时间月日星期课题第6章62电子传递链(呼吸链)

时间月日星期课题第6章6.2电子传递链(呼吸链)6.3氧化磷酸化6.4其它末端氧化酶系统教学目标1．掌握呼吸链组成及排列，氧化磷酸化,线粒体的穿梭系统2．了解呼吸链抑制和其他氧化系统。3。理解ATP生成有关机理教学重点呼吸链组成及排列，氧化磷酸化ATP生成教学难点氧化磷酸化机理，ATP生成的有关学说课型理论课教学媒体多媒体教法选择类比讲解、现象分析、、启发想象和思维教学过程6.2电子传递链(呼吸链)一、线粒体的结构各种类型的细胞都有其特有的线粒体数目和特性,如鼠肝细胞大约有800个线粒体,细胞内线粒体的位置常处于需要ATP的结构附近,或处于细胞进行氧化作用所需要的燃料附近.又如昆虫飞翔肌细胞的线粒体,就是沿肌原纤维作规则的排列,这使形成的ATP分子很容易被取用.线粒体常靠近细胞质内的脂肪滴,而脂肪滴正是氧化作用的很重要来源.线粒体的形状也随细胞不同而异.线粒体有两层膜,.外膜平滑稍有弹性,内膜有许多向内折叠的嵴.嵴的数目和结构随细胞的不同类型而异.嵴的存在有利于增加内膜的面积.在内膜嵴和嵴之间构成分隔,内膜内部的分隔中有液体基质,呈胶状,约含有50%蛋白质,有的基质构成网状,明显地附着在内膜的内表面上.当呼吸进行时,基质的体积和结构都不断地发生变化,用负染法和电子显微镜可见到在线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗粒[图7-6(b)].球的直径为8～9nm,并带有一细柄约5nm,3nm宽与嵴相连.已经证明这种颗粒结构只存在于线粒体内膜的内表面,称为内膜球体(innermembranesphere).电子传递酶类及与氧化磷酸化作用有关的各种酶类都分布在线粒体内膜上.二.电子传递链我们把电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增的顺序排列的电子传递体传递到氧的整个体系,称为电子传递链或呼吸链.电子传递链在原核细胞中存在于质膜上,在真核细胞中存在于线粒体的内膜上.一）电子传递链的组成主要由下列五类电子传递体组成，它们是：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类及辅酶Q（又称泛醌）。它们都是疏水性分子。除脂溶性辅酶Q外，其他组分都是结合蛋白质，通过其辅基的可逆氧化还原传递电子。（一）烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类（nicotinaminedehydrogenases）以NAD+和NADP+为辅酶，现已知在代谢中这类酶有200多种。这类酶催化脱氢时，其辅酶NAD+或NADP+先和酶的活性中心结合，然后再脱下来。它与代谢物脱下的氢结合而还原成NADH或NADPH。当有受氢体存在时，NADH或NADPH上的氢可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。其递氢机制是：当其接受代谢物脱下的一对氢原子时，就由氧化型（NAD+或NADP+）变为还原型（NADH＋H+或NADPH＋H+），吡啶环接受一个氢原子和一个电子后，氮原子就由五价变成三价，而H+则游离于介质中。这种转移是可逆的。AH2+NAD+/NADP+A+NADH/NADPH+H+在糖代谢中，许多底物脱氢是由以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶催化的，如异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶等。（二）黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类（flavindehydrogenases）是以FMN或FAD作为辅基。FMN或FAD与酶蛋白结合是较牢固的。这些酶所催化的反应是将底物脱下的一对氢原子直接传递给FMN或FAD而形成FMNH2或FADH2。其传递氢的机制是FMN或FAD的异咯嗪环上第1位及第10位两个氮原子能反复地进行加氢和脱氢反应，因此FMN、FAD同NAD+、NADP+的作用一样，也是递氢体。