第十章生物氧化.ppt

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1、第九章 生物氧化,物质与能量代谢、合成与分解代谢的关系,第一节 生物氧化的一般概念,一、 生物氧化的定义和特点 糖、脂、蛋白质和核酸等有机物在机体内 经过一系列的氧化分解，最终生成CO2和H2O等 小分子物质并释放出化学能的总过程称为生物氧 化。它实际上是需氧生物呼吸作用中的一系列氧 化-还原过程。 由于生物氧化是在组织细胞内进行，氧化作 用和吸入O2、呼出CO2的呼吸作用密切相关，所 以又将生物氧化称为组织呼吸或细胞呼吸。,生物氧化的特点： 1. 生物氧化是在体温条件下，通过酶的催化作用 逐步氧化，脱下的H和电子通过呼吸链传递； 2 . 氧化过程中产生的能量通常储存在特殊的高能 化合物（主要

2、是ATP）中, 氧化过程还产生 NADPH等还原性物质，用于满足合成反应的 需要; 3. 氧化作用和合成作用是同时进行的。,aA + bB cC + dD,二、 生物氧化的物理化学基础,G = G + RT lnCD/AB,生物体内的物质有很多属于氧化还原物质，物质被分解代谢的过程就是不断地被脱氢、加氧的过程。失去电子的物质叫还原剂，得到电子的物质叫氧化剂。,氧化还原所释放的能量可以利用公式 -GnEF 来计算。 机体中的许多反应是靠电势能来推动的，如细胞或细胞器膜不允许游离的电子自由通过，就形成了膜内外的电子梯度，从而产生了电势。这种跨膜电势可提供能量，使膜上的反应得以进行。,三 ATP的作

3、 用及其他的高能化合物,ATP 的 结 构 特 性,高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸的水解放能,高能化合物1,3二磷酸甘油酸的水解放能,磷 酸 肌 酸 的 水 解 放 能,高能化合物乙酰辅酶A的水解,水解时释放5000卡（20.92千焦）以上自由能的化合物称为高能化合物。 高能化合物的类型： 1. 磷氧键型(-OP)：如ATP 2. 氮磷键型(-NP)：如磷酸肌酸 3. 硫酯键型(-SC或-SO)：如乙酰辅酶A 4. 甲硫键型(-SCH3)：如SAM,ATP的G在所有的含磷酸基团化合物中处于中间位置，这使ATP能在磷酸基团转移中作为中间载体而起作用。但ATP只是能量的携带者和转运者，而不是能量的贮存

4、者。有能量贮存作用的是两种氮磷键型（-N-P）化合物-磷酸肌酸和磷酸精氨酸。,ATP 断裂形成AMP和焦磷酸的作用,萤 火 虫 的 发 光 物 质 的 形 成,生物氧化的细胞学基础,第二节 电子传递过程和呼吸链,一、呼吸链的概念和电子传递顺序 氢或电子从NADH等传递到O2所经历的途径就称为呼吸链，又称为电子传递系统。 糖、脂、蛋白质等营养物质在各自的分解途径形成的还原性辅酶(NADH和FEDH2)上氢原子以质子形式脱下， 其电子由一系列的载体最终转运给O2，形成H2O。在电子传递过程中就有能量释放出来使ADP磷酸化成ATP。,目前呼吸链中各组分的排序来自多种方法： 1 .各组分的氧化-还原电

5、势：电势越低，越朝前排列； 氧化-还原电势(V) ： -0.32 -0.06 0.00 +0.26 +0.28 +0.8 NAD+ FP1 COQ b c aa3 O2 2 .分离重排：用分离出的电子传递体进行重组实验； 3 . 用分光光度法直接测定吸收光谱的变化来测定各 物质的氧化-还原状态：游离的完整的线粒体在有氧 状态下传递电子时，会表现出不同的吸收光谱的变 化。,氧化状态和还原状态的NAD有不同的吸收光谱,现在普遍接受的呼吸链是 ： 代谢物分子中的氢先经脱氢酶激活而脱出，形成还原型辅酶，包括NADH和FADH2，还原型辅酶上的氢以质子形式脱下，电子按一系列电子传递体转移，最后传给O2，

6、形成离子型O2-。质子H+和离子型氧O2-氧合生成H2O。,the flow of electrons and protons through the four complexes of the respiratory chain,二. 与呼吸链有关的酶和电子载体及其作用机制 吡啶核苷酸类脱氢酶 这是一类以NAD+或NADP+ 为辅酶的脱 氢酶, NAD +或NADP+ 是电子受体.。催化的 反应是： 还原形底物（AH2）+ NAD+ 氧化形底物（A）+ NADH+ H+ 还原形底物（AH2）+ NADP+ 氧化形底物（A）+ NADPH + H+,NAD+ 2H NADH + H+, NAD

