第七章 生物氧化-2

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 生物氧化,第一节 概述,第二节 呼吸链,第三节,ATP,的生成与生理功能,代谢作用中的能量关系,分解代谢,:,有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、,CO,2,和,NH,3,等），分解代谢,释放能量,，部分被转化为,ATP,和还原的电子载体（,NADH,，,NADPH,和,FADH,2,），其余的作为热量散失。,合成代谢,:,小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等，合成代谢,需要能量的输入,，通常需要,ATP,和还原力（,NADH,、,NADPH,和,FADH,2,）。,新陈代谢的特点,严格的细胞内定位,特异的酶促反应,共通的代谢间关联,高效率的调控机制,酶的调节,激素的调节,神经系统的调节,生物进化程度越高，代谢的调节机构越复杂,第一节 概述,一、一般概念,1,、生物氧化,：,糖、脂、蛋白质等有机物在体内经过一系列的氧化分解，生成水和二氧化碳，同时放出能量的过程。,需要消耗氧气并放出二氧化碳，也称,组织呼吸,或,细胞呼吸,生物氧化主要包括以下三个方面的内容：,（,1,）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的,C,变成,CO,2,-,CO,2,如何形成？,（脱羧反应）,（,2,）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的,H,氧化成,H,2,O-,H,2,O,如何形成？,（电子传递链）,（,3,）当有机物被氧化成,CO,2,和,H,2,O,时，释放的能量怎样转化成,ATP-,能量如何产生,？（,底物水平磷酸化和氧化磷酸化）,氧化方式：失电子、加氧、脱氢,脱氢,:,生物氧化的主要方式,二氧化碳生成：脱羧,水的生成：耗氧，氢与氧结,2,、生物氧化的方式,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同：,都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气；,都生成,CO,2,和,H,2,O,；,释放的能量也相同。,可见，两者的结果是相同的，但是，二者进行的方式和过程有所不同。,3,、生物氧化的特点,区别点,体外燃烧,生物氧化,作用条件,高温、高压、干燥，,一步完成，热能或光能形式爆发式释放,酶,温和条件,水，多步，逐步释放并转移到,ATP,中,CO,2,的生成,碳和氧气直接化合,有机物脱羧：氧化脱羧或直接脱羧,水的生成,氢和氧气直接化合,底物分子脱下的氢经,一系列氧化还原反应，最后和氧化合为水,二、 氢的去路,-,水的生成,底物分子脱下的氢，在有氧气的条件下，多数要经一系列传递过程，最后和氧化合为水。,脱下的氢和失去的电子：氢或电子的传递过程,-,酶所催化的一系列连续发生的氧化还原反应,-,链锁式，又和呼吸有关,-,呼吸链,第二节 呼吸链（电子传递链）,指由存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体所组成的传递体系。,电子传递链在原核生物中存在于质膜上,在真核细胞存在于线粒体内膜上,呼吸链由一系列的,氢传递体,和,电子传递体,组成。包括：,（,1,）,NADH,脱氢酶复合体（,NADH-CoQ,还原酶,),含有铁硫蛋白（,Fe-S,）,（,2,）辅酶,Q(CoQ),（,3,）琥珀酸,-Q,还原酶,(,以,FAD,或,FMN,为辅酶，同时包含有铁硫中心,) (,琥珀酸脱氢酶,),（,4,）细胞色素还原酶（细胞色素,bc,1,复合体）,（,5,）细胞色素氧化酶：包括细胞色素,a,和细胞色素,a,3,一、呼吸链的组成,1,、烟酰胺脱氢酶类,以辅酶,I,或辅酶,II,为辅酶,维生素,PP,（抗癞皮病维生素）：,尼克酸（烟酸）和尼克酰胺（烟酰胺），可以相互转化。