第九章能量代谢.

第九章能量代谢主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。目录第一节生物氧化概述第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。二、生物氧化的特点在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。三、CO2和H2O的生成方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2RCO2的生成H2O的生成代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链H2O2eO=2H+脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位3、生物氧化的三个阶段第二节线粒体电子传递体系一、电子传递呼吸链的概念二、呼吸链的组成三、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化四、电子传递抑制剂一、电子传递呼吸链的概念线粒体是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。三、呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）1、脱氢酶脱氢酶的作用是使代谢物的氢活化、脱落，并传递给其它受氢体或中间传递体。根据所含辅助因子的不同，分为两类：黄素脱氢酶烟酰胺脱氢酶（1）以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶（黄素脱氢酶）以黄素单核苷酸（FMN）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基。又分为两种：需氧黄素脱氢酶：以氧为直接受氢体，氢与氧结合生成H2O2。不需氧黄素脱氢酶：不以氧为直接受氢体，催化代谢物脱下的氢首先传递给中间传递体，最后再传递给分子氧生成水。西昌学院食品科学系需氧黄素脱氢酶不需氧黄素脱氢酶西昌学院食品科学系（2）以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶（烟酰胺脱氢酶）以NAD（CoⅠ)或NADP（CoⅡ）为辅酶，催化代谢物脱氢，由NAD+或NADP+接受，然后将氢交给中间传递体，最后传递给分子氧生成水。2、氧化酶在生物氧化中，氧化酶的作用是激活氧，把来自传递体的氢传递给活化的氧而生成水。氧化酶一般是含有金属离子的结合酶，直接以氧为受氢体，每个氧原子接受2个电子（2e）后和2个质子（2H+）生成水。3、传递体传递体是生物氧化过程中传递氢或传递电子的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氧活化。传递体只存在于由不需氧脱氢酶所催化的代谢物脱氢的生物氧化体系中。有的传递体起传递氢原子的作用，叫做“递氢体”。主要有黄素蛋白传递体（FAD、FMN）、CoⅠ（NAD）、CoⅡ（NADP）及辅酶Q。有的传递体起传递电子的作用，叫做“递电子体”。主要有细胞色素及铁硫蛋白。西昌学院食品科学系（1）铁硫蛋白（iron—sulfurproteins)铁硫蛋白类作用机理：通过铁的变价互变进行电子传递。由于其活性部位含有两个活泼的硫和两个铁原子，所以叫做铁硫蛋白。铁硫蛋白存在于微生物、动物组织中，通常在线粒体内膜上与黄素酶或细胞色素结合成复合物（体）而存在。存在西昌学院食品科学系（2）辅酶Q类（ubiquinone，CoQ）（泛醌）是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为脂溶性醌类化合物。递氢体。西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系（3）细胞色素类（cytochrome，Cyt）以血红素为辅基。现已发现30多种细胞色素，根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a、b、c三类。在线粒体内参与生物氧化的细胞色素有a、a3、b、c、c1等几种。目前尚不能将a、a3分开。在aa3分子中除铁原子外，还有两个铜原子，依靠其化合价的变化将电子从a3传给氧。在典型的线粒体呼吸链中，其顺序为：西昌学院食品科学系四、机体内两条主要的呼吸链第三节氧化磷酸化作用一、概述生物体内的ATP是高能化合物，由ADP磷酸化生成。这种伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化称为“氧化磷酸化”。代谢物上的氧化（脱氢）作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程叫做“氧化磷酸化”（oxidatirephosphorylation）。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。氧化磷酸化（根据生物氧化方式的不同）底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化二、ATP的生成ATP主要由ADP磷酸化所生成，少数情况下可由AMP焦磷酸化生成。