第八章 氧化磷酸化

1、 第九章生物氧化与氧化磷酸化 生物氧化 在有O2条件下 生物体内的糖 脂和蛋白质等营养物质被氧化分解 释放能量 最终转变为CO2和H2O的过程 介绍几个概念 磷酸化 ADP Pi ATP 光合磷酸化 底物磷酸化 氧化磷酸化 生物氧化过程中伴随着磷酸化作用 自由能 在一个体系中 能够用来做功的那一部分能量叫自由能 G 0当一个化学反应达到平衡时 G0反应不能自发进行 必须供给反应能量 氧化还原电位 在氧化还原反应中 自由能的变化与反应物供出或得到电子的趋势成比例 这种趋势称为氧化还原电位 通常用E表示 生物体内的标准氧化还原电位用Eo 表示 Eo 值越小 电负性越大 供出电子的倾向越大 即还原力越强 Eo 值越大 电正性越大 得到电子的倾向越大 即氧化能力越强 电子总是由低电位向高电位流动 常见的富能化合物有酸酐类 特殊酯类和磷酰胺酸衍生物 富能化合物 减少了负电荷的排斥 ADP也具有高能 能荷细胞的能量状态的一种度量可用能荷来表示 是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量 能荷的大小可以说明生物体中ATP ADP AMP系统的能量状态 ATP 0 5 ADP 能荷数值 ATP ADP AM

2、P 能荷高 增加合成代谢抑制分解增加利用ATP减少ATP能荷低 减少利用ATP增加分解代谢 增加产生ATP 细胞中的能荷可通过ATP ADP AMP对一些酶的反应进行变构调节 例如 ATP ADP系统调节EMP的主要部位是F 6 P和1 6FDP相互转化处 F 6 P ATP 1 6FDP ADP 催化此反应的磷酸果糖激酶是变构酶 受到ATP强烈的抑制 但却被AMP和ADP所激活 反之 1 6FDP磷酸酯酶则能受ATP的激活和被AMP所抑制 另外 在TCA中 当细胞或组织的能荷等于1 0时 这时高浓度的ATP和低水平的AMP会降低柠檬酸合成酶和异柠檬酸脱氢酶的活性 从而使TCA环的活性降低以减少呼吸作用向达到调节生成ATP数量的目的 总之 能荷由ATP ADP和AMP的相对数量决定 它在代谢中起控制作用 高能荷抑制ATP的生成 分解代谢 途径而激活ATP利用 合成代谢 途径 一 概念 由氢载体和电子载体组成的电子传递系统称为ETC 电子传递链or呼吸链 第一节电子传递链 呼吸链 二 组成 1 四种 1 黄素蛋白 与ETC有关的黄素蛋白有两种 分别以FMN和FAD为辅基 a NADH H

3、 FMN NAD FMNH2两个电子一个质子b 琥珀酸 FAD 延胡索酸 FADH2两个电子两个质子 铁 硫蛋白类 铁硫蛋白 iron sulfarprotein 铁硫蛋白含铁原子和硫原子 通过Fe与蛋白质的Cys残基连接 铁一硫蛋白中的一硫簇又称为铁硫中心 常用符号FeS表示 铁硫中心只有一个Fe起氧化还原反应 在呼吸链中作为单电子传递体 不传递氢 每传递一个电子 当处于氧化态时 两个铁原子都为三价 而在还原态时 其中一个铁成为二价 其作用是通过Fe的价态变化而起到传递电子的作用 3 辅酶Q 辅酶Q CoenzymeQ CoQ 属于醌类 quinone Q 由于它广泛存在于生物系统中 所以又称为泛醌 ubiquinone Q CoQ分子中含有一条由几个异戊二烯聚合而成的长链 在不同生物体内的CoQ 此侧链的长度有所不同 动物n 10 高等植物n 9或10 细菌n 6 细胞色素是以铁卟啉为辅基的蛋白质 因为有颜色 又广泛存在于生物细胞中 故称为细胞色素 其血红素Fe3 时为氧化型 接受一个电子呈Fe2 时为还原型 因此细胞色素在呼吸链中作为单电子传递体 4 细胞色素 Cytochrom