现以SH2代表还原式底物，以E-FMN或E-FAD代表具有不同辅基的酶，其反应可表示如下：SH2+E-FMNS+E-FMNH2SH2+E-FADS+E-FADH2在电子传递链中的NADH脱氢酶，它的辅基是FMN，它催化的反应是将NADH上的电子传递给电子传递链的下一个成员——辅酶Q；在三羧酸循环中，琥珀酸脱氢酶以FAD为辅基；在脂肪酸β-氧化中催化脂肪酸的第一步脱氢的酶——酰基-CoA脱氢酶的辅基是FAD。另外，二氢硫辛酸脱氢酶以FAD为辅基，该酶是参与丙酮酸形成乙酰-CoA以及α-酮戊二酸脱氢形成琥珀酰-CoA过程中多酶体系的一种酶。（三）铁硫蛋白类铁硫蛋白类（iron-sulfurproteins）的分子中含非卟啉铁与对酸不稳定的硫（酸化时放出硫化氢、也除去铁），二者成等量关系，排列成硫桥，然后再与蛋白质中的半胱氨酸连接。因其活性部分含有两个活泼的硫和两个铁原子，故称为铁硫中心，又称作铁硫桥。铁硫蛋白在线粒体内膜上与黄素酶或细胞色素形成复合物，它们的功能是以铁的可逆氧化还原反应传递电子氧化态三价铁形式是红色或绿色，还原态颜色消退，因此铁硫蛋白是单电子传递体。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素b及c１有关。另外，铁硫蛋白在叶绿体中也参与光合作用中的电子传递。（四）辅酶Q类辅酶Q（coenzymeQ，简称CoQ）是一类脂溶性的化合物，因广泛存在于生物界，故又名泛醌（ubiquinone）。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢和脱氢，故CoQ也属于递氢体。它的结构和传递氢机制可参看第四章中的维生素和辅酶内容，不同来源的辅酶Q的侧链长度是不同的。某些微生物线粒体中的辅酶Q含有6个异戊二烯单位（CoQ6）；动物细胞线粒体中的辅酶Q含有10个异戊二烯单位（CoQ10）。另外，植物细胞中的质体醌在光合作用的电子传递中起着类似的作用。（五）细胞色素类细胞色素（cytochromes,orcellularpigments）是一类以铁卟啉衍生物为辅基的结合蛋白质，因有颜色，所以称为细胞色素（Cyt-Fe）。细胞色素的种类较多，已经发现存在于高等动物线粒体电子传递链中的细胞色素有b、c1、c、a和a3。其中细胞色素c为线粒体内膜外侧的外周蛋白，其余的均为内膜的整合蛋白。细胞色素c容易从线粒体内膜上溶解出来。不同种类的细胞色素的辅基结构与蛋白质的连接方式是不同的。细胞色素中的辅基与酶蛋白的关系以细胞色素c研究得最清楚，见图6-2所示。在典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的排列顺序依次是：b→c1→c→aa3→O2，其中仅最后一个a3可被分子氧直接氧化，但现在还不能把a和a3分开，故把a和a3合称为细胞色素氧化酶，由于它是有氧条件下电子传递链中最末端的载体，故又称末端氧化酶（terminaloxidase）。在aa3分子中除铁卟啉外，尚含有两个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a3传到氧，故在细胞色素体系中也呈复合体的排列。二）电子传递链(呼吸链)的排列顺序由NADH到O2的电子传递链主要包括FMN,辅酶Q(CoQ),细胞色素b,c1,c,a,a3以及一些铁硫蛋白(铁硫中心),其中铁•硫中心和细胞色素类是含铁蛋白质,细胞色素aa3是含铜蛋白质.这些电子传递体传递电子的顺序是按照它们的还原电势大小排成的,这个序列与它们对电子亲和力的不断增加顺序相吻合.呼吸链电子载体的标准势能是逐步下降的,电子流动的方向是朝向分子氧.其中几个自由能明显变化的位点正是ATP合成的位点.真核细胞线粒体的呼吸链含有大量的电子携带蛋白质,这些特殊的蛋白质在电子传递链中也起电子传递作用.目前在电子传递链中所发现的组分已在15种以上，不同的电子传递体都和蛋白质结合存在,这些与呼吸链中电子载体相结合的蛋白质都是水不溶性的,因此给分离提取和研究这些蛋白质造成很多困难.这也正是当前研究工作者致力解决的问题.电子传递体从NADH(-0.32V)到氧(+0.82V)按照还原性电势大小的排列顺序呼吸链的全部电子载体组合第Ⅰ组中至少含有5种铁硫中心;第Ⅱ组中含有2种不同的细胞色素b和l种与组合Ⅰ不同的铁硫中心;第Ⅲ组中除细胞色素a,a3外还含有两个铜离子,这些氧化一还原中心的确切序列和功能尚未弄清.三）电子传递的抑制剂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.