,尼克酰胺（烟酰胺）是辅酶,I,和辅酶,II,的组成成分,辅酶,I,：,CoI,，,NAD,+,辅酶,II,：,CoII,，,NADP,+,辅酶,I,和辅酶,II,是多种,脱氢酶的辅酶,在氧化还原反应中,传递氢,其中烟酰胺可以作为氢的供体或受体,脱氢酶脱掉底物分子上的,2H,，,一个,H,以原子形式结合到吡啶环,的,C-4,上,H,H,+,+e,其中一个,H,+,游离到溶液中,e,与吡啶环上,的,N,结合，,N,由,+5,价变为,+3,价。,LDH,，苹果酸脱氢酶，,3-,磷酸甘油醛脱氢酶，,6-,磷酸葡萄糖酸脱氢酶等,3-,磷酸甘油醛,NAD,+,乳酸,1,，,3-,二磷酸,NADH+H,+,丙酮酸,甘油酸,维生素,PP,缺乏症：,辅酶,I,（,CoI,，,NAD,+,）,和辅酶,II,（,CoII,，,NADP,+,）合成量下降，影响机体代谢。,主要症状：,皮炎，腹泻，痴呆,-,癞皮病,是维生素中最稳定的一种,体内色氨酸可以转化为尼克酸,玉米：缺少色氨酸和烟酸,2,、,黄素脱氢酶类,以,FMN,或,FAD,作为辅基,NADH,脱氢酶：,FMN,琥珀酸脱氢酶、脂酰辅酶,A,脱氢酶：,FAD,FMN,和,FAD,是一些氧化还原酶的,辅基,琥珀酸脱氢酶，脂酰辅酶,A,脱氢酶：,FAD,细胞色素,C,还原酶，,L-,氨基酸脱氢酶：,FMN,广泛参与体内各种氧化还原反应，对糖、脂、蛋白质代谢影响重大。,缺乏症：,口角炎，唇炎，舌炎,3,、铁硫蛋白,金属蛋白质,传递电子,Fe,3+,+ e Fe,2+,4,、辅酶,Q,（,CoQ,）,脂溶性的醌类物质，又称,泛醌,能可逆地加氢形成,氢醌,，属于,递氢体,CoQ + 2H CoQH,2,泛醌 氢醌,5,、细胞色素类,只存在需氧生物中，以,铁卟啉作为辅基,递电子体,铁离子的氧化与还原,Fe,3+,+ e Fe,2+,b,，,c,1,，,c,，,a,，,a,3,:,辅基结构不同，与蛋白质的连接方式也不同。,细胞色素,a,3,：铁还保留一个配位键，能与氧气、,CO,、,CN,-,相连，正常功能是结合氧气。,只有细胞色素,a,3,能,直接,将电子交给氧。,电子传递顺序,b-c,1,-c-aa,3,-O,2,细胞色素,aa,3 -,细胞色素,C,氧化酶,1/2 O,2,-O,2-,，与游离在介质中的,H,+,结合成为水。,二、呼吸链顺序,AH,2,NAD,+,FMN,CoQ,b c,1,c aa,3,O,2,FAD,BH,2,NADH,呼吸链：,大多数代谢产物,FADH,2,呼吸链：,琥珀酸、脂酰辅酶,A,，,-,磷酸甘油,呼吸链,-,几个大蛋白质复合物组成,NADH,呼吸链,：,复合物,I,：,NADH,脱氢酶复合物（,NADH-Q,还原酶）,复合物,II,：细胞色素,bc,1,复合物，细胞色素还原酶,复合物,III,：细胞色素氧化酶,FADH,2,呼吸链,：,复合物,IV,：琥珀酸,-Q,还原酶,复合物,II,：细胞色素,bc,1,复合物，细胞色素还原酶,复合物,III,：细胞色素氧化酶,呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图,IV:,琥珀酸,-Q,还原酶,II:,细胞色素还原酶,III:,细胞色素氧化酶,I :,NADH-Q,还原酶,顺序的确定,1,、,各种电子传递体的标准氧化还原电势（,E,O,）值,NAD,+,FMN CoQ b c,1,c a a,3,O,2,-0.32,-0.30 0.10 0.07 0.22 0.25 0.29 0.39 0.82,FAD,-0.18,电子总是从低,E,O,高,E,O,流动，,E,O,数值越小，供电子趋向越大，越排在呼吸链前面。,呼吸链中电子传递体的氧化还原电位,2,、由,阻断传递体的,抑制剂来确定：,抑制剂阻断某一部位，电子传递不能正常进行,阻断部位前：还原状态,阻断部位后：氧化状态,鱼藤酮、大黄酸、大黄素：,NADH- CoQ,抗霉素,A,：,b - c,1,氰化物、,CO,等：,aa,3,-O,2,3,、呼吸链各组分在体外重组：,NADH,可以使,NADH,脱氢酶,（,FMN,）还原，但不能直接还原,b,，,c,1,，,c,，,aa,3,NADH,呼吸链：大多数代谢产物,FADH,2,呼吸链：琥珀酸、脂酰辅酶,A,三、线粒体外,NADH,的氧化,线粒体外,NADH,不能穿过线粒体膜，要借助,穿梭作用,才能参加呼吸链。,线粒体外的,NADH,将所带的,H,交给某种能穿过线粒体膜的化合物，进入线粒体后再氧化。