第八章生物氧化-4.ppt

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1、第一节、生物氧化的方式和特点 第二节、生物能及其存在形式 第三节、线粒体呼吸链和ATP合成,第八章 生物氧化和生物能,脱氢：琥珀酸脱氢 乳酸脱氢酶,加水脱氢：如：p284延胡索酸,生物氧化方式： 1脱氢氧化反应,生物氧化的方式和特点,2 氧直接参加的氧化反应p284,1.加氧酶催化的加氧反应 2，氧化酶催化的生成水的反应，是各种脱氢反应的氧化形式。,3生成二氧化碳的氧化反应,氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA。p285,4. 脱电子反应 从底物上脱下一个电子的反应p285,真核细胞,

2、生物氧化的位置,原核生物细胞,细胞质中脱氢、产生CO2,细胞膜 产H2O 产能,三、参与生物氧化的酶类,1、脱氢氧化酶类 氧化酶类：氧化酶直接作用于底物，以氧作为电子受体或受氢体，产物是水。 需氧脱氢酶类：以FAD、FMN为辅基，以氧为直接受氢体，产物为过氧化氢或超氧阴离子（O2-） 3、不需氧脱氢酶类：主要脱氢酶类，以NAD、NADP、FMN、FAD为受氢体,2 加氧酶类,A 单加氧酶类：氧分子中一个氧原子加至底物使之羟基化，另一氧原子被NADPHH提供的氢还原为水。过程无ATP生成 B 双加氧酶：两个氧原子分别加到底物中构成双键的两个碳原子上，如色氨酸双加氧酶。图在p287,3 过氧化物酶

3、,A 过氧化氢酶：此酶催化两个H2O2分子的氧化还原反应，生成水并释放出氧。 B 过氧化物酶：此酶催化下，过氧化物直接氧化酚类或胺类物质。p287,高能化合物,磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起着重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。 一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。,生物能及其存在形式,1、磷氧键型（OP),(1) 酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,根据生物体内高能化合物键的特性，分成以下几种类型：,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）

4、焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷） 生物体内自由能的通用货币,焦磷酸, ,？,键不同 酸酐键的共振稳定性小于磷酸酯键型：争夺氧桥电子。后者无此现象。 在生理条件下，ATP上三个磷酸基团的-OH都是电离的，这是四个负电荷彼此接近，并且互相排斥，要维持这种状态则需要大量的能量，而当两个磷酸酐键的任何一个断开时则就摆脱这种紧张的高能状态，并且释放能量。当末端两个磷酸酐键（或）水解时，有大量的自由能释放出来。, ,磷酸酯键,酸酐键,两分子该酸或多分子该酸通过分子间的脱水反应而形成该酸的酸酐。,磷酸烯醇式丙酮酸,2、氮磷键型,磷酸肌酸,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸精氨酸,3、硫酯键型,酰基辅酶A,4、甲

5、硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,这些高能化合物都含有易水解的键型，其水解后产物含有 较少的自由能，即它们都含有比ATP更高的基团转移势能。,以上，高能化合物，下面说ATP生成？,线粒体呼吸链和ATP合成 1.线粒体的结构与功能,线粒体是真核生物重要的细胞器，是真核生物氧化性代谢的场所。 线粒体含有丙酮酸脱氢酶复合物、柠檬酸循环的酶、催化脂肪酸氧化的酶以及电子传递和氧化磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白。因此，线粒体常被描述为细胞的“动力车间”。 光滑的外膜大约由3040%的脂类和6070%的蛋白质组成。外膜还含有一种很丰富的(膜)孔蛋白，是一种跨膜蛋白，富含-折叠片。该蛋白能形成很大的跨膜通道，允许分子

6、量10，000以下的分子自由扩散。外膜主要行使保持线粒体形态的功能。,线粒体的形态和结构,脊(cristae),膜间空间,内侧基质,线粒体内膜连续内折，形成脊(cristae)，从而为内膜在一个小的线粒体范围内提供较大的表面积。与电子传递和氧化磷酸化过程密切相关的蛋白质和电子传递体一般都位于内膜脊上。内膜的存在把线粒体分隔成膜间空间和内侧胶状基质。膜间空间位于内膜和外膜之间，几种能够利用ATP的酶可在这一分隔间找到。,线粒体内膜富含蛋白质，蛋白质约占80%。因此，内膜的密度比外膜高。 内膜对分子和离子是不可通透的。跨线粒体内膜转运的离子、底物、脂肪酸都是通过膜上的特殊的转运蛋白完成的。,线粒体