7、H脱氢酶 这是一类以FMN或FAD为辅基的脱氢酶， 因为有黄素Flavin参与组成，所以又称为黄素蛋 白类(又是简称黄酶)。催化的反应式是： NADH+ H + E-FMN NAD+ + E-FMNH2 NADH+ H+ + E-FAD NAD+ + E-FADH2,注意： “NADH脱氢酶”与“以NAD为辅酶的脱氢酶”是两个完全不同的概念。,FMN + 2H FMNH2,还原型NADH脱氢酶将2个H分解成2 个质子(2H+)和2个电子(2e)，2个质子和经铁-硫蛋白传递的2个电子最后都传给辅酶Q。, 辅酶Q (Ubiquinone ) 又称为泛醌，分子中有一个长的异戊二烯侧链，具有高度的疏水

8、性。,泛醌是线粒体中唯一不与蛋白质结合的电子 载体，其克分子数比其他组分多得多，且因为有 很长的脂溶性碳氢链，可在膜内流动，所以泛醌 在呼吸链中处于中心地位，可以接受从NADH 脱 氢酶脱下的氢，也可以接受从别的黄酶脱下的氢。 QH2将电子传给氧化型细胞色素，使之成为 还原型细胞色素，质子留在溶液中。, 细胞色素类(cytochromes, Cyt) 细胞色素是一类传递电子的色蛋白，以血 红素(含铁的卟啉)为辅基。细胞色素由在还 原状态时吸收峰的不同而分为a、b、c三类， 再因其最大吸收峰的微小差别而分成几个亚类， 现已知的至少有a、a3、b、c和c1 5种。 细胞色素b、c、c1依靠铁卟啉中

9、的铁原子价 态的变化来传递电子；细胞色素a、a3中还含有 铜离子，且铜离子连着血红素辅基，铁离子和 铜离子共同参与电子的传递。,不同的细胞色素分子内卟啉环的取代基不同,QH2将电子传给氧化型细胞色素b，使之成为 还原型细胞色素b，质子留在溶液中。还原型Cytb 将电子传给一个铁-硫中心,再传给Cytc和Cytaa3， Cytaa3将电子传给分子氧使之活化。活化的氧与 活化的氢结合生成水。,铁-硫蛋白(ironsulfur proteins)是相对分子量较小的蛋白质，通常简写为Fe-S或FeS ，一般含有等量的 铁原子和硫原子，它们在线粒体内膜上常常与黄酶、细胞色素结合成复合物，是通过铁价数的改

10、变进行电子的传递。 Fe3+ + e Fe2+,三、线粒体电子传递链复合物 1、复合物 (NADH脱氫酶复合物) 包括DADH到辅酶Q，分子量85KD，亚基数目超过25，有FMN辅基和多个Fe-S中心。 该复合物催化的总反应式是： NADH + H+ + UQ NAD+ + UQH2,2. 复合物(琥珀酸脱氫酶) 从琥珀酸到辅酶Q，分子量为140KD，有4个亚基，FAD辅基和多个Fe-S中心。,还有一些线粒体脱氢酶的底物也可以在辅酶Q的水平上将电子送入呼吸链，但并不通过复合物，如催化脂肪酸氧化的脂酰辅酶A脱氢酶，及催化3-磷酸甘油脱氢的3-磷酸甘油醛脱氢酶等。,3. 复合物 (细胞色素氧化酶复

11、合物) 包括从辅酶Q到细胞色素c，分子量为250KD，包括细胞色素b562，b566，一个Fe-S蛋白和至少6种蛋白质亚基。,携带两个电子的辅酶Q与传递一个电子的细胞色素之间的电子转移是通过称为“Q cycle”的一系列反应来完成的。反应的净结果是还原型辅酶Q被氧化，细胞色素c被还原。,复合物 同时也是质子泵，在还原型辅酶Q被氧化过程中，质子由线粒体基质被排到膜间隙，从而在内膜两侧产生了质子梯度，这是ATP合成的重要的作用力。,4. 复合物 (细胞色素氧化酶复合物） 分子量为160KD，包括细胞色素a和a3，含有613个蛋白质亚基及两个Cu离子。这是呼吸链中唯一能直接将电子传递给O2的物质。

12、复合物也有质子泵的作用，参与了质子梯度的形成。,电子传递到O2的过程是高度放能的： NADH + H+ + O2 H2O + NAD+ E0 ： NAD+/NADH -0.320 V O2/H2O 0.816 V E0 0.816-(-0.320) +1.14 V G = -nFE0 = (-2)(96.5kJ/V.mol)(1.14V) = -220kJ/mol,Summary of the flow of electrons and protons through the four complexes of the respiratory chain,四、 电子传递的抑制剂 能够阻断呼吸链

