Transcript 10.生物氧化--电子传递和氧化磷酸化作用

第九章 生物氧化
第一节
第二节
第三节
第114页
生物氧化的方式和特点
生物氧化的历程
生物氧化与能量代谢
1
117页
氧化－还原电势
氧化还原对
ee-
Oxidized
Reduced
氧化型
还原型
 某一化合物的氧化型和还原型，称为一对氧化
还原对。如Zn/Zn2+，Cu2+/Cu。
2
生物体中标准氧化还原电势
117页表
E0 ’ －－标准氧化还原电势
（ E0’值的测定条件为pH=7.0、250C）
 E0’越负，物质丢失电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂。
 E0’越正，物质接受电子的倾向愈大，愈易被还原。
3
生物氧化
有机物质在生物体内被氧化分解成 CO2
和水，并释放出能量的过程。
生物氧化可分两阶段
 分解代谢
 电子传递或氧化磷酸化
生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为
呼吸作用、细胞氧化、细胞呼吸、组织
呼吸。
(CH2O) + O2
生物氧化
H20 + CO2 + 能量
4
第一节
生物氧化的方式和特点
一、生物氧化的方式
 脱氢（脱氢酶）
 氧直接参加的反应(加氧酶、氧化酶）
 物质失去电子
5
二、生物氧化的特点
 在生物细胞内进行，反应条件温和。
 氧化进行过程中，伴随生物还原反应的发生。
 氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，
如 NADH、FAD2H等传递到氧并生成水。
 每一步反应的产物都可以分离出来。能量逐步释放.
 生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联.
6
第二节 生物氧化的历程
生物氧化中二氧化碳的生成
生物氧化中水的生成
(CH2O) + O2
生物氧化
H20 + CO2 + 能量
7
一、生物氧化中二氧化碳的生成
1．氧化脱羧
丙酮酸氧化脱羧酶系
3
NAD＋
3
丙酮酸
辅酶A
NADH＋H＋
2
乙酰辅酶A
（乙酰CoA）
8
2．非氧化脱羧
2
2
－COOH
草酰琥珀酸
草酰琥珀酸脱羧酶
2
＋ CO2
α－酮戊二酸
9
二、生物氧化中水的生成
以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化
体系，以促进水的生成。
10
1.电子传递和氧化呼吸链
119页
 电子传递过程：呼吸链：
 呼吸链在真核细胞发生在线粒体内膜上，在原核细胞发
生在质膜上。
递氢体
MH2
NAD+、NADP+、
FMN、FAD、COQ
Cyt b, c1, c,
aa3
递氢体H2
M
脱氢酶
½ O2
递电子体
还原型
递电子体
氧化型
2e
O2-
氧化酶
2H+
11
H2 O
H 2O
线粒体图示
12
2.呼吸链电子传递成员的排列顺序 120页
MH2 NADH
-0.32
c1
c
aa3
O2
FMN CoQ b
-0.30 +0.10 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816
FAD
-0.18
电位跨度最大的一步
 呼吸链中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值
最大，电子的传递方向是从NADH-O2
13
根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两条
NADH呼吸链和FADH2呼吸链
GO’= - 52.6 kcal/mol
GO’=
- 43.4 kcal/mol
14
3．呼吸链的组成
121页
 各组分摩尔比并非1/1
 NADHQ 泛醌还原型酶（ Ⅰ，辅基为FMN）
 琥珀酸-Q还原酶（ Ⅱ，辅基为FAD）
 细胞色素还原酶 （Ⅲ ， b, c1, c ）
 细胞色素c、细胞色素C氧化酶（ Ⅳ）。
内外膜间
内
15
FADH2
FAD
末端氧化酶
氧化酶将电子和H＋传递给氧的作用过程中处
于呼吸链的末端，故又称为末端氧化酶。
生物体中，末端氧化酶已知的主要有：
 细胞色素氧化酶:细胞色素a a3以复合物形式存在.
 黄素蛋白氧化酶
 过氧化氢酶和过氧化物酶
 酚氧化酶，
 抗坏血酸氧化酶等
17
4.电子传递的抑制剂

