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：ΔG0=- n FΔE0 =-2 23.062 1.135 n-所传电子数 =-52.6Kcal/mol F-法拉第卡当量: 23.062KcalV-1mol-1 同理计算 FADH2被O2氧化 ΔG0=-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 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： NADH+H++FMN → FMNH2+NAD+ FMNH2+Fe-S（氧化型）→`FMN+Fe-S（还原型） 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Fe3+和2价Fe2+的价态变化。 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。 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： FADH2+Fe-S(+3) → FAD+Fe-S(+2) Fe-S(+2)+QH2 → Fe-S(+3)+Q 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。 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。 抗霉素A：抑制细胞色素还原酶中电子从QH2到Cyt c1的传递。 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/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。