7、呼吸链的组成,由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成。这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。 供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶有严格排列顺序。 组分包括烟酰胺腺嘌呤核苷酸、黄素蛋白、铁-硫蛋白、辅酶Q以及细胞色素类蛋白。,NADH它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,NAD、NADP吡啶环上N为5价氮，可 逆的接收电子后转变为3价。 底物脱下2个氢原子，一个加到吡啶 环N对位上，另一个氢原子裂解为 一个质子和一个电子，电子与吡啶环 5价氮结合，中和其正电荷而变为 3价氮，质子留在介质中。 可逆转换

8、时？2个氢原子向下传递 p290,呼吸链的主要成分：递氢体和递电子体 1、NAD和NADP为辅酶的脱氢酶,接受H原子 1H加5位N，e加4a 2H加1位N，e加10a,FMN、FAD有氧化型和还原型式，通过态的互变，作为脱氢酶的辅酶,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,2、黄素酶 【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,3、铁硫蛋白,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。,氧化态,还原态,4、泛醌 p293-294,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体

9、。 Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子（即氢原子），还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，铁原子处于卟啉环的中心。 细胞色素存在于线粒体内膜，有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1。 细胞色素为单电子传递体。,5、细胞色素类,组成：一分子NADH还原酶（FMN）+2分子铁硫蛋白+一分子CoQ 活性部分：辅基FMN和铁硫蛋白。 作用：是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2 FMN的作用是接受

10、脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子、质子（即氢原子）转移给Q。 电子传递方式：NADHFMNFeS-CoQ,NADHQ还原酶，即复合物I。,2 呼吸链的组成,复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）,1琥珀酸脱氢酶 + 2（Fe-S）+2（Cyt b560）,琥珀酸,延胡索酸,脱2个氢原子,活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化生成FADH2，2H经FeS中心传递给Q，生成QH2。,复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）,QH2带的电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c；,是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是将电子由Co

11、Q传递给Cyt c，催化细胞色素c（cyt. c）的还原。 QH2-cyt. c 还原酶 QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) = Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+ QH2-cyt. c还原酶活性包括2分子细胞色素b 和一分子Cytc1，以及一分子铁硫蛋白,内膜外(内外膜之间的空间),细胞色素c氧化酶，简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，,位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物。 活性部分一分子cyt. a和a3为复合体，含有2个铜离子p295。 cyt. a a3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c

12、所携带的电子传递给O2。,电子传递链：电子通过一系列的按照电子亲和力递增的顺序排列（还原电势递增排列并与对电子亲和力不断增加顺序一致）的递电子体传递到氧的系统。P297图 存在于原核细胞的细胞质膜上和真核细胞的线粒体内膜上。,呼吸链成分的排列顺序,NADH链,FADH2链,1,这两条链的细节？,Q,C,氧化-还原电势与自由能的变化,尽管NADH与O2之间存在较大的电位差，他们并不能直接发生反应，NADH脱下的H必须进过递氢体和递电子体的传递，使能量逐步释放，释放的能量才得以储存,NADH氧化呼吸链,脱氢酶作用下，NADH+H+将2个氢原子传递给FMN生成FMNH2，再将氢原子传递给CoQ，生成

13、CoQH2，此时，H2解离成2 H+ 和2e， 2 H+ 游离于线粒体内膜外与外膜形成的间隙介质中，2e通过b(Fe-S) c1 c aa31/2O2传递给O，形成的O2-与2H+生成水,NAD+ FMN (Fe-S)CoQb(Fe-S) c1 c aa31/2O2 -0.32 -0.30 +0.04 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.82,琥珀酸氧化呼吸链（FADH2链）,琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接收脱掉的2H生成FADH2，氢传递给CoQ生成CoQH2，之后 H2解离成2 H+ 和2e， 2 H+ 游离于线粒体内膜外与外膜形成的间隙介质中，2e

