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1、第一章 生物氧化 Biological oxidation,第一节 新陈代谢 Metabolism 第二节 生物能学 第三节 生物氧化Biological oxidation -电子传递和氧化磷酸化,第一节 新陈代谢Metabolism,一、新陈代谢-生物体与外界环境之间物质和能量交换的全过程。 - 合成代谢和分解代谢 -物质代谢和能量代谢 二、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 三、新陈代谢的研究方法,第二节 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念 二、化学反应中自由能的变化和意义 三、高能磷酸化合物,三、高能磷酸化合物,高能化合物-某些化合
2、物随着水解反应或基团转移反应可放出大量的自由能的称高能化合物。（大量，约5000千卡） 高能磷酸化合物-其磷酸基团水解时可释放出20.92kJmol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物 高能化合物类型： 磷酸化合物（磷氧键型） 磷酸化合物（磷氮键型） 非磷酸化合物,磷酸化合物（磷氧键型）,磷酸化合物（磷氮键型）,非磷酸化合物,第三节 生物氧化 Biological oxidation,一、生物氧化的概念、方式和特点 生物氧化-有机物在生物体细胞内的氧化,主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,TAC,生物氧化的一般过程,生物氧化中物质的氧化方式,脱
3、氢、失电子或直接和氧结合，生成水和二氧化碳,并释放能量,氧化方式,（三） 加氧,（一） 脱氢 (主要方式),（二） 失电子,生物氧化的特点,1、条件温和，pH接近中性 2、有水存 在，有酶的催化。 3、能量的释放是逐步的,先贮藏在一些特殊的高能化合物内 4、生物氧化的地点是在细胞的线粒体内。,二、电子传递-氧化呼吸链Respiration chain,呼吸链-还原型辅酶NADH和FADH2的氢以质子的形式脱下，其电子沿一系列电子传递体转移最后转移到分子氧，质子和离子型氧结合生成水，同时释放能量使ADP变成ATP的过程，称为呼吸链。 场所：真核生物，线粒体内膜；原核生物，细胞膜 呼吸链的组成（与
4、电子传递链有关的酶和电子载体）： 吡啶核苷酸类 NADH脱氢酶 铁硫中心 辅酶Q 细胞色素类 呼吸链中传递体的顺序 呼吸链中传递体顺序的决定,线粒体结构示意图,线粒体电镜照片,(一).呼吸链的组分 Components of electronic transfer chain （与电子传递链有关的酶和电子载体）,吡啶核苷酸类NAD+ and NAD+ -linked dehydrogenases , NAD+ is a mobile electron carrier NADH脱氢酶Flavin (黄素蛋白) and flavin-linked dehydrogenases 铁硫中心Iron-s
5、ulfur protein 辅酶Q mobile electron carrier 细胞色素类 Cytochromes ( mobile electron carrier too )。,吡啶核苷酸类 pyridine nucleotide,也叫烟酰胺脱氢酶类，以NAD+或NADP +为辅酶。 辅酶（NAD+或Co）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。 辅酶（NADP+或Co）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。 不需氧脱氢酶的辅酶,以NAD+为辅酶的脱氢酶占多数。,过程,以NAD +为例，一个氢加到NAD上，成为NADH，另一个为游离质子,2.NADH脱氢酶 NADH dehydrogenase,NADH脱氢酶(
6、也叫黄素蛋白flavin) 辅基:FMN或FAD，结合牢固。 底物: NADH,将NADH上的氢交给其辅基FMN，催化NADH脱氢,黄素单核苷酸(FMN)的结构,黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的结构,FMN加氢过程:,3. 辅酶Q Coenzyme Q,结构特点: 也叫泛醌（ubiquinone , Q），脂溶性, 带异戊二烯侧链的醌,在哺乳动物，这个长链为10个单位，故常以Q10表示 是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白),辅酶Q的作用原理,功能:电子和质子的传递体 接受来自FMNH2和FADH2的氢成为氢醌,是多种底物进入呼吸链的中心点,过程:,4.铁硫中心,非血红素铁和酸不稳定硫