128页
能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为
电子传递抑制剂。
ＮADH－C0Q－ Cytb－Cytc1－Cytc Cytaa3-O2
鱼藤酮，安密妥，
杀粉蝶菌素
抗霉素A
氰化物、硫化物、
叠氮化物、一氧化碳
18
第三节 生物氧化与能量代谢
能量的释放
高能磷酸化合物ATP的生成
氧化磷酸化的偶联机理
氧化磷酸化的解偶联和抑制
氧化磷酸化的调控
能量的利用
19
一、能量的释放

物质氧化分解过程中释放能量
20
二、氧化磷酸化－－ATP的生成
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。
1.底物水平磷酸化
指ATP的形成直接与一个代谢中间物（例如磷酸烯醇式
丙酮酸）上的磷酸基团转移相偶联的作用。
21
2. 电子传递水平磷酸化(氧化磷酸化作用)
是指直接与电子传递相偶联由ADP形成ATP
的磷酸化作用。
NADH＋H＋---------------- O2H2O
ATP
22
3. 氧化磷酸化作用机制
130页
(1)ATP的合成部位
 伴随电子从底物到氧，释放自由能-52.74千卡/摩尔
FADH2
NADH
ATP
细胞色素C
CoQ
ATP
1/2O2
细胞色素aa3
ATP
1：G0’ =-12.4千卡/摩尔
2： G0’ =-9.2千卡/摩尔
3： G0’ =-24.8千卡/摩尔
 3ATP分子的形成劫获了呼吸链中电子由NADH传递至氧
所产生的全部自由能的42%.
23
P/O比


指氧化磷酸化过程中每消耗1摩尔氧原子所消耗
的无机磷酸的摩尔值。
是一对电子通过呼吸链到氧所产生的ATP分子数。
1
2 02
NADH或NADPH
FADH2
3ATP(2.5ATP)
1
2 02
2ATP (1.5ATP)
24
练习题
1.参与生物氧化的酶可分为_____、______和____三类。
2.真核细胞的呼吸链主要存在于___，而原核细胞的呼吸
链存在于_____。
3.在下列的氧化还原系统中，哪个氧化还原电位最高?
A．氧化型泛醌／还原型泛醌
B． Fe3+细胞色素a／Fe2+细胞色素a
C． Fe3+细胞色素b/Fe2+细胞色素b
D． NAD+／NADH
4.氰化物引起的缺氧是由于
A． 中枢性肺换气不良
B．干扰氧的运输
C．微循环障碍
D．细胞呼吸受抑制
5．肌肉中能量的主要贮存形式是下列哪一种?
A．ADP
B．磷酸肌酸
C．cAMP
D．ATP
25
2.能量偶联假说
化学偶联假说
构象偶联假说
化学渗透假说
26
化学渗透假说
132页
27
化学渗透假说的要点是
 线粒体内膜的电子传递链中有三个也是质子泵；
 电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱
动(逆浓度梯度)膜内侧的H+迁移到膜间隙（膜对H+、OH-、K+
和Cl-等离子是不通透的、）。产生了跨内膜质子梯度和电位
梯度；
 在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道
（ATP合酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程
中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。
 此学说是1961年英国化学家Peter Mitchell提出的，1978年
获诺贝尔化学奖。
28
支持这一假说的事实
直至现在并没有发现任何一种介于电子传递和
ATP形成的高能中间物；
氧化磷酸化作用的进行需要有完整的线粒体内
膜存在；
线粒体内膜对H+ OH+ K+ CL-等离子都是不通
透的；
破坏H+浓度梯度的形成（解偶联剂等）都必然
破坏氧化磷酸化作用进行；
线粒体电子传递所形成的电能够从线粒体内膜
逐出H+离子。
最直接的证据是纯化得到了F1/FoATP合酶
29
ATP生成的结构基础—ATP合酶系统
30
ATP合酶系统（Fo/F1 ATP酶）


