划分细胞色素的依据 a, a3, b, c, c1…..
  • 都是膜结合蛋白,只有Cyt c是可溶的
slide15

不同的血红素有不同的特征吸收谱带;

  • 血红素的氧化态与还原态的光吸收是不同的
cytochrome c
Cytochromec
  • 分子量为~13,000;
  • 唯一水溶性的细胞色素;
  • 位于线粒体内膜的外测;
  • 每次接受和传递一个电子
cytochrome c oxidase
Cytochrome c oxidase:
  • 血红素结构不同,非共价键;
  • 含有Cu离子,通过价态变化传递电子;
5 3 the order of the electron transferring chain
5.3 电子传递链各组分的排列顺序The order of the electron-transferring chain

从NADH→O2的电子传递顺序:

NADH

→FP1→4FeS

→CoQ

→(2FeS)

Cyt b

→Cyt c1

→Cyt c

Cyt a1a3

→O2

5 3 1
5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据
  • (1)氧化还原电位的测定:

电子传递链的每一个组分都有氧化型和还原型,构成一个半电池

电子流

势能

电位

5 3 11
5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据
  • (2)电子传递链的体外重组实验

证明电子传递有顺序,不能越位进行

5 3 12
5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据
  • (3)电子传递链复合体的分离

复合物在电子传递功能上顺序地联在一起

5 3 13
5.3.1 电子传递链排列顺序的实验证据
  • (4)光谱学测定

在完全还原的电子传递链中,加入氧后测得各递体的氧化顺序发生。

slide25

以上实验或试验证实了从NADH→O2的电子传递顺序:以上实验或试验证实了从NADH→O2的电子传递顺序:

slide26
5.4 电子传递链中的复合体
  • 复合体Ⅰ:NADH脱氢酶复合体

也称NADH:泛醌氧化还原酶,是一个大的酶复合物,由42条不同的多肽链组成,包括含FMN黄素蛋白和至少6个铁硫中心。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形,L的一个臂在膜内,另一臂伸展到基质中。

slide27
复合体Ⅰ:NADH脱氢酶复合体

复合物I催化两个同时发生的偶联过程:

(1)NADH + H+ + Q  NAD+ + QH2

(2)4个质子由基质转到内膜外

因此,复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵,结果内膜基质面变负,内膜外侧变正。

slide29
复合物Ⅱ :琥珀酸到泛醌

也称琥珀酸脱氢酶,是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜结合的酶,虽比复合物Ⅰ小而简单,但含有两类辅基和至少4种不同的蛋白,1个蛋白与FAD及有4个铁原子的Fe-S中心共价结合;1个铁硫蛋白。电子由琥珀酸流向FAD,然后通过Fe-S中心到泛醌。

呼吸链上还有其他底物的电子流经Q,但不经过复合物II,如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶等(见图)。

slide31
复合物Ⅲ :泛醌到细胞色素c

又称细胞色素bc1复合物,或泛醌:细胞色素c氧化还原酶。偶联催化电子由氢醌到Cyt c的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。

复合物Ⅲ和Ⅳ结构的确定(1995-1998,X-射线晶体学)是线粒体电子转移研究的里程碑。复合物Ⅲ是一个由相同单体组成的二聚体,每个单体含有11个不同的亚基。

cyt c bc 1 coq cyt c
复合物Ⅲ :泛醌到Cyt c(细胞色素bc1复合物或CoQ: Cyt c氧化还原酶)

Cyt b562

Cyt b566

Cyt c1

铁硫蛋白

其它6种蛋白

含有约10条以上多肽链

主要催化Q循环

q the q cycle
Q循环(The Q Cycle)

根据复合物Ⅲ的结构和氧化还原反应详细的生物化学研究,提出了电子经复合物Ⅲ的Q循环:

QH2 + 2cyt c1(氧化型)+ 2HN+  Q + 2cyt c1(还原型)+ 4Hp+

转移的净效应:QH2被氧化成Q,2 cyt c被还原,释放4 H+到内膜外空间 。这种通过辅酶Q氧化还原的循环变化进行的电子传递方式称为Q循环。

slide36

QH2在线粒体内膜的P侧释放1H+,提供1 e到Cyt b,氢醌氧化为半醌;

  • 半醌释放1H+,电子传递给Cyt c1 (通过Fe-S中心),半醌氧化为醌并转至N侧;
  • Q 接受由Cyt b传递的1 e 并从基质中利用1H+还原为半醌;
  • 半醌接受ComplexⅠ或Ⅱ传递的电子,再从基质中利用1H+,完全还原为氢醌。

P: Positive; N: Nagative

c o 2
复合物Ⅳ:细胞色素C到O2
  • 复合物Ⅳ又称细胞色素氧化酶,在呼吸链的最后一步,把Cyt c的电子转移给O2,使其还原生成H2O。
  • The complex has a large molecule (MW 204 kD) and consists more than ten subunits (13);
c o 21
复合物Ⅳ:细胞色素C到O2
  • Contains 4 redoxin centers:
    • Two heme A and two copper ions (in different environment) act as cofactors:
      • subunit Ⅰ has 2 hemes (a、a3) and one copper ions (CuB)
      • subunit Ⅱ has 2 copper ions (CuA)
  • Four electrons are transferred for complete reduction of O2,and 4H+ transferred out of the inner membran of the mitochondria.
slide40