4、eCyt 由于对动物的呼吸链了解得更清楚 在基础生化中以动物呼吸链为典型代表 Cyt种类 在动物细胞线粒体的呼吸链中至少有5种细胞色素 即b c1 c a和a3 结合状态 其中CytC为可溶性蛋白质 它以静电作用结合在线粒体内膜的外表面 结合松 易分离提纯 其它4种细胞色素都结合在内膜中 2细胞色素 Fe3 2e 2细胞色素 Fe2 各种细胞色素中只有细胞色素a3可以直接与氧分子为电子受体 生成氧离子O 细胞色素电子传递 细胞色素C的氧化型和还原性的吸收光谱 以上各种氢递体或电子传递体大多数紧密地镶嵌在线粒体内膜上成为膜结构的主要组成部分 传递体相互联系可以结合成大分子复合物称为呼吸链复合物 三 呼吸链中传递体的顺序及电子传递过程中自由能的变化1 电子传递体的顺序 2 呼吸链中氢和电子的传递是有严格顺序和方向的 上图总结了电子传递体组成及其顺序 1 四个复合体组成 2 电子来自两个方向 复合体 复合体 3 复合体 中含有FeS蛋白帮助电子的传递 4 ATP形成的部分 电子传递系统呼吸作用复合体 2 电子来自两个方向 复合体 复合体 3 复合体 中含有FeS蛋白帮助电子的传递 4 ATP

5、形成的部分 线粒体内膜呼吸链的电子传递过程与ADP的磷酸化过程偶联示意图 能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质称为电子传递抑制剂 呼吸链抑制剂 如果把电子传递链中断 那么 正常的生命现象活动就要受到干扰或因此而告终 已知呼吸链上有三处进行氧化磷酸化的偶联反应 在三个部位分别受到不同的抑制剂抑制 3 呼吸链的抑制剂 NADH H FMN 主要受安密妥 鱼藤酮 以及杀粉蝶菌素的抑制 鱼藤酮是一种极毒的植物物质 是一种重要的杀虫剂 安密妥是一种麻醉药 杀粉蝶菌素的结构类似CoQ 因此可和CoQ相竞争 从细胞色素b C1 主要是抗霉素A 它抑制电子从Cytb C1的传递 Cyta Cyta3 抑制剂有氰化物 硫化物 NaN3 一氧化碳等 如氰化物 煤气中毒主要是抑制了呼吸链上电子的传递 破坏氧化磷酸化的正常进行导致生命的危险 三 电子流动的方向NADH 0 32 CoQ 0 10 b 0 07 C1 0 23 C 0 25 a 0 29 a3 0 55 O2 0 82 CoQ与b 0 10 0 07 在电位水平较接近的传递体之间 电子能可逆往返传递而达到准平衡状态 1 这个电子流向按它们的还原

6、电势大小可排成序列 正好符合它们对电子亲和力的不断增加顺序 2 这个顺序从热力学关系上看也是合理的 大量的实验已经证明 它也符合细胞本身的电子传递顺序 电子载体的氧化还原电位 电子传递过程中的自由能的意义 从表所列生物体内重要氧化还原体系的Eo 值可看出 呼吸链中各载体基本上是按标准氧化还原电位由低向高排列的 电子在呼吸链上是由氧化还原电位较低电对的还原态向氧化还原电位较高电对的氧化态方向传递的 根据生物能学原理 我们还可以分别计算NADH呼吸链和FADH2呼吸电子传递过程中自由能变化值 在NADH呼吸链中 NADH通过电子传递链氧化的总反应 NADH H 1 2O2 NAD H2O由此可计算从NADH到O2的自由能变化 Go nF E 225 7KJ mol 氧气的还原 O2 4H 4e 2H2O4细胞色素氧化酶 Fe2 O2 4H 4细胞色素氧化酶 Fe3 2H2O 第二节氧化磷酸化作用 氧化磷酸化是需氧细胞生命活力的基础 是主要的能量来源 氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使ADP形成高能ATP的作用 一 ADP形成ATP的部位生理条件下ADP磷酸化需要的自由能

7、变化是30 5KJ mol3ADP 3Pi 3ATP 3H2O Go 91 5KJ molNADH氧化放能 Go nF E 225 7KJ mol 二 氧化磷酸化的偶联机理 氧化磷酸化的全过程至今也没有完全搞清楚 氧化与磷酸化作用如何偶联目前有三种假说 1 化学偶联假说 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 而形成一个高能共价中间物 这个中间物在电子传递中形成 随后又裂解将其能量供给ATP的形成 2 构象偶联假说 认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化 当此高能构象再复原时 释放能量促使ATP的生成 3 化学渗透学说 呼吸链中电子传递体有序地定位于完整的线粒体内膜上 使氧化还原反应定向进行 有序排列 一对电子经NADH呼吸链传递给O2时 在内膜中往返三次 每次能定向地将两个H 从基质泵到内膜外 经FADH2呼吸链则往返两次 NADH O23次 FAD O22次 内膜有选择透性 不能让泵出的H 返回基质 致使膜外则 H 高于膜内侧而形成跨膜的pH梯度 同时也形成跨膜电位梯度 这两种梯度是电子传递本身产生的电化学势能 内膜上嵌有FoF1 ATP酶 它有

