5-4生物氧化—电子传递和氧化磷酸化作用 下册P114第24章 生物体所需能量大都来自糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化 (1)先进行分解代谢,代谢物脱氢,辅酶NAD+或FAD还原成NADH或FADH2(携带 氢离子和电子 (2)氢离子和电子都经过相同的一系列电子载体传递过程传递给氧。 (3)产生的能量一般都贮存在ATP等特殊化合物中 生物氧化实质上是氧化磷酸化,发生在线粒体内膜。 氧化磷酸化:NADH或FADH2上的电子通过进行一系列电子传递载体传递给O2,伴 随NA和FADH2的氧化释放的能量使ADP磷酸化形成ATP (一)氧还原电势 生物体系中进行氧化还原时其基本原理和化学电池一致 生物体内一些重要物质的标准氢化还原电势如P117表24-1所示。 如:NADH被O2氢化 电极反应:1/202+2H+2e==H2OE=+0.815 NAD+2H+2e = NADH+H Eo=-0 32V 电池总反应 1/2 02+NADH+H== H20+HAD 电势差△E=+0.815-(-0.32)=+1.135V正号表示放能 呼吸链的范围为1.135V 自由能变化:△G°=-nF△E0=-223.0621.135 n所传电子数=52.6Kcal/mol F-法拉第卡当量:23.062 Kcal 'mol 同理计算FADH2被O2氧化 G=-42. kCal/ (二)电子传递和氧化呼吸链 在电子传递过程中,电子传递仅发生在相邻的传递体之间,可根据各种氢化一还原电 对的E值,判断电子流动方向,在酶催化下发生反应 (1)电子传递链 电子从NADH到02传递所经过的途径被称为电子传递链或呼吸链,主要由4部分蛋白质复 合体组成,排列顺序为:(见P120图24-2) 黄素蛋白中的FADH2 琥珀酸-Q 还原酶 NADH→NADH-Q→Q→细胞色素→细胞色素C→细胞色素氧化酶→02 还原酶还原酶 电子传递酶复合体含一系列的电子载体和辅基为 黄素蛋白:FMN,FAD 铁硫中心:Fe-S复合体 醌 Q 细胞色素:血红素基因 铜离子: Cua CuE (2)电子传递链各个成员 1. NADH-Q还原酶,简称复合体Ⅰ,又称NADH脱氢酶。辅基:FMN,Fe-S 催化的反应为 NADH+HT+Q→NAD+QH2 反应分三步进行 (1). NADH+H+FMN FMNH +NAD (2).FMNH2Fe-S(氧化型)→FMN+Fe-S(还原型) (3).Fe-S(还原型)+Q→Fe-S(氧化型)+QH2 其中Fe-S中心有Fe-S,2Fe-2S和4Fe-4S三种类型,如P122图24-5所示
5--4 生物氧化----电子传递和氧化磷酸化作用 下册 P114 第 24 章 生物体所需能量大都来自糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化 （1）先进行分解代谢，代谢物脱氢，辅酶 NAD+或 FAD 还原成 NADH 或 FADH2（携带 氢离子和电子。 （2）氢离子和电子都经过相同的一系列电子载体传递过程传递给氧。 （3）产生的能量一般都贮存在 ATP 等特殊化合物中。 生物氧化实质上是氧化磷酸化，发生在线粒体内膜。 氧化磷酸化：NADH 或 FADH2 上的电子通过进行一系列电子传递载体传递给 O2,伴 随 NADH 和 FADH2 的氧化释放的能量使 ADP 磷酸化形成 ATP。 （一）氧还原电势 生物体系中进行氧化还原时其基本原理和化学电池一致。 生物体内一些重要物质的标准氢化还原电势如 P117 表 24-1 所示。 如：NADH 被 O2 氢化。 电极反应：1/2 O2+2H+ +2e- == H2O E0=+0.815。 NAD+ +2H+ +2e- == NADH+H+ E0=-0.32∨ 电池总反应： 1/2 O2+NADH+H+ == H2O+HAD+ 电势差ΔE0=+0.815-(-0.32)=+1.135V 正号表示放能 即呼吸链的范围为 1.135V 自由能变化：ΔG 0 =- n FΔE 0 =-2 23.062 1.135 n-所传电子数 =-52.6Kcal/mol F-法拉第卡当量: 23.062KcalV-1 mol-1 同理计算 FADH2 被 O2 氧化 ΔG 0 =-42.4Kcal/mol (二)电子传递和氧化呼吸链 在电子传递过程中，电子传递仅发生在相邻的传递体之间，可根据各种氢化一还原电 对的 E0 值，判断电子流动方向，在酶催化下发生反应。 （1）电子传递链 电子从 NADH 到 O2 传递所经过的途径被称为电子传递链或呼吸链，主要由 4 部分蛋白质复 合体组成，排列顺序为: （见 P120 图 24-2） 黄素蛋白中的 FADH2 琥珀酸-Q 还原酶 NADH→NADH-Q→Q→细胞色素→细胞色素 C→细胞色素氧化酶→O2 还原酶 还原酶 电子传递酶复合体含一系列的电子载体和辅基为： 黄素蛋白： FMN, FAD 铁硫中心： Fe-S 复合体 醌： Q 细胞色素： 血红素基因 铜离子： CuA CuB （2）电子传递链各个成员 1. NADH-Q 还原酶，简称复合体Ⅰ，又称 NADH 脱氢酶。辅基：FMN,Fe-S。 催化的反应为： NADH+H+ +Q→NAD+ +QH2 反应分三步进行： ⑴. NADH+H+ +FMN → FMNH2+NAD+ ⑵. FMNH2+Fe-S（氧化型）→`FMN+Fe-S（还原型） ⑶. Fe-S（还原型）+Q`→`Fe-S（氧化型）+QH2 其中 Fe-S 中心有 Fe-S，2Fe-2S 和 4Fe-4S 三种类型，如 P122 图 24-5 所示
在反应中发生3价Fe“和2价Fe2的价态变化 2.辅酶Q(CoQ)∵为易流动的疏水电子载体,与蛋白质结合不紧密,能自由在膜内扩散, 有氧化型(醌式)和还原型(酚)。结构式见P123图24-6。含有异戊二烯为单 位构成的长碳氢链,异戊二烯的数目n因动物而异,哺乳动物n=10记作Qo 3.琥珀酸Q还原酶:又称复合体Ⅱ。该酶与柠檬酸循环中,催化琥珀酸脱氢生成延胡 索酸的琥珀酸脱氢酶构成完整的酶复合体,辅基FAD,Fe-S 催化的反应为: FADH2+Q→FAD+QH2 使FADH2上高能电子进入电子传递链,此步无ATP生成 反应分两步进 (1). FADH2 +Fe-S(3)- FAD+Fe-S(+2) (2).Fe-S(+2)+QH2→Fe-S(+3)+Q 4.细胞色素还原酶:又称复合体Ⅲ。辅酶:血红素,Fe 把电子和H从一个H2分子传递两个电子给2分子细胞色素C。 [细胞色素]:是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因含血红素而显色,故 称为细胞色素,几乎存在于所有生物体内。由吸收光谱不同而分为a、b、c三类。吸收 峰位置见P124表24-3。从吸收光谱知b又分为b56和b,C又分为C和C 个电子传递为:QH2→2Fe2S→C1→C。 另一个电子为H2→半醌→b(b566-b562→QH。祥见P126图24-10 5.细胞色素C:(Cytc) 唯一能溶于水的细胞色素,由104个A构成的单多肽链 Cytc和CoQ都是传递电子的流动载体,在接受细胞色素还原酶电子后立即传递给 细胞色素氧化酶 6.细胞色素氧化酶:复合体Ⅳ。 把电子从Cytc传递给氧 酶有4个氧化一还原活性中心,含有两种细胞色素(Cyta和Cyta3)和两个铜离子 (Cu3和CuB) a和a3化学结构同,但处于酶的不同部位Cu和Cu由于结合的蛋白不同而有差异 电子传递顺序为:Cytc→a-Cu→a3-Cun→02 最后该酶传递4个电子到氧,形成2分子HO。 7.在氧化呼吸链中的NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶催化的三步反应 中,自由能的变化都足以将H从线粒体内膜基质“泵”出到线粒体的内外膜间隙,产生 氢离子梯度,为下一步产生ATP准备所需的自由能 (3)电子传递的抑制剂 为能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质,可用来研究电子传递顺序。原理见P128 图24-15。 常见的抑制剂有: 1.鱼藤酮,安密妥,结构见P128。 阻断NADH-Q还原酶内的电子由NAD向CoQ的传递。 2.抗霉素A:抑制细胞色素还原酶中电子从翩2到Cytc1的传递 3.氰化物,叠氮化物与a3中血红素Fe作用。C0与a3中Fe2作用,均阻断电子在细胞色素 氧化酶中传递作用。上述各种抑制剂的抑制部位可表示为NADH→NADH-Q还原酶 H CytC1→CytC→细胞色素氧化酶 鱼藤酮, 抗霉素A CN. N3 CO 安密妥 (三)氧化磷酸化作用 将生物氧化过程中释放的自由能用以使adp和无机磷酸生成高能ATP的作用都在细胞线粒 体内膜发生作用 氧化磷酸化全过程方程式为: NADH+H+3ADP+3P+1/2- NAD+4H20+ 3ATP (1)P/0比:一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP分子数