,担任穿梭作用的主要物质：,1,）,-,磷酸甘油,：,FADH,2,呼吸链,2,）,苹果酸,：,NADH,呼吸链,-,磷酸甘油：,FADH,2,呼吸链,大脑、肌肉组织,苹果酸：,NADH,呼吸链,肝脏、心肌组织,线粒体外,NADPH,的氧化,将,H,交给,NAD,+,形成,NADH + H,+,，进入穿梭作用,但大多数情况下，作为供氢体参与合成反应，如脂肪酸的合成需要以,NADPH + H,+,作为供氢体,第三节,ATP,的生成及生理功能,一、高能化合物,高能键：水解或基团转移时释放大量能量的键。一般释放,20.90,千焦,/,摩尔以上，用,表示,类型：,磷氧键型：酰基磷酸化合物，焦磷酸化合物，烯醇式,磷酸化合物,氮磷键型：,硫酯键型：,甲硫键型：,ATP (,腺嘌呤核糖核苷三磷酸,),氨甲酰磷酸,1,，,3-,二磷酸甘油酸,烯醇式磷酸丙酮酸,磷氧键型：,硫酯键型：乙酰辅酶,A,甲硫键型：,S-,腺苷甲硫氨酸,氮磷键型：磷酸肌酸,两种方式：,1,、底物水平磷酸化,2,、氧化磷酸化,-,电子传递体系磷酸化,二、,ATP,的生成,1,、底物水平磷酸化,物质在分解时，由于脱氢或脱水，引起底物分子内部能量重新分布，结果形成了高能键。,(,形成了某些,高能磷酸化合物,的中间物,).,底物分子中的高能键再转移给,ADP,生成,ATP,，这个过程称为,底物水平磷酸化,.,底物水平磷酸化：与氧气是否存在无关,糖无氧氧化中取得能量的唯一方式,底物水平磷酸化反应,2,、氧化磷酸化,-,电子传递体系磷酸化,生成,ATP,的主要方式，占,95%,物质氧化脱氢，氢及电子沿呼吸链传递，逐步放出能量，同时伴随,ADP,磷酸化生成,ATP,的反应，,-,氧化磷酸化,。,在结构完整的线粒体中,氧化,（底物脱氢或失电子,）与,磷酸化,（,ADP,与,Pi,合成,ATP,）,这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于,ATP,合成，这个过程就是,氧化磷酸化,。,依靠呼吸链上的电子传递体系完成,-,电子传递体系磷酸化。,（,1,）氧化磷酸化,偶联部位,的确定,A,、,自由能变化值,1molATP,水解生成,ADP,与,Pi,所释放的能量为,30.54,千焦；,凡氧化过程中释放的能量大于,30.54,千焦，均有可能生成,1molATP,，就是说可能存在有一个偶联部位。,呼吸链中电子对传递时氧化还原电位及自由能的变化,NADH FMN,CoQ b,C,1,C,aa,3,-0.32,0.07,0.25,0.29,0.82,标准氧化还原电位,（从低到高）,O,2,自由能变化值,电子流动方向,E,0,在,NADH(FMN)CoQ, Cyt bCyt c,和,Cyt a3O,2,处,部位有大的“跳动”，产生较高的自由能,-,可能存在着偶联部位,。,E,0,值 （,V,）,FMNCoQ, 0.40,Cyt bCyt c 0.18,Cyt a,3,O,2,0.53,G,反应自由能，,G = - nF,E,0,(n,反应中得失电子数，,F,法拉第常数,96500,，,E,0,电位差）,E,(V) 0.40 0.18 0.53,G(KJ/mol) 77.2 34.74 102.3,偶联部位示意图,生成,ATP,部位,大量实验证明：,NADH,呼吸链,:,FMNCoQ,Cyt bCyt c,Cyt a3O,2,FADH2,呼吸链：,CoQ,之前途径较短，释放的能量不足以形成,ATP,，因此只有后两个部位生成,ATP,。,Cyt bCyt c,Cyt a3O,2,1961,年英国生物化学家,P.Mitchell,首先提出，,1974,年,P.Mitchell,与,Moyle,又作了修改。,电子传递的结果使,H,+,从线粒体内膜基质,“,泵,”,到膜外液体中，形成一个,跨内膜的,H,+,离子梯度,，这梯度所含的势能促使,ATP,生成。,（,2,）氧化磷酸化偶联机理,:,化学渗透假说,设想：,在完整的线粒体膜中， 呼吸链中,传氢体和电子传递体,间隔交替排列，电子传递链在内膜上构成,3,个回路，每个回路均有,质子泵,作用。,三个质子泵将,H,+,从线粒体,膜内基质,“泵”到,膜间空间,，产生,跨膜质子梯度,（,H,+,浓度梯度和跨膜电位差）,电子在呼吸链上传递，通过三个质子泵将质子从线粒体,膜内基质,泵到,膜间空间,，产生,跨膜质子梯度,（,H,+,浓度梯度和跨膜电位差）。