8、特殊的质子通道 当膜外侧的两个H 经此道流回基质时 跨膜电位梯度 pH梯度被解除 FoF1 ATP酶则利用电化学势能释放的自由能驱动ADP和Pi合成ATP 由FoF1 ATP酶驱动ATP的合成 呼吸链中电子传递体有序地定位于完整的线粒体内膜上 使氧化还原反应定向进行 有序排列 一对电子经NADH呼吸链传递给O2时 在内膜中往返三次 每次能定向地将两个H 从基质泵到内膜外 经FADH2呼吸链则往返两次 NADH O23次 FADH2 O22次 内膜有选择透性 不能让泵出的H 返回基质 致使膜外则 H 高于膜内侧而形成跨膜的pH梯度 同时也形成跨膜电位梯度 这两种梯度是电子传递本身产生的电化学势能 内膜上嵌有FoF1 ATP酶 它有特殊的质子通道 当膜外侧的两个H 经此道流回基质时 跨膜电位梯度 pH梯度被解除 FoF1 ATP酶则利用电化学势能释放的自由能驱动ADP和Pi合成ATP 由FoF1 ATP酶驱动ATP的合成 四 氧化磷酸化的抑制氧化磷酸化主要是为有机体各种生命活动提供所需ATP的主要方式 如果受到抑制对机体造成严重后果 抑制氧化磷酸化的化合物有两类 解偶联剂和氧化磷酸化抑制剂

9、 它们主要用作研究氧化磷酸化的工具及杀虫剂 解偶联作用由于氧化磷酸化是氧化作用 电子传递 及磷酸化作用相偶联的反应 磷酸化作用所需要的能量是由氧化作用供给 氧化作用所释放的能量 自由能 是通过磷酸化作用贮存于高能磷酸键之中 是植物新陈代谢维持正常生命活动的重要生物化学反应 在完整的线粒体内电子传递与磷酸化之间紧密偶联 但这个偶联作用可以被解偶联剂如 2 4 二硝基苯酚解偶联 这时虽能进行电子传递 但不发生ADP的磷酸化作用 当它们解偶联时 电子的传递迅速进行 所以ADP的磷酸化作用对电子传递起限速作用 这时葡萄糖产生的能量完全以热能的形式浪费掉 不能回收储存在ATP中 它的抑制原理如下 破坏跨膜H 梯度在正常生理条件下DNP是解离形式 因它是脂不溶性所以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 破坏了跨膜H 梯度而引起解偶联现象 氧化磷酸化的解偶联效应也被生物所利用 例如冬眠动物和适应寒冷的哺乳动物中 有棕色脂肪组织 它是一种能够产生热以维持体温的方法 产热素蛋白 thermogenin 2 氧化磷酸化的抑制这个抑制主要指既抑制了氧

10、的利用又阻止ATP的生成 但不直接抑制电子传递链上的载体 因此它们与电子传递链的抑制剂是不同的 这类抑制剂寡酶素 寡酶素就是与FoF1 ATP酶复合体柄部Fo的一个组分蛋白结合 堵塞 了其内的质子通道 阻止膜外的H 回流到基质内 五 P O比研究氧化磷酸化的最常用方法是测定线粒体内的P O值 P O比值是氧化磷酸化的指标 P O比 指当一原子氧被吸收时 有几分子无机Pi变成了有机磷 Pi 或有几分子ADP变成了ATP 不同的底物参加呼吸链的P O比值不同 例如 Pyr 乙酰CoAP O 3异柠檬酸 KgP O 3 Kg 琥珀酸P O 4琥珀酸 延胡索酸P O 2琥珀酸脱氢酶 黄素蛋白是一级电子受体 在呼吸链中只有2次氧化磷酸化 生成2molATP 抗坏血酸能够提供电子给一个化合物TMPD tetramethyl p phenylenediamine TMPD 该化合物能直接还原细胞色素c而作用于呼吸作用复合体 因此 加入抗坏血酸和TMPD将使P O比为1 六 线粒体穿梭系统 线粒体有内外两层膜 通透性不一样 外膜的通透性强 内膜具有选择透性 K Na Cl Br I NAD NADH

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