在反应中发生 3 价 Fe3+和 2 价 Fe2+的价态变化。 2. 辅酶 Q(CoQ):为易流动的疏水电子载体，与蛋白质结合不紧密，能自由在膜内扩散， 有氧化型（醌式）和还原型（酚）。结构式见 P123 图 24-6。含有异戊二烯为单 位构成的长碳氢链，异戊二烯的数目 n 因动物而异，哺乳动物 n=10 记作 Q10。 3. 琥珀酸-Q 还原酶：又称复合体Ⅱ。该酶与柠檬酸循环中，催化琥珀酸脱氢生成延胡 索酸的琥珀酸脱氢酶构成完整的酶复合体，辅基 FAD, Fe-S。 催化的反应为： FADH2+Q → FAD+QH2 使 FADH2 上高能电子进入电子传递链，此步无 ATP 生成。 反应分两步进行： ⑴. FADH2+Fe-S(+3) → FAD+Fe-S(+2) ⑵. Fe-S(+2)+QH2 → Fe-S(+3)+Q 4. 细胞色素还原酶：又称复合体Ⅲ。辅酶：血红素，Fe-S。 把电子和 H +从一个 QH2 分子传递两个电子给 2 分子细胞色素 C。 [细胞色素]：是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。因含血红素而显色，故 称为细胞色素，几乎存在于所有生物体内。由吸收光谱不同而分为 a、b、c 三类。吸收 峰位置见 P124 表 24-3。从吸收光谱知 b 又分为 b566和 b562，C 又分为 C 和 C1。 一个电子传递为：QH2 → 2Fe2S → C1 → C。 另一个电子为 QH2 → 半醌 → b(b566-b562 →QH2。祥见 P126 图 24-10。 5. 细胞色素 C：（Cyt c） 唯一能溶于水的细胞色素，由 104 个 AA 构成的单多肽链。 Cyt c 和 Co Q 都是传递电子的流动载体，在接受细胞色素还原酶电子后立即传递给 细胞色素氧化酶。 6．细胞色素氧化酶：复合体Ⅳ。 把电子从 Cyt c 传递给氧 该酶有 4 个氧化-还原活性中心，含有两种细胞色素（Cyt a 和 Cyt a3）和两个铜离子 （CuA 和 CuB）。 a 和 a3 化学结构同，但处于酶的不同部位 CuA 和 CuB 由于结合的蛋白不同而有差异 电子传递顺序为：Cyt c → a – CuA → a3 – CuB → O2。 最后该酶传递 4 个电子到氧，形成 2 分子 H2O。 7. 在氧化呼吸链中的 NADH-Q 还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶催化的三步反应 中，自由能的变化都足以将 H +从线粒体内膜基质“泵”出到线粒体的内外膜间隙，产生 氢离子梯度，为下一步产生 ATP 准备所需的自由能。 （3） 电子传递的抑制剂 为能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质，可用来研究电子传递顺序。原理见 P128 图 24-15。 常见的抑制剂有： 1. 鱼藤酮，安密妥，结构见 P128。 阻断 NADH-Q 还原酶内的电子由 NADH 向 CoQ 的传递。 2. 抗霉素 A：抑制细胞色素还原酶中电子从 QH2 到 Cyt c1 的传递。 3. 氰化物，叠氮化物与 a3 中血红素 Fe3+作用。CO 与 a3中 Fe2+作用，均阻断电子在细胞色素 氧化酶中传递作用。上述各种抑制剂的抑制部位可表示为 NADH → NADH-Q 还原酶 -║→ QH2 -║→ CytC1 → CytC → 细胞色素氧化酶 -║→ O2 鱼藤酮， 抗霉素 A CN- ,N3 - ,CO 安密妥 (三)氧化磷酸化作用 将生物氧化过程中释放的自由能用以使 adp 和无机磷酸生成高能 ATP 的作用都在细胞线粒 体内膜发生作用。 氧化磷酸化全过程方程式为： NADH+H+ +3ADP+3P1+1/2 O2 → NAD+ +4H2O+3ATP (1) P/O 比：一对电子通过呼吸链传至氧所产生的 ATP 分子数
NADH的P/0比为2.5(过去为3),从呼吸链 NADH-Q还原酶进入 FADH2的P/0比为1.5(过去为2),是从细胞色素还原酶处进入电子传递链。 (2)ATP合成部位 为三个能量释放部位 对电子经NADH-Q还原酶,细胞色素还原酶和细胞色素氧化泵泵出质子数分别为4,2和 4。合成一个ATP要3个质子通过ATP酶驱动合成2.5个ATP需7.5个质子驱动,合成 1.5个ATP需4.5个质子驱动,多余的质子可能用于将ATP从基质运往膜外细液 ATP合成是在线粒体ATP酶作用下完成的,现称ATP合酶,又称复合体V。 (3)能量偶联假说 电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的,1961年 提出,1978年获诺贝尔化学奖 如P132图24-18所示: 电子传递链为一个H泵,使H从线粒体基质排到内膜外;内膜外H比内膜高,形成H浓 度梯度;电化学电势驱动H通过ATP合酶FF1ATP回到线粒体基质,释放自由能与ATP合 成偶联 此过程为: 1.