,跨膜电势差：,内膜外侧的,H,+,离子浓度比膜内侧高,-,包含一种势能，这种能量为膜上的,ATP,合成酶所利用，驱使,ADP,磷酸化生成,ATP,。,线粒体内膜，在完整的线粒体上使,ADP,加磷酸合成,ATP,。,包括,F1,（,F1ATP,酶） 和,Fo,两部分,ATP,合成酶 （,F,o,F,1,ATP,酶）,ATP,合成酶：,F1,部分,（,F1ATP,酶）,：亲水，,MW=38,万，,9,个亚基组成，似球形把手。单独存在不能使,ADP,与磷酸合成,ATP,，但能水解,ATP,成为,ADP,和磷酸。,Fo,部分：,疏水，,嵌埋于内膜并横跨内膜。是跨膜的质子通道。,Fo-F1,柄,部：寡霉素敏感蛋白。,H,+,是不能自由回到膜内侧的，但内膜上,ATP,合成酶将膜外侧的,H,+,转化成内侧的,H,+,-,质子逆向回流。,ATP,合成酶的基部（,Fo,部分）有一个通道，能使,2H,+,穿过内膜双分子层进入,ATP,合成酶的头部（,F1,部分），进入内膜内侧，与磷酸的一个氧反应，脱去一分子水，形成非常活泼的磷酸基团和,ADP,结合形成,ATP,化学渗透学说的缺陷,1,）未能解释质子究竟怎样通过电子传递链从线粒体膜内基质泵到膜间空间？,2,）有不少报道与化学渗透学说相矛盾的实验结果,.,化学渗透学说的电子传递顺序与前面所提出的呼吸链顺序并不完全一致：,CoQ,可以在细胞色素,b,和细胞色素,c,之间。,-,生物能研究中关注的问题,一对电子从,NADH2,或,FADH2,到氧有多少质子从线粒体基质泵出，以及有多少质子必须通过,FoF1ATP,酶返回基质以用于,ATP,的合成。,到底生成几个,ATP,？,最新测定：,每对电子经,NADH-Q,还原酶、细胞色素,bc1,复合物、细胞色素氧化酶传递时，从线粒体内膜基质泵出到膜外的,H,+,数分别为,4,、,2,、,4,。,合成一个,ATP,需要,3,个,H,+,通过,ATP,合成酶所驱动，将,ATP,从基质运往膜外可能需要,1,个,H,+,，因此合成一个,ATP,需要,4,个质子,的移动。,一对电子：通过,NADH,呼吸链将产生,2.5,个,ATP,；,通过,FADH2,呼吸链将产生,1.5,个,ATP,。,NADH,呼吸链：,2.5,FADH2,呼吸链,:,1.5,（,3,）,氧化磷酸化,的,解偶联和抑制作用,部位：,NADH,和,CoQ,之间，细胞色素,b,和,c,之间，细胞色素,aa3,和氧之间。即为用抑制剂所抑制的部位，哪三个？,鱼藤酮， 抗霉素,A,，氰化物,-,电子传递抑制剂,解偶联剂,不抑制呼吸链中电子的传递，抑制,ADP,磷酸化生成,ATP,，使氧化和磷酸化作用不能偶联，称为,解偶联剂,。,刺激线粒体对氧需要，但抑制,ATP,的形成，产生的能量只能以热能形式释放。,2,，,4-,二硝基苯酚（,DNP,）,过量甲状腺素,氧化磷酸化,抑制剂,既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载体的作用。,如寡霉素,-,结合在质子通道中，防止质子进入，从而抑制,ATP,合成。,区 别,电子传递抑制剂,氧化磷酸化的解偶联剂,氧化磷酸化的抑制剂,三、,ATP,的生理作用,ATP,含有二个高能磷酸键,ATP+H,2,O ADP+H,3,PO,4,+35.51,千焦,ADP+H,2,O AMP+H,3,PO,4,+35.51,千焦,ATP,功能,-,合成代谢，分解代谢,ATP,浓度过高，转移到“磷酸原”中贮存,磷酸原：脊椎动物,-,磷酸肌酸,无脊椎动物,-,磷酸精氨酸,磷酸原：能量的贮存形式，所含的高能键只有 转移给,ADP,生成,ATP,才能直接供能,肌酸（,C,） 磷酸肌酸（,C,P,）,体内某些反应并不直接利用,ATP,供能,蛋白质合成：,GTP,糖原合成：,UTP,磷脂合成：,CTP,但这些三磷酸核苷酸分子中的高能键也是来源于,ATP,ATP+GDP,ADP+GTP,ATP,是体内能量贮存、利用、转移的中心,1,、什么叫呼吸链？它由哪些组分组成？有哪些方法可用来确定电子传递顺序？,2,、试比较有机物的生物氧化和体外燃烧的异同点。,3,、试解释氧化磷酸化的化学渗透假说。,作业,