利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤,再测定链中各组分的氧化-还原态情况,是研究电子传递链顺序的一种重要方法.常见的抑制剂列举如下几种.1.鱼藤酮,安密妥,杀粉蝶菌素它们的作用是阻断电子由NADH向CoQ的传递.2.抗霉素A它是由链霉素分离出来的抗菌素,能抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1的传递.3.氰化物,硫化氢,叠氮化物,CO等有阻断电子由细胞色素aa3传至氧的作用.6.3氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及类型1、氧化磷酸化的概念氧化磷酸化：与生物氧化中电子传递链放能过程相偶联的ADP磷酸化产生ATP的过程。2、ATP的生成方式（1）底物水平磷酸化指底物因分子内部能量的重新分配而形成了一种高能化合物，通过酶的作用将其高能键的能量转移给ADP而生成ATP。该过程无氧参加，也不经过电子传递链，而是ADP的磷酸化发生在底物直接氧化的水平上或底物非氧化的水平上。如：3—P—甘油醛脱氢氧化并磷酸化为1,3—二磷酸甘油酸。1,3—二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化作用下，将其C1位上的高能磷酸基团转移给ADP而生成ATP或：2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化作用下，将其C2位上的高能磷酸基团转移给ADP而生成ATP。（2）氧化磷酸化（3）光合磷酸化指光驱动电子在光合链中传递释放能量使ADP磷酸化为ATP。部位在类囊体膜，分环式和非环式两种。高等植物的ATP生成方式有三种：氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合磷酸化；动物的ATP生成方式只有两种：氧化磷酸化、底物水平磷酸化。二、氧化磷酸化与电子传递的偶联H和e经过电子传递链的递氢体和递电子体传递，最后将H和e传给O2生成H2O，整个过程发生了一系列的氧化还原反应，是一个放能反应。即：NADH（—0.32V）＋H＋＋1/2O2（0.82V）→NAD＋＋H2OΔGºˊ=—nFΔEºˊ=—220KJ/molADP磷酸化产生ATP是一个吸能反应。即：3ADP＋3Pi→3ATP＋3PiΔGºˊ=30.5×3=91.5KJ/mol由于热力学上一个不易自发进行的反应（ΔGºˊ0）可以被另一个易于进行的反应（ΔGºˊ0）所驱动。只要总自由能的变化ΔGºˊ（各反应的ΔGºˊ的代数和）≤0。所以如果一对电子经电子传递链传递与ADP的磷酸化过程相偶联，即可形成3ATP。捕获了能量的42%，其它能量以热能的形式释放。2e(2H)（电子传递链）SH21/2O2氧化放能相互偶联3ADP＋3Pi3ATP磷酸化发生部位：线粒体内膜（真核生物）、原生质膜（原核生物）1、偶联部位电子传递链中有三个偶联部位：I、III、IV—0.32—0.30—0.020.100.000.040.220.250.290.550.825．ATP酶的旋转催化理论F1F0-ATP合酶是一种分子马达，它能够利用跨膜的质子浓度梯度推动γ亚基旋转，进而在α/β亚基界面上催化合成ATP，也能够利用ATP水解推动γ亚基旋转，将ATP中蕴藏的化学能转变成为机械能．ATP水解发生在α/β亚基界面上．但是在ATP水解过程中，高能磷酸键断裂释放的能量如何传递给γ亚基，使之旋转？6．腺苷酸的转运四．氧化磷酸化的解偶联和抑制氧化磷酸化过程可受到许多化学因素的作用。不同化学因素对氧化磷酸化过程的影响方式不同，根据它们的不同影响方式可分：解偶联剂和氧化磷酸化抑制剂。（一）解偶联剂某些化合物能够消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度，使ATP不能合成，这种既不直接作用于电子传递体也不直接作用于ATP合酶复合体，只解除电子传递与ADP磷酸化偶联的作用称为解偶联作用，其实质是光有氧化过程（电子照样传递）而没有磷酸化作用。这类化合物被称为解偶联剂（uncouplers）。人工的或天然的解偶联剂主要有下列三种类型：1．化学解偶联剂2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol，DNP）是最早发现的也是最典型的化学解偶联剂（chemicaluncouplingagent），其特