13、中某一部位电子传递的物质 称为电子传递抑制剂。呼吸链中有 3 个部位可 被抑制剂阻断，如下图所示：,第二节 氧化磷酸化作用 (Oxidative phosphorylation),一. 氧化磷酸化作用的概念 与生物氧化相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷 酸化，即代谢物被氧化释放的电子通过呼吸链传到 O2的过程伴随着将 ADP磷酸化产生ATP。这是需氧 生物取得ATP的主要方式。 底物 呼吸链 H20 + CO2 氧化 能量 ADP+ H3PO4 ATP 磷酸化,ATP的生成与电子传递是紧密相连的。,氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用有原则 的差别，后者是指ATP的形成直接与代谢中间物上 的磷酸基团

14、的转移相偶联，即能量直接由高能化合 物释放出来，用于ADP磷酸化成ATP。,二、 P/O比与ATP形成的部位 将完整的线粒体与代谢物温育，测定其消耗 的氧与合入ATP的32P标记的无机磷酸盐的量，发 现凡是代谢物脱氢时以NAD+作为氢受体时，每 消耗1/2molO2，有3mol无机磷酸盐合入ATP中， 即合成了3molATP。如果合入ATP的磷酸盐以P原 子表示，消耗的氧原子以O表示，则该代谢物氧 化时的P/O值为3。 通过实验测定P/O值可以了解物质氧化时生成 ATP的数目。如果脱氢酶是以FAD作为氢受体，其 P/O值接近2，即只生成2个 ATP。,化学渗透学说 该学说是1961年由Pete

15、r Mitchell提出的，认为电子传递链是一个质子泵，以NADH呼吸链为例，每2个电子经该呼吸链传递到氧，就有6个质子从基质被排到内膜外溶液中，于是在内膜内外产生了内负外正的质子梯度。膜外的质子为质子梯度所驱使，通过镶嵌在内膜上的F0F1ATP酶分子上的特殊通道又流回线粒体基质。每2个质子通过F0F1ATP酶分子上的特殊通道流回线粒体基质的过程释放出的自由能可用于1个ADP磷酸化成ATP。,三、氧化磷酸化作用机制的解释,化学渗透学说与化学偶联学说的区别： 在电子传递和ATP形成之间不存在中间传 递体； 将电子传递与ATP形成联系在一起的是电 子传递本身所产生的电化学电势，而不是高能中 间物。

16、,支持化学渗透学说的证据有以下方面： 1. 实验观察到有呼吸作用的线粒体确实排出质 子。当02通到线粒体的悬浮缓冲液中时，电极测出 pH值降低。典型的跨内膜的pH值大约为0.05pH单 位。 2. 当线粒体内膜被破坏，ATP的合成就终止。 3. 一些抑制ATP合成的物质的作用原理是特异 性地消除膜内外的质子梯度。如解偶联剂二硝基酚 (DNP) 和短杆菌肽A， 它们通过将内膜外的质子带 回基质而消除质子梯度，电子传递所产生的自由能 得不到储存而是转变成热能。,a: DNP(2,4-二硝基酚),b: 短杆菌肽A,4. 初生的哺乳类和冬眠动物利用褐色脂肪的 氧化提供能量以维持体温。褐色脂肪细胞的线粒

17、 体内膜上有特殊的质子通道，可以使电子传递泵 出的质子不通过F0F1ATP合成酶而流回线粒体，结 果电子传递释放的自由能转化形成热能。,褐色脂肪细胞的作用示意图,F1,33,F0,a,b,c,ab2cn,亚基 组成形式,H+,ATP合酶 (ATP synthase),四 、 氧化磷酸化的抑制,根据对氧化磷酸化过程的影响方式不同，可以将抑制剂归为三类： 1 . 解偶联试剂: 作用机制是使电子传递与形成ATP的过程分 离，如DNP和一些酸性芳香族化合物，能使H+饶 过 ATP合酶而回到线粒体基质，消耗了质子梯 度，电子传递释放的自由能不能用于合成ATP， 而是变成热量散失。,2. 氧化磷酸化抑制剂 如寡霉素(oligmicin)，它能连接到ATP合 酶F0单位的特殊蛋白质上，锁住质子流，使之 不能通过质子通道，从而直接抑制氧化磷酸化 作用。ATP合成的减少也削弱了电子传递，所 以其作用特点是抑制氧的利用，又抑制ATP的 形成，但不直接抑制呼吸链上的电子传递。,3. 离子载体抑制剂 如缬氨霉素、短杆菌肽，它们是一类脂溶 性物质，能与钾离子等一价阳离子形成特别的 复合物，带着钾离子通过线粒体内膜到线粒体 基质，消耗掉呼吸链电子传递的能量，结果也 不能合成ATP。,