7、原子相结合 存在于NADH脱氢酶，琥珀酸脱氢酶 铁离子价态的变化可将氢从NADH脱氢酶复合物的FMNH2辅基上脱下转给辅酶Q。 NADH脱氢酶复合物也叫NADH-辅酶Q还原酶，复合物I，由两个电子传递结构，（酶原-FMN-铁硫中心）,铁硫中心,5.细胞色素类Cytochromes,细胞色素类以血红素为辅基,铁原子处于卟啉中心。 作用：单电子传递体, 将电子从辅酶Q传到氧。,细胞色素体系（Cyt）,30多种,细胞色素a a3以复合物的形式存在,传递e机制是以铁价的变化Fe3+ Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧Cu+ Cu2+，所以a3又称细胞色素氧化酶。 A3可与氰化物离子（CN
8、）、CO等结合,不同细胞色素的差异,区别： 铁卜啉辅基侧链不同 铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同,(二).呼吸链的组成和位置,呼吸链由四个蛋白复合组分和两个游离的成分组成： 四个蛋白复合组分：Complex 、 Complex 、 Complex 、Complex 两个游离成分：辅酶Q和细胞色素C,The composition of respiratory chain complexes,复合物 （NADH-辅酶Q还原酶；NADH脱氢酶复合物）,组成:黄素蛋白的复合物( 25条多肽链)，FMN, 2个铁-硫中心。 作用:使NADH脱氢氧化，脱下的H+和2个e-由FMN接受，生成FMNH2，FM
9、NH2中的电子通过铁-硫中心的传递，传给辅酶Q，辅酶Q在接受电子的同时还从基质吸取2个H+形成还原型辅（CoQH2）,复合物(琥珀酸-Q还原酶复合物),位置:线粒体内膜整体不可分割的组成部分 组成: 琥珀酸脱氢酶和3个其他小的疏水亚基 细胞色素（Cyt)b560 铁-硫中心 辅酶:FAD， 作用过程: 催化琥珀酸氧化成延胡索酸，同时使FAD还原成FADH2，由FADH2的氢放出的电子通过铁-硫中心传递给辅酶Q而进入呼吸链。,琥珀酸 延胡索酸(复合物),复合物和复合物,复合物 (辅酶Q-细胞色素还原酶复合物,细胞色素bc1复合物),组成: 细胞色素b562、细胞色素b566、细胞色素c 铁-硫蛋
10、白 至少有6个其他的蛋白质亚基。 作用：将还原型辅酶Q氧化，并将电子通过细胞色素b562、细胞色素b566和Fe-S、细胞色素c1交给细胞色素c,复合物IV(细胞色素氧化酶复合物),组成:613个亚基的跨膜蛋白质 细胞色素aa3和2个铜离子(+1和+2价之间变化)。 细胞色素a紧靠在CuA上，细胞色素a3紧靠CuB上(含Cu多肽),过程,还原型细胞色素c提供它的电子给血红素a-CuA，然后传递给血红素a3-CuB，最后将O2还原。 1分子氧还原成水，是一个4个电子转移的过程。 O2+4H+4e-2H2O 辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中不同复合物之间可流动的氢或电子传递体。,呼吸链,NADH 氧化
11、呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,两种呼吸链的比较:,相同: 1. 将H传递给O2生成水； 2. H和O2消耗，其它可反复使用； 3. CoQ是两种呼吸链的汇合点。,不同点: NADH呼吸链 琥珀酸呼吸链 普遍程度 较普遍 次要 起始物 NADH FADH2 ATP 2.5 1.5,呼吸链中传递体的顺序,呼吸链中传递体的顺序,呼吸链中传递体顺序的决定,1、根据各种电子传递体标准氧化还原电位的数值测定。从NADH+到分子氧，氧化还原电势逐步增加。 2、利用能阻断传递体的抑制剂 3、将分离的电子传递体进行重组。如NADH可使FMN还原，但不能直接使细胞色素 b、c和aa3还原。 4.根据电子传递体氧化还原
12、态时的吸收光谱变化进行检测,电子传递体重组实验,三、氧化磷酸化作用（ATP的生成方式） Oxidative phosphorylation,氧化磷酸化作用-随着氧化过程发生的磷酸化的过程。分为： 底物水平磷酸化 电子传递体系磷酸化作用(平常所指的氧化磷酸化）,(一)底物水平磷酸化,底物水平磷酸化-某些代谢物在氧化过程中，因脱氢、脱水等作用而使分子内部能量重新分布和集中，形成高能磷酸键,并将底物分子中的高能磷酸键转移给ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的方式，称为底物水平磷酸化。,3-磷酸甘油醛-1，3-二磷酸甘油酸 - 3-磷酸甘油酸,能量：酵解中第一次产生ATP，生成ATP的方式是