质子泵出需要能量:由电子流过复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ获得 2.质子泵出使细胞溶胶侧H浓度提高,产生膜电势 3.膜电势驱动质子流通过ATP合酶,同时释放出与酶牢固结合的ATP,ATP是在释放自由能驱 动力下ADP与P合成的。 FF1-ATP酶:F单为嵌入线粒体内膜中,为质子通道;F1在膜外为球状体。催化ATP的合成。 (四)氧化磷酸化的解偶联和抑制 般情况下,电子传递和磷酸化是紧密结合的,但特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成 单个的反应 (1)解偶联剂: 只抑制ATP的形成过程,不抑制电子传递过程,使电子传递产生的自由能变成热能。如DNP (2,4-二硝基苯酚),当pH=7时,DNP呈酚负离子形式,不能透膜。在酸性环境(H浓度 提髙),DP接受质子而成酚分子形式,脂溶性而易透膜,将H带入膜内,破坏了跨膜梯度 的形成,故DNP又称质子载体。 褐色脂肪细胞线粒体内膜上有特殊通道,H流回不经过FF:-ATP酶,不产生ATP产生 热,维持体温 2)氧化磷酸化抑制剂: 因抑制ATP形成而使电子传递停止,如寡霉素。但为寡霉素抑制的电子传递会由于加入 DANP,使H浓度差消除,而使电子传递恢复。如P138图24-27 (3)离子载体抑制剂 它们与K等离子结合,作为离子载体穿过膜,消除膜电势,如短杆菌肽,缬氨霉素ATP 不能生成
NADH 的 P/O 比为 2.5（过去为 3），从呼吸链 NADH-Q 还原酶进入。 FADH2 的 P/O 比为 1.5（过去为 2），是从细胞色素还原酶处进入电子传递链。 (2) ATP 合成部位 为三个能量释放部位。 一对电子经 NADH-Q 还原酶，细胞色素还原酶和细胞色素氧化泵泵出质子数分别为 4，2 和 4。合成一个 ATP 要 3 个质子通过 ATP 酶驱动合成 2.5 个 ATP 需 7.5 个质子驱动，合成 1.5 个 ATP 需 4.5 个质子驱动，多余的质子可能用于将 ATP 从基质运往膜外细液。 ATP 合成是在线粒体 ATP 酶作用下完成的，现称 ATP 合酶，又称复合体 V。 （3）能量偶联假说 电子传递释放出的自由能和 ATP 合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的，1961 年 提出，1978 年获诺贝尔化学奖。： 如 P132 图 24-18 所示： 电子传递链为一个 H +泵，使 H +从线粒体基质排到内膜外；内膜外 H +比内膜高，形成 H +浓 度梯度；电化学电势驱动 H +通过 ATP 合酶 F0F1ATP 回到线粒体基质，释放自由能与 ATP 合 成偶联 此过程为： 1.质子泵出需要能量：由电子流过复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ获得。 2.质子泵出使细胞溶胶侧 H +浓度提高，产生膜电势。 3.膜电势驱动质子流通过 ATP 合酶，同时释放出与酶牢固结合的 ATP，ATP 是在释放自由能驱 动力下 ADP 与 Pi 合成的。 F0F1-ATP 酶：F0 单为嵌入线粒体内膜中，为质子通道；F1 在膜外为球状体。催化 ATP 的合成。 （四）氧化磷酸化的解偶联和抑制 一般情况下，电子传递和磷酸化是紧密结合的，但特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分解成 单个的反应。 （1）解偶联剂： 只抑制 ATP 的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能变成热能。如 DNP （2，4-二硝基苯酚），当 pH=7 时，DNP 呈酚负离子形式，不能透膜。在酸性环境（H +浓度 提高），DNP 接受质子而成酚分子形式，脂溶性而易透膜，将 H +带入膜内，破坏了跨膜梯度 的形成，故 DNP 又称质子载体。 褐色脂肪细胞线粒体内膜上有特殊 H +通道，H +流回不经过 F0F1-ATP 酶，不产生 ATP 产生 热，维持体温。 （2）氧化磷酸化抑制剂： 因抑制 ATP 形成而使电子传递停止，如寡霉素。但为寡霉素抑制的电子传递会由于加入 DNP，使 H +浓度差消除，而使电子传递恢复。如 P138 图 24-27 （3）离子载体抑制剂 它们与 K +等离子结合，作为离子载体穿过膜，消除膜电势，如短杆菌肽，缬氨霉素 ATP 不能生成