第9章生物氧化

第9章生物氧化41第9章生物氧化第一部分代谢概论一、定义代谢(metabolism)又称新陈代谢，是生物体内所有化学变化的总称。代谢包括合成代谢和分解代谢，前者又称同化作用；后者又称异化作用。二者是相辅相成的，它们的平衡使生物体既保持自身的稳定，又能不断更新，以适应环境。二、代谢的主要内容物质与能量代谢：氧化磷酸化、三羧酸循环、糖、脂、蛋白、核酸代谢。信息代谢：复制、转录、翻译等。代谢调控：正控调节、负控调节。三、代谢途径代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应称为代谢途径。代谢途径有以下特点：1.没有完全可逆的代谢途径4.代谢途径是相互沟通的2.代谢途径的形式是多样的5.代谢途径之间有能量关联3.代谢途径有确定的细胞定位6.代谢途径的流量可调控第二部分生物氧化概论一、定义能量是一切生物机体活动所必需的。能量的来源，主要依靠生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物质的氧化作用。有机物质在生物体细胞内的氧化产生CO2和H2O并释放能量的过程称为生物氧化。特点：○1生物氧化在细胞内进行；○2是在体温和近于中性pH及有水环境中进行的；○3是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；○4生物氧化过程所释放的能量通常都先贮存在一些特殊的高能化合物中。二、原理I.生物氧化中二氧化碳的生成1.直接脱羧232233COCOOCOCHCOOCHCOOOCHCOCHOCHCHCOOOCH丙酮酮酸羧化丙酮酮酸脱羧2.氧化脱羧是在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。HNADPHCOCOOCOCH+NADPCOOCHOHCHOOC+H苹果酸酶232II.生物氧化中水的生成生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成的生物氧化体系，以促进水的生成。传递体有多种，有的是传氢体，如辅酶Ⅰ(NAD)、辅酶Ⅱ(NADP)、黄酶(FAD,FMN)、辅酶Q等；有的是传电子体，如细胞色素系b、c1、c、a、a3等。三、类型1.不需传递体的生物氧化体系；2.需传递体的生物氧化体系（参考右图）第三部分呼吸链一、定义呼吸链（电子传递体系、电子传递链）：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，而生成水的全部体系。第9章生物氧化42原核细胞的呼吸链位于质膜上，真核细胞则位于线粒体内膜上。典型呼吸链：NADH呼吸链、FADH2呼吸链。二、组成[重点]参加呼吸链氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。（1）烟酰胺脱氢酶类以NAD+或NADP+为辅酶。此类酶催化脱氢时，其辅酶NAD+或NADP+先和酶的活性部位结合，然后再脱下来。（2）黄素脱氢酶类以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD作为辅基。这类酶催化脱氢时将代谢物上的一对氢原子直接传给FMN或FAD的异咯嗪基而形成FMNH2或FADH2。还原分2步进行。（3）铁硫蛋白类（Fe-S）铁硫蛋白类的分子中含有非卟啉铁与对酸不稳定的硫。其作用是借铁的变价互变进行电子传递。因其活性部分含有两个活泼的硫和两个铁原子，故称铁硫中心。（4）辅酶Q类（泛醌类）脂溶性的醌类化合物，又名泛醌，其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于传氢体。（5）细胞色素类细胞色素类是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也依靠铁的化合价的变化而传递电子。细胞色素包括b、c、c1、a、a3等。不同种类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。b、c1、c的辅基均为血红素；aa3的辅基为血红素A（8位上是甲酰基，5位上无取代，2位上为17个c的异戊二烯聚合物）；在aa3分子中除铁卟啉外，尚含有两个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a3传到氧。注意复习以下两个部分：[电子传递过程及其抑制，重点在前者]呼吸链中的复合体（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）：NADH-Q还原酶，琥珀酸-Q还原酶，Cytbc1，Cytaa3电子传递链的抑制剂（NADFMNCoQCytc1CytcCytaa3O2）：1、鱼藤酮（rotenone），抑制FMNCoQ；2、抗霉素A（antimycinA），抑制CytbCytc1；3、氰化物（CN/CO），抑制Cytaa3O2第四部分能量的产生一、重要的生物氧化酶类氧化酶类：细胞色素氧化酶；过氧化氢酶；多酚氧化酶；漆酶脱氢酶：需氧脱氢酶；不需氧脱氢酶二、高能化合物高能化合物：随水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳定。