13、底物水平磷酸化,(二)电子传递体系磷酸化作用,电子传递体系磷酸化作用(氧化磷酸化)-指与生物氧化（电子传递）作用相伴而发生的磷酸化作用，将生物氧化过程中释放的自由能转移而使ADP形成ATP的过程。 (氧化磷酸化-呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式) NADH途径和FADH2途径，各产生多少ATP 2.5个ATP见下图 1.5个ATP 证据：即电子传递链中那一部位能产生ATP,质子梯度的形成,1）氧化还原回路机制-Q循环 2）质子泵机制 3）合成一个ATP需2-3个跨膜质子,NADH途径泵出的氢,1.氧化磷酸化与电子传递偶联,噻吩
14、甲酰三氟丙酮,能量,呼 吸 链,氧化磷酸化作用中ATP生成部位,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 鱼藤酮 抗霉素 氰化物,推测氧化磷酸化偶联部位的方法:,1、P/O-每消耗1摩尔氧所消耗的无机磷摩尔数。NADH电子链的P/O为3，FADH2为2。说明-ATP的生成数分别为3和2摩尔。 2、根据标准氧化还原电位差计算反应自由能G ，G=-nFG=23.9千卡/摩尔(电子数，法拉第常数，电位差） NADH链三个部位超过此值，而FADH2二个部位。,反应自由能G,位置 NADH Q Ctyb Cytc Cytaa3 O2,G0 KJ
15、/mol G0 = -69.5 G0 = -40.5 G0 = -102.3,1molADP ATP: G0 = 30.5 KJ/mol 三个部分释放的能量足以形成ATP,细胞的能荷,能荷是指在总的腺苷酸代谢系统中所负荷的高能磷酸根的程度,即ATP生成和利用的平衡关系。 细胞中ATP+ADP AMP的腺苷酸库是恒定的（高能磷酸键： ATP 2个， ADP 1个，AMP 0个） 能荷： ATP+0.5ADP/(ATP+ADPAMP) 细胞的腺苷酸全部为ATP，则能荷为1.0 当ATPAMP比率很低时，表示能量贮存很少，能荷低，ATP合成反应加快 作用：细胞中ATP合成和利用的调节因素 途经：AT
16、P、ADP和AMP分子对某些酶的变构调节,2.氧化磷酸化与电子传递偶联的机理,一化学偶联假说chemical coupling hypothesis：认为存在高能共价中间物 结构偶联假说comformation coupling hypothesis ：电子传递过程中线粒体内膜蛋白质发生构象变化形成一种高能形式。 化学渗透假说chemiosmotic hypothesis :（重点）,化学渗透假说chemiosmotic hypothesis -Peter Mitchell,要点：,呼吸链存在于线粒体内膜，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
17、质子通过ATP合成酶流回膜内基质，促使ATP的合成,质子梯度的形成,质子梯度的形成-质子如何泵出线粒体内膜外侧 ： 氧化-还原回路,后一氧还中心氧化前一个氧还中心,伴随质子转移.但是15个电子载体中只有2个(电子+质子)载体,可能CoQ发挥两次作用-Q循环. 质子泵作用,电子传递链-电子传递体构象变化,氨基酸侧链pK值改变, 发挥质子泵作用。,ATP合成酶,ATP合成酶,电子传递和ATP形成的偶联及调节机制,ATP/ADP在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用。ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。,三、氧化磷酸化的解偶联和抑制,解偶联剂uncouplers:如2，4-二硝基
18、苯酚。不抑制电子传递，只抑制ATP的形成(使内膜对质子的通透性增加，破坏跨膜质子梯度)。 氧化磷酸化抑制剂inhibitors:如寡霉素。既抑制氧的利用又抑制ATP的形成。 离子载体抑制剂ionophores:与离子结合后使离子能通过线粒体内膜而破坏氧化磷酸化过程，如缬氨霉素，短杆菌肽。,四.胞液中NADH的氧化磷酸化,酵解中产生的NADH，在胞液中, 无法通过线粒体内膜。 解决方法-穿梭。 NADH的穿梭作用shuttle ：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。 两种穿梭方式：磷酸甘油穿梭（肌肉和神经组织） ，苹果酸穿梭（肝、肾、心） 。见酵解能量计算部分。,磷酸甘油穿梭,苹果酸穿梭,