ADP+Pi+能量ATPAMP+PPi+能量ATP1、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磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。X~P+ADPATP+X2、电子传递体系磷酸化当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水时，同时伴随有ADP磷酸化为ATP，即电子传递体系磷酸化。电子传递体系磷酸化是生成ATP的主要方式由于“氧化磷酸化”是氧化作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP，所以氧的消耗与ATP的生成有特殊定量关系，通常用“磷氧比（P/O）”来描述。每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。即消耗1摩尔氧时，有多少摩尔无机磷酸与ADP作用生成ATP。P/O的概念线粒体的离体实验证明：经NADH呼吸链氧化生成水经FAD呼吸链氧化生成水P/O为3P/O为2西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系3、细胞液中NADH的氧化磷酸化线粒体是糖、脂肪、蛋白质等能源物质的最终氧化场所，这些物质的彻底氧化是在线粒体内通过呼吸链生成ATP。但是糖、蛋白质和脂肪的全部氧化过程并不是都在线粒体内进行（如糖酵解作用在细胞液中进行，真核生物细胞液中的NADH不能通过正常的线粒体内膜），细胞液中NADH不能通过线粒体内膜进入线粒体内进行氧化磷酸化，必须通过两种“穿梭”途径。西昌学院食品科学系线粒体外的NADH可将其所带之H转交给某些能透过线粒体内膜的化合物（甘油-3-磷酸，苹果酸等），进入线粒体内后再氧化。原理西昌学院食品科学系（1）甘油-3-磷酸穿梭途径（glycerol3-phosphateshuttle）细胞液中含有甘油-3-磷酸脱氢酶，可以将二羟丙酮磷酸还原为甘油-3-磷酸，后者可进入线粒体内；线粒体内又在甘油-3-磷酸脱氢酶作用下，将甘油-3-磷酸转变为二羟丙酮磷酸，同时FAD还原为FADH2，于是细胞液中的NADH便间接形成了线粒体内的FADH2，FADH2将电子传递给CoQ还原为QH2，后者通过呼吸链产生ATP。西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系所以葡萄糖在这些组织中彻底氧化所产生的ATP比其他组织要少2个，即生成36个ATP。甘油-3-磷酸穿梭途径主要存在于肌肉、神经组织中西昌学院食品科学系（2）苹果酸穿梭途径（苹果酸-天冬氨酸穿梭途径）细胞液内的NADH的电子在苹果酸脱氢酶作用下传递给草酰乙酸后转变为苹果酸，同时NADH氧化为NAD+。苹果酸通过苹果酸-α-酮戊二酸载体穿过线粒体膜，进入线粒体内膜的苹果酸被NAD+氧化失去电子又转变为草酰乙酸，NAD+又形成NADH，草酰乙酸不能透过线粒体内膜，经过转氨基作用形成天冬氨酸，再经过谷氨酸-天冬氨酸载体转移到细胞液中，天冬氨酸再经过转氨基作用转变为草酰乙酸。西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系苹果酸穿梭途径主要存在于肝、肾、心等组织三、氧化磷酸化的抑制作用影响呼吸链的因素都影响氧化磷酸化的正常进行。主要有三种:1、解偶联剂（uncouplers）氧化磷酸化是氧化及磷酸化的偶联反应。磷酸化所需能量由氧化作用供给，氧化作用所形成的能量通过磷酸化作用储存。如果二者之间的偶联被破坏，氧化磷酸化就受到抑制，甚至危及生物体的生命。所有破坏生物氧化与磷酸化相偶联的作用，即抑制氧化磷酸化的作用即解偶联作用。解偶联剂解偶联作用引起解偶联作用的物质解偶联剂并不抑制电子传递过程，只抑制由ADP形成ATP的磷酸化过程。如感冒发烧即是由于某些细菌或病毒产生某种解偶联剂，影响氧化磷酸化作用的正常进行，导致较多能量转变为热能。常见的解偶联剂2，4-二硝基苯酚、双香豆素等例子西昌学院食品科学系DNP（2,4-二硝基苯酚）是弱酸性亲脂试剂原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质化学梯度（H+梯度）（酸性状态下为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基质侧时释出H+，返回胞浆侧时结合H+，从而破坏了电化学梯度。）2、呼吸链抑制剂有些物质专一结合呼吸链中的不同部位，从而抑制呼吸链的传递，使氧化过程受阻，能量释放减少，影响ATP的生成。常见的呼吸链抑制剂有阿米妥（戊巴比妥，amytal）、鱼藤酮（rotenone）、抗霉素（antimycin）、一氧化碳和氰化物等。（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素其作用是阻断电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A它是由链酶素分离出的抗生素。抑制细胞色素还原酶中电子从还原型QH2向cytC1的传递作用。（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。西昌学院食品科学系西昌学院食品科学系二巯基丙醇3、离子载体抑制剂有些物质可以与K+或Na+形成脂溶性复合物，将线粒体内的K+跨膜转移到细胞液。这种离子转移消耗了生物氧化所产生的能量，从而抑制ADP磷酸化ATP。缬氨霉素、短杆菌肽等。