《第七章生物氧化-2011.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章生物氧化-2011.ppt（100页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第七章 生物氧化（能量代谢）,生物氧化概述 生物氧化意义 生物氧化的特点和方式 生物氧化所需酶类 生物氧化能的储存 电子传递及氧化磷酸化 电子传递链及电子传递 氧化磷酸化 线粒体外的电子传递及氧化磷酸化 电子传递及氧化磷酸化的抑制,第一节 生物氧化的概述,1.1生物氧化意义 万物运转都需要能量，常见的现象是以化学燃烧方式产能，通过有机物的化学燃烧，产生二氧化碳和水，把化学键能转换成热能，再转化成机械能，电能等形式满足世界运转。 生物体运动及内部分子的合成及降解也需要能量，这些能量也来自有机物的燃烧氧化，产生二氧化碳和水，并把能量以化学键能方式重新储存起来，缓慢利用。生物体内这种氧化方式就称为生
2、物氧化。,1.2 生物氧化的特点和方式,1.2.1生物氧化特点,(1),传氢,传电子,(2),二碳单元,(3),不断形成的电势能可分步转化为化学能,1.2.2生物氧化中物质氧化的方式,1.3 生物氧化所需酶类,1.3.1 线粒体氧化酶类（脱氢氧化酶类）,需氧脱氢酶和氧化酶,能以O2作为直接受氢体的酶称为需氧脱氢酶或氧化酶。 氧化酶能直接利用O2为受氢体，产物为H2O；而需氧脱氢酶通常以FAD或FMN为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，产物为H2O2。,需氧脱氢酶,氧化酶,细胞色素C氧化酶,氧分子的活化和氮分子活化一样都是依赖金属离子打开重键,(1)加单氧酶（monooxygenase）,混
3、合功能氧化酶(mixedfunction oxidase)或羟化酶(Hydroxylase)。,催化的反应:,作用：羟化。胆汁酸、胆固醇的生成；药物、毒物的转化；肾上腺皮质、类固醇激素的生物合成。,1.3.2 微粒体中的氧化酶类-加氧酶,此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。,例 如：,(2)加双氧酶,苯环物质利用 环保,酪氨酸酶（多酚氧化酶） 催化机制,(1)过氧化氢酶catalase（触酶） 催化反应: 1分子H2O2 提供电子, 另1分子H2O2 接受电子 辅基: 4个血红素 作用：分布广,可消除需氧脱氢酶催化 反应产生的有毒的H2O2,1.3.3过氧化物酶体中的酶
4、类,过氧化氢进入活性位点并与酶147位上的天冬酰胺残基（Asn147）和74位上的组氨酸残基（His74）相互作用，使得一个质子在氧原子间互相传递。 自 由的氧原子配位结合，生成水分子和Fe(IV)=O。Fe(IV)=O与第二个过氧化氢分子反应重新形成Fe(III)-E，并生成水分子和氧气。,H2O2 + Fe(III)-E H2O + O=Fe(IV)-E(.+) H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) H2O + Fe(III)-E + O,催化反应:催化H2O2直接氧化酚类/胺类化合物 辅基：血红素 谷胱甘肽过氧化物酶对机体起保护作用,(2) 过氧化物酶（peroxidase）,供体
5、+H2O2氧化的供体+2H2O,谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2 (ROOH),H2O (ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,* 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,螯合的Mn3+作为低分子量的物质，成为氧化还原中介体，是可渗透或扩散到木材细胞内木质素结构中的氧化剂，可在远离酶的一定位置上发挥作用 经由氢原子和一个电子的提取，非特异性地进攻和氧化木质素有机分子中的酚结构，从而导致酚木质素结构形成不稳定的易于自发裂解的苯氧基团由基,得到2个电子，满足自由基和阳离子需求,空轨道再得到2个电子，剥离氧,（3）超氧化物歧化
6、酶 （superoxide dimutase, SOD）,呼吸链电子传递过程中产生超氧离子(O2-.) O2-. H2O2 + .OH 损伤生物膜、生成脂褐素,SOD辅基含Cu、Zn(胞液) 或Mn(线粒体)。,过氧化氢酶,H2O + O2,超氧离子通过和二价铜 配位而获得活化, 消除了超氧离子的静电斥力, 加速了超氧离子的歧化,在多价配位时, 配合物空间构型效应不容忽视, 一价铜离形成配介物的立体构型为四面体, 位阻效应较小, 较稳定。二价铜离子为曲曲平面正方形, 位阻效应较大, 不稳定。,1.4 生物氧化能的储存,1.4.1 ATP的作用,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能
7、(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),（1） 化学能 ATP以偶联反应的方式推动非自发的反应 例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应： 乙酰CoA + CO2 丙二酸单酰CoA G = +18.84kj/moL，不能自发进行。 乙酰CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应： 1E-生物素 + CO2 + ATP +H2O E-生物素- CO2 + ADP + Pi G = - 17.58 kj/moL 2. E-生物素- CO2 + 乙酰CoA E-生物素 + 丙二酸单酰CoA G = -1.00 kj/moL 总反应为： 乙酰CoA + CO2+ ATP +H2O 丙二酸单酰CoA +
8、 ADP + Pi G = -18.59kj/moL,（2）活化能 ATP提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量,G+ATP G-6-P+ADP 脂酸+CoA+ATP 脂酰CoA+AMP+PPi 氨基酸+ATP 氨基酰AMP+PPi,（3）ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体 （防止能量直接转移到最低能量载体上成热能）,1.4.2 ATP作为能量代谢物质的原因,高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出的能量20KJ/mol者所含的磷酸键称高能磷酸键由于这种化学键水解后放出的能量高于7000卡/克分子，比一般可水解的化学键高很多，故称为高能键。,注意： 高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是