电子传递的顺序为:Cyt c-CuA-a-a3-CuB-O2,每4 e通过复合物时,酶从基质中消耗4个“底物”H+,生成2 H2O,每通过1 e,利用氧化还原反应的能量泵出1 H+到内膜外空间。

slide42
5.5 线粒体中的两类电子传递链
  • 5.5.1 NADH·H+电子传递链—多酶体系电子传递链

α-酮戊二酸

丙酮酸

苹果酸

异柠檬酸

谷氨酸

β-羟酯酰-CoA

FP6

FP5

NAD+ →FP1 → → → → →O2

slide43
5.5 线粒体中的两类电子传递链
  • 5.5.2 琥珀酸型电子传递链—二酶体系电子传递链

琥珀酸 FP2

磷酸甘油 FP3

酯酰-CoA FP4

CoQ→(2FeS) → → → →O2

slide44
5.6 电子传递的能量计算
  • 从NADH → O2的电子传递过程中

Eº’NAD+/NADH= -0.32

Eº’O2/H2O = 0.82

∴ ΔEº’= + 0.82 – (-0.32) = 1.14 (V)

∴ ΔGº’= -nFΔEº’= -2 × 23.062 ×1.14

= -52.7 (kcal/mol) = - 220 kJ/mol

  • 同理,琥珀酸型电子传递链

FADH2→ O2ΔGº’= -152 kJ/mol

  • 能量利用率:(30.54 × 3/220) × 100% ≈ 42%
slide45
第六节 电子传递与ATP合成
  • 细胞内ATP 的产生一定是在ADP水平上

ADP + Pi → ATP

  • 异养生物体内高能磷酸键的形成方式有两种:底物水平(基质水平,或底物)磷酸化、电子传递水平(氧化)磷酸化。
6 1 substrate level phosphorylation
6.1 底物水平磷酸化 (Substrate Level Phosphorylation)
  • 底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间化合物;
  • 高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形成的;
  • 高能键通过转磷酰基给ADP,转移时有非常大的平衡常数和一个大的ΔGº’负值;
  • 一分子高能中间化合物只能形成一个ATP;
  • 基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式
slide47
底物水平磷酸化:高能磷酸键的形成及转移

底物水平磷酸化(Substrate level phosphorylation)

6 2 oxidative phosphorylation
6.2 氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)

生物氧化过程中,代谢物脱下的氢经呼吸链氧化为水时所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程。实际上是氧化作用与氧化作用过程释放的能量用于形成ATP的过程(磷酸化作用)两种作用的偶联反应。

占体内ATP合成总量的95%。

6 2 1 atp
6.2.1电子传递的自由能降与ATP的形成部位

NADH →FP1(4•FeS) →Q→(2•FeS)→Cyt b(FeS)→c1 → c → aa3 → O2

6 2 3
6.2.3 腺苷酸和磷酸转位酶

线粒体利用质子推动力合成ATP,但ADP和Pi必须运到线粒体内,同时合成好的ATP必须能运出线粒体以便在胞质中提供能量。

腺苷酸转位酶(Adenine nucleotide translocase) 是线粒体内膜上的酶,为逆反转运体,可以把ADP和Pi转运到线粒体内,也能把合成的ATP从线粒体运到胞液。

6 2 4 p o
6.2.4 磷氧比(P/O)

代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化生成水,这一过程中所产生的ATP分子的数目(即消耗1个O2原子所产生ATP的数目)称为磷氧比(P/O)。

代谢物脱下的2H经NADH氧化呼吸链被氧化为水时,生成3ATP(P/O3),而经琥珀酸氧化呼吸链氧化为水时,生成2ATP(P/O2)。

6 2 5 adp pi atp
6.2.5 ADP、Pi、ATP对氧化磷酸化作用的影响

ADP/ATP小,氧化磷酸化缓慢、表现为抑制作用 ADP/ATP大,氧化磷酸化加快、表现为促进作用

  • 氧化磷酸化的(磷酸)受体[ADP]控制呼吸作用的现象称为(磷酸)受体控制 (呼吸控制) 。
  • 根据线粒体的呼吸状况分成五种状态
slide55

受控比(呼吸控制比值):有ADP存在时氧的利用速度和没有ADP时氧的利用速度的比值。受控比(呼吸控制比值):有ADP存在时氧的利用速度和没有ADP时氧的利用速度的比值。

ADP

底物

1

2

ADP

3

4

ADP

O2 mmol/L

O2 mmol/L

3

4

4

3

ΔADP

ΔO

P

O

=

5

时间

时间

6 2 5
6.2.5 氧化磷酸化的解偶联与抑制作用

6.2.5.1 电子传递链的抑制剂

鱼藤酮(rotenone)

安米妥(amytal)

匹杀丁(piericidin)

NAD-CoQ之间的抑制剂

三类电子传递抑制剂

Cyt c-Cyt b之间的抑制剂:

抗霉素A(antimycin A)

Cyt a1a3-O2之间的抑制剂:

氰化物等

6 2 51
6.2.5 氧化磷酸化的解偶联与抑制作用

6.2.5.2 氧化磷酸化的解偶联剂

  • 解偶联剂(uncoupler)如(2,4-dinitrophenol, DNP),解除偶联的ATP的产生;
  • 不阻止电子的传递;
  • 导致呼吸作用无限增强;
  • 能量以热能形式放出

ADP

4

3

O2 mmol/L

解偶联剂

4

时间

slide58
解偶联剂的作用机理

接受质子成为非解离形式,脂溶性,可过膜。

质子被带入膜内,打破跨膜的质子梯度。质子梯度不用于ATP形成,P/O下降。

pH为7时,DNP以解离形式存在,脂不溶性,不能过膜。

6 2 5 3
6.2.5.3 氧化磷酸化的抑制剂
  • 直接作用于ATP合成酶复合体,阻止ATP的合成;
  • 阻止电子传递和氧的消耗;
  • 对电子传递的抑制作用可被解偶联剂解除
6 2 5 4
6.2.5.4 离子载体型抑制剂
  • 作用于H+以外的一价阳离子;
  • 类似于解偶联剂,增大一价阳离子的通透性,使K+、Na+离子迅速穿过线粒体膜;
  • 迫使线粒体耗能用于离子的运输,使呼吸能被无效地消耗
6 2 31
6.2.3 氧化磷酸化作用的机理

(1)化学偶联假说(chemical coupling hypothesis),认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应,而形成一个高能的共价中间物,用于ATP的形成—活性中间物假说。

6 2 32
6.2.3 氧化磷酸化作用的机理
  • (2)构象偶联假说(conformational coupling hypothesis),认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化而形成一种高能形式,进一步使F0F1-ATP酶高能化,用于ATP的生成。
slide63
氧化磷酸化作用的机理

(3) 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),认为电子传递的结果把H+从线粒体内膜基质泵到膜外液体中形成一个跨内膜的H+梯度,这种H+梯度渗透能(质子推动力Proton-motive force ,质力)用于ATP的生成。

chemiosmotic hypothesis
化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)

1961由Peter Mitchell(1920-1992)(英国生化学家)提出。

完整的线粒体膜是氧化磷酸化必须的

线粒体内膜对H+等离子具不通透性

实验证据 电子传递时H+由内向外泵出

在ATP形成时, H+由外向内流动

解偶联剂解除H+不通透性,同时解除ATP合成

线粒体膜翻转后, H+由外向囊泡内流动

slide68
ATP合成酶

位于线粒体内膜的内表面,又称F1/Fo-ATP合成酶。F1由5种亚基组成,为酶复合物的球状头部,也是活性中心,位于内膜基质表面。Fo横贯内膜,含有质子通道,由4种亚基组成。茎部有寡霉素敏感蛋白(OSCP),有调节Fo、F1的功能。

slide69
线粒体ATP合成酶复合物

F0F1结构

酵母F0F1结构

F0F1复合物结构

slide70
关于能量代谢的补充说明

传统的能量代谢理论认为,有机物脱下的H经氧化呼吸链传递时,1 FADH2可生成2ATP,1NADH•H+可产生3ATP。

现在普遍接受这样的观点,呼吸链递氢和递电子所产生的能量并不完全用于ATP的生成,1 FADH2只生成1.5ATP,1NADH•H+只产生2.5ATP。

slide71
第七节 非线粒体氧化体系

1.微粒体氧化体系

(Microsome oxidative system)

2.过氧化物酶体氧化体系(Peroxisome oxidative system)

microsome oxidative system
微粒体氧化体系(Microsome Oxidative System)

由含黄素的脱氢酶、铁硫蛋白、CytP450组成,催化分子氧的两个氧原子分别进行不同的反应,其中一个O加到底物分子上,另一个与NADPH+H+的氢生成水,与ATP的生成无关。这种系统又称为加单氧酶(monooxygenase),也称双功能加氧酶(double function oxygenase),也有称之为CytP450羟化体(酶)系。

意义: (1) 胆酸生成中的环核羟化;

(2)不饱和脂肪酸生成中的双键引入;

(3)Vit D的活化;

(4)药物、致癌物及毒物等的氧化解毒。

peroxisome oxidative system
过氧化物酶体氧化体系(Peroxisome oxidative system)

含有较多的需氧脱氢酶,可催化L-aa, D-aa, 黄嘌呤等的脱氢、加氧,并生成H2O2,如

RCH(NH2)COOH+O2+H2O

RCOCOOH+NH3+ H2O2

能量无利用,生成的H2O2功能重要:

(1)甲状腺中H2O2参与活性碘的生成;

(2)中性粒细胞中可杀灭被吞噬的细菌;

(3)参与一些生化作用。

slide75

Eº’O2/H2O = 0.82

∴ Δ∵∶〜≈≤≧≦∝∞√∑ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫ←↑→↓↔↕↖↗↘↙℃℉‖