134~136
如果有2~3个H+通过通道，
即合成一个ATP分子。
寡霉素和二环已基碳二亚
胺(DCCD)可结合到Fo亚基
上，抑制H+通过Fo，干扰
对质子梯度的利用从而抑
制ATP的合成。
31
氧化磷酸化示意图
32
三、氧化磷酸化的解偶联和抑制
137页
呼吸链能够正常传递，但是ADP不能磷酸化形
成ATP，这种作用称为。
解偶联剂
氧化磷酸化抑制剂
离子载体抑制剂
33
1. 解偶联剂


只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递，使电子传
递所产生的自由能都变为热能。
机制：解偶联剂将H+带到H+浓度低的膜内侧，破坏了
跨膜H+梯度，使H+不经Fo回流，破坏电化学梯度，因
而不能形成ATP。例：2,4-二硝基苯酚
外
pH 7
内
H＋
脂不溶
脂溶
34
2.氧化磷酸化抑制剂


氧化磷酸化抑制剂抑制氧的利用又抑制
ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上
的载体的作用。
机制：干扰ATP生成过程（ATP合酶），
干扰由电子传递的高能状态形成ATP的过
程，结果也使电子传递不能进行。
35
3.离子载体抑制剂

离子载体的抑制剂为脂溶性物质。这种
物质能与H+离子以外的其他一价阳离子
的结合K＋、Na+）使离子能够过内膜，破
坏氧化磷酸化过程。
36
四、胞液中的NADH 的再氧化 139页



细胞溶胶中的NADH逆浓度梯度转运到线粒体内
膜进入电子传递进行氧化。
肌肉、神经组织中的甘油-α-磷酸穿梭作用
（1.5ATP）
肝、肾、心等组织的苹果酸穿梭作用
（2.5ATP）
37
139页
1.肌肉、神经组织中的甘油-α-磷酸穿梭作用
NADH
NAD
胞液中：甘油-α-磷酸脱氢酶
二羟丙酮 磷酸
线
粒
体
内
膜
甘油-α-磷酸
二羟丙酮磷酸
甘油-α-磷酸
线粒体内：甘油-α-磷酸脱氢酶
FADH2
NADH
FMD
FAD
CoQ
b
c1
c
aa3
38
O2
2.肝、肾、心等组织的苹果酸穿梭作用
NADH
NAD
胞液中：苹果酸脱氢酶
天冬 转氨酶
草酰乙酸
氨酸
苹果酸
天冬 转氨酶
草酰乙酸
氨酸
苹果酸
线粒体内：苹果酸脱氢酶
NADH
NADH
FMD
CoQ
NAD
b
c1
c
aa3
O2
39
线
粒
体
内
膜
五、氧化磷酸化的调控
140页
氧化磷酸化的影响因素
 ATP/ADP比值
–ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；
–ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。
 药物和毒物
–呼吸链的抑制剂
–解偶联剂
–氧化磷酸化的抑制剂
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呼吸控制
 呼吸控制：指ADP作为关键物
质对氧化磷酸化的调节作用。
 定量表示法：是测定ADP存在
时氧的利用速率与没有ADP时
氧的利用速率的比值。通常
高于10。
 ATP/ADP+Pi （ 质 量 作 用 比
率）：作为细胞能量的一个
指标。
 3,4经常发生。
ADP
4
41
六、能量的利用

ATP循环：在能量代谢中起关键作用。
ADP＋磷酸肌酸
肌酸
42
能量代谢图示
43
思考题
氧化方式？ 生物氧化特点？
 生物氧化中CO2 、H2O、ATP是如何生成的？
 氧化磷酸化作用？电子传递抑制剂？呼吸控制？
P/O ？
 氧化磷酸化偶联机理(化学渗透假说)？
 解偶联DNP的作用机理？
思考题： 145页6,8

44