9、指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。 “高能键”“键能高”,ATP的高能磷酸键,高能磷酸键成因,反应物的不稳定性(高能状态)和产物稳定性(低能状态)使ATP水解后能释放大量能量。,1) ATP分子结构存在不稳定因素, ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。, 相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子的结构稳定性。,2 ) ATP水解产物具有更大的共振稳定
10、性，其水解产物ADP3-和Pi的某些电子的能量水平远远小于ATP。 3) H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行。 4) 酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。,1.4.3 其它高能磷酸化合物,1.4.4 能荷,细胞所处的能量状态用ATP、 ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下： 意义： 1.能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1 2.能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,能荷调节主要是通过ATP 、ADP、AMP作为一些调节酶的变构效应物
11、而起作用的。 如糖酵解中磷酸果糖激酶的调控：高浓度的ATP是该酶的变构抑制剂，ATP的抑制作用可被AMP解除。,能荷 调节,能荷可调节代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质的合成代谢；能荷低，促进物质分解代谢，抑制物质的合成代谢。,第二节 电子传递及氧化磷酸化,光合作用 底物水平的磷酸化 线粒体内的氧化作用,底物水平磷酸化 一种直接将代谢物分子中能量（磷酸基）直接转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程称底物水平磷酸化。,或：底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,光合磷酸化,光合电子传递链，简称光合链（photosynthetic chain
12、），主要指以植物为代表的叶绿体类囊体膜上有序地排列着电子传递体，两个光系统串联在其中。光驱动电子从H2O流向NADP+，H2O被氧化、光解，释放出O2；NADP+变为具有还原力的NADPH。质子跨膜梯度为光能转变为化学能提供了条件。,2.1 电子传递,2.1.1 呼吸链的组成,铁硫蛋白,铁硫蛋白,它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。,泛醌（ubiquinone , Q） 亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 人体中： CoQ10 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动 3.是电子
13、传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）,泛醌（CoQ）,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,铁卟啉辅基的分子结构,2.1.2 呼吸链的电子传递,电子传递体在膜上以组合形式传递电子,2.2 氧化磷酸化,2.2.1 氧化磷酸化的机理,比较著名的假说有三个： 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透学说 目前得到公认的是“化学渗透学说”。,这个假说是1953年由Edw
14、ard Slater最先提出。假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生的能量来驱动ATP的合成。 这一假说完全是依据底物水平磷酸化机理提出的 虽然在糖酵解过程中存在这种例证，但是人们至今未能在线粒体中分离到与之相类似的高能共价中间物。,化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis,ADP,ATP,磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,依据：底物水平磷酸化,3-磷酸甘油醛,3-磷酸甘油酸,这个假说是1964年由P.D.Boyer提出。该假说认为作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能构象和高能构象。电子传递的结果使
15、低能构象转变为高能构象，后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。这种假说有一定的实验根据，在电子沿呼吸链流动时，观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化，但由于测定构象比较困难，支持这个假说的实验太少。,构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis,英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出化学渗透假说，由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据，因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说，并且Peter Mitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。,化学渗透
16、学说 Chemiosmotic hypothesis,化学渗透假说,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说示意图,机械破坏内膜或解偶联剂,实验证据,人工建立膜两侧质子浓度和电位梯度,（没有呼吸底物，没有电子传递，照样产生ATP),MH2,M,NAD+,2H+,FeS,2e,2H+,FMN,2H+,Cytb,2H+,2e,CoQ,2H+,Cytc1,Cytc,Cytaa3,2e, O2,O2-,X- + IO-,XH IOH,H2O,XI,XI,XI,头部 ATP合酶,ADP +Pi,ATP,2H+,X- +IO-,H2O,化学渗透学说 -氧环回路机制,化学渗透学说 -质子泵机制（复合体蛋白侧链P