含自由能高的磷酸化合物水解时，每摩尔化合物放出的自由能高达30-67kJ，高能磷酸化合物常用～P来表示。说明：不是生物体内的磷酸化合物不是高能磷酸化合物。如6-磷酸葡萄糖。（水解时只有4.2-12.5kJ/mol）ATP：①是生物细胞内能量代谢的偶联剂，高能化合物中，ATP的作用最重要。②ATP不是体内反应的唯一供能者。如UTP用于多糖的合成。③ATP是能量的携带者和传递者，而不是能量的贮存者，肌酸磷酸（肌肉、脑、神经组织中）和磷酸精氨酸（植物）是贮存者。还原性物质经分解代谢，自身氧化，并合成ATP，此过程能量从还原性物质内流入ATP高能化合物，ATP分解释放能量，能量流向下一级，并产生如下生理学效应：运动（机械能）；生物合成作用（化学能）；分泌、吸收、离子泵工作（渗透能）；生物电（电能）；体温维持（热能）；生物发光（光能）等。生物体内的AMP可与一分子磷酸结合成腺苷二磷酸(ADP)，ADP再与一分子磷酸结合成腺苷三磷酸(ATP)。其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化。[注意ATP结构式的书写]三、ATP的产生○1光合磷酸化○2底物分子内能量重新分布○3氧化磷酸化：底物水平磷酸化和呼吸链(电子传递系统)磷酸化（一般指后者）第9章生物氧化43ATP+丙酮酮烯醇式丙酮酸磷酸-2磷酸甘油酸-2脱水光合磷酸化：通过光合作用，将光能（主要是太阳能）转换成ATP的高能磷酸键。再利用ATP的能量合成糖类物质。光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行。底物分子内能量重新分布：如由脱水作用引起的分子内能量重新分布。氧化磷酸化：通过生物氧化过程中伴随ATP的生成。即将化学能转换成ATP分子的高能磷酸键。然后再通过ATP分子磷酸键的分解释放能量，为生物体提供所需的能量。I.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：是在被氧化的底物上发生的磷酸化作用，即底物被氧化的过程中，形成了某种高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP：ATPXADPPX。其中，PX为底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物。底物磷酸化和氧的存在与否无关。底物水平磷酸化与磷酸基团转移偶联。II.呼吸链(电子传递系统)磷酸化电子传递体系磷酸化：当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。电子传递体系磷酸化是生成ATP的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节。磷-氧比值(P/O比值)：P/O比值是指每消耗1mol原子氧（1/2O2）所产生的ATP摩尔数。NADH呼吸链的P/O值是3，FADH2呼吸链的P/O值是2。四、线粒体外NADH的氧化磷酸化线粒体外的NADH可将其所带的H转交给某种能透过线粒体膜的化合物。进入线粒体内再氧化。能完成这种穿梭任务的化合物有甘油磷酸与苹果酸等。甘油磷酸穿梭系统与苹果酸穿梭系统。1molNADH经前者的传递方式产生2molATP，经后者则产生3molATP。五、氧化磷酸化作用机制的解释有化学耦联学说、构象学说与化学渗透学说。化学渗透学说：（1）呼吸链中传氢体和电子传递体是间隔交替排列的。且在线粒体内膜中都有特定的位置，催化反应是定向的。（2）传氢体有氢泵的作用，当传氢体从内膜内侧接受从底物传来的氢（2H）后，可将其中的电子（2e-）传给其后的电子传递体，而将两个H+泵出内膜外侧。（3）内膜对H+不能自由通过，泵出膜外侧的H+不能自由返回膜，线粒体内膜外侧H+浓度高于内侧，在内膜两侧就建立起质子浓度梯度，形成膜电位。此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量，此H+梯度所包含的能量可驱使ADP和Pi生成ATP。（4）利用ATP合成酶的特点，将膜外侧的2H+转达化成内侧的2H+，与氧生成水。化学渗透学说说明了电子传递过程中形成的线粒体内膜两侧的质子梯度是合成ATP的推动力。ATP合成酶或称F0F1ATPase，位于线粒体的内膜上，它有两个主要成分F0与F1。F1成分在线粒体的内膜上好像一个突出在门上的球形把手，与F0用柄相连，F0是嵌埋在内膜并横跨内膜。