14、通过b(Fe-S) c1 c aa31/2O2传递给O，形成的O2-与2H+生成水,NADH链,FADH2链,1,为什么是这样一个顺序呢？,Q,C,氧化-还原电势与自由能的变化,尽管NADH与O2之间存在较大的电位差，他们并不能直接发生反应，NADH脱下的H必须进过递氢体和递电子体的传递，使能量逐步释放，释放的能量才得以储存,依据各传递体的标准电极电位Eo NADH链 NADHFMNCoQbc1caa3O2 判断各自所发生的“传递反应”Eo大小顺序？ 答案：升序，低电位向高电位流动。 Eo-0.32-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816 Eo越小（负值大），提供

15、电子的趋势越大，还原能力越强。 电势差，电场，释放能量何处为？泵H+,呼吸链中传递体的顺序确定,p297,ATP生？,NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。 生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。,？是3ATP,泛醌-细胞色素c还原酶,电子传递体系（NADH链） 磷酸化效率：P/O，指用某一代谢物作底物时，消耗1mol氧时，有多少摩尔无机磷转化为有机磷,FADH2链,根据Pi / O消耗比例3:1、2:1,NADH

16、2+1/2O2+ 3ADP+3Pi NAD+H2O+3ATP,？是3ATP ？是2ATP,合成1mol ATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。 故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。抗坏血酸氧化从细胞色素c进入呼吸链，产生1个ATP。 FAD NAD+ FMN (Fe-S)CoQb(Fe-S) c1 c aa31/2O2 -0.32 -0.30 +0.04 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.82 ATP ATP ATP 即ATP合成的三个部位： 1.复合体1（ NA

17、DHQ还原酶）将NADH的质子电子传递给CoQ的过程 2.由复合体3（泛醌-细胞色素c还原酶）将电子由CoQ传给细胞色素C 3.由复合体4（细胞色素c氧化酶）将电子传给O2,底物水平磷酸化： 不需氧，也不通过呼吸链，在底物脱氢氧化的时，分子内部发生能量从新分配而形成高能键，并用于ATP生成 氧化磷酸化：p303 能荷P303-305,4.偶联机制：化学渗透偶联假说,a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度

18、（）； c. 在膜内外势能差（pH 和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP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。,化学渗透偶联假说,唯一与大部分实验现象相符的假说，被普遍接受 P.Mitchell因此获78年诺贝尔化学奖 要点： （1）呼吸链的电子传递是一个主动转移的泵，氢传递体利用传递反应能量将线粒体基质中的H+泵出内膜，进入内膜外侧，形成线粒体内膜外高内低的H+ 浓度梯度；,（2）内膜阻止H+自由进入，形成膜内外电位差(E)；,电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）

19、。,滚滚长江东势水，电势能变化,（3）E推动ATP合成酶为ADP磷酸化提供能量。,氧化磷酸化的影响因素,A）ATP/ADP比值： ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。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。p307,NAD+ FMN (Fe-S)CoQCb(Fe-S) c1 c aa31/2O2,阿的平,安密妥、 粉蝶霉素A、鱼藤酮等,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、H2S 和CN-,呼吸链的抑制剂：能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的物质，ATP不能生成。抑制剂对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用。 解偶联剂：不抑制呼吸链的递氢

20、或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化,称为解偶联剂。其可以携带质子穿越线粒体内膜，破坏内膜两侧的质子梯度，使磷酸化动力缺乏，ATP不生，破坏氧化和磷酸化偶联的作用，氧化释放能量全部以生物热的形式散发。但是对底物水平磷酸化和非氧化磷酸化没有影响。解偶联剂有2,4-二硝基酚、双香豆素。p307,抑制剂p307,p300,氧化磷酸化的调节p307-308,原子示踪技术确定标记氧原子来自O2，为单加氧酶类催化结果如：单加氧酶cytochrome P450， 那么，呼吸链与Rif合成关系如何呢？,NAD+ FMN (Fe-S)CoQCb(Fe-S) c1 c aa31/2O2,那么，氧是如何进入Rif分子的呢？,5.线粒体外的氧化磷酸化,膜屏障 ：线粒体是燃料分子的最终氧化场所，但并不是全在其中完成。因线粒体膜的屏障作用，不少物质不能自由透过线粒体膜。内膜上存在特异载体分转运不同物质。 燃料分子在胞液生成的NADH、NADPH因线粒体上不存在相应载体，不能直接透过线粒体膜，要经过穿梭系统 穿梭作用：胞液生成NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。,