17、Ka改变）,还有可能其它质子泵出机制，目前仍在研究,2.2.2 ATP酶,Boyer和Walker的工作,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三
18、个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,质子流如何驱动AP合成？,Boyer提出旋转催化假说解释ATP酶作用机理。 Walker获得F1的晶体结构支持了Boyer的假说。,p299-302.,Fluorescence microscopy,Direct observation of the rotation of the g subunit,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。,ATP合酶的工作机制,“O ”状态：有利于ATP释放的构象 “”状态：松弛结合ADP和Pi “”状态：催化，紧密结合AP,旋转催化假说,有与A
19、DP与Pi结合的构象,有与ATP生成的构象,无核苷酸结合的开放状态,“O ”状态：无核苷酸结合的开放状态 “”状态：松弛结合ADP和Pi “”状态：催化，紧密结合AP,旋转催化假说,L,T,O,(Paul Boyer, 1980s),X-ray crystallography,The three b subunits of F1 indeed assume three different conformations,g subunit,John Walker, 1994,氧化磷酸化偶联部位,E = E+RT/nF*ln(氧化剂/还原剂） G=-nFE E 0.2v可自发生成ATP,2.2.3
20、产能部位,3个产ATP位置正好在泵出氢原子地方，4个左右氢原子回流能量正好可产生1个ATP,即每两个电子经呼吸链传给氧的过程中，消耗的磷原子数与消耗的氧原子数之比（ P/O比）。 1940年，（ Ochoa S）通过放射性同位素标记实验最先测定，NADH呼吸链P/O 为2-3，FADH2呼吸链P/O 为1-2,每一对电子通过呼吸链 传递给氧产生的ATP数？,真核细胞胞液中产生的NADH?,外膜,内膜,膜间空间,胞液,基质,NADH+H+,NADH+H+,FPint,Fe-S,CoQ,cytb,NADH+H+,NAD+,?,细胞液中的NADH,NADPH不能透过线粒体膜，需要“穿梭”机制。,2.
21、3 线粒体外的氧化磷酸化,（1）磷酸甘油穿梭系统,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH +H+,NAD+,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,苹果酸-酮 戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,（）苹果酸转运NADH系统,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,线粒体基质,NADH+H+,（、 、 、 为膜上的转运载体
22、）,呼吸链,（3）异柠檬酸穿梭 异柠檬酸和酮戊二酸经过异柠檬酸脱氢酶催化。 异柠檬酸脱氢酶在细胞液中辅酶为NADP+，线粒体内膜中辅酶为NAD+,2.4 电子传递及氧化磷酸化的抑制,（1）呼吸链抑制剂 能阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素A（piericidin A）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体中的铁硫蛋白等结合，从而阻断电子传递。,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,1）鱼藤酮等 阻断从NADH向CoQ的传递,鱼藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）、
23、杀粉蝶菌素（piericidine）等。它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。,2）抗霉素A 阻断复合物III的电子传递,抗霉素A（antimycin A），它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。,3）氰化物、叠氮化物、CO、H2S,氰化物（cyanide, CN）、叠氮化物（azide, N3）、一氧化碳（carbon monoxide, CO）和硫化氢( hydrogen su
24、lphide )，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN）和叠氮化物（N3）能与血红素a3的高铁形式（ferric form）作用而形成复合物,而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3的亚铁形式（ferrous form）。,（2）解偶联剂 （uncoupler）,使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP）和离子载体抑制剂两种类型 主要是由于其携带泵出的氢原子回到线粒体中，使其不能回流经过ATP合成酶产ATP。,2,4-二硝基苯酚（DNP）的解偶联作用,支持情况下DNP是解离状态，不能透过线粒体内膜，在
25、酸性条件下，结合质子称为脂溶性物质，过膜，并将质子带过，破坏了H+的跨膜梯度。,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,离子载体抑制剂,是一类脂溶性物质，能与H+以外的其他一价阳离子结合，并作为它们的载体使它们能过穿过膜，消除跨膜的电位梯度。 缬氨霉素（K+） 短杆菌肽（K+ 、 Na+）,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶结构模式图,(3) 氧化磷酸化抑制剂,第三节 补充知识,厌氧发酵（电子传递给非氧物质） 非线粒体的电子传递及氧化体系,厌氧发酵,产甲烷菌。电子传递最终受体不是氧气，而是含碳小分子化合物，最常见的是二氧化碳或者乙酸： CO2 + 4 H2 = CH4 + 2H2O CH3COOH = CH4 + CO2 这类分子也有含金属的酶对这些含碳小分子化合物进行活化。,碳酸盐呼吸：甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。呼吸链的末端氢受体是CO2 或重碳酸盐。 CO2+4H2 CH4+2H2O+ATP,植物抗氰氧化酶系统,NADHFPCoQCytbCytcCytaa3O2,电子不经过CytcCytaa3，而直接由Cytb传给O2， 有抗氰氧化酶催化，生成H2O2，P/O=1。 天南星科海芋属植物具有抗氰呼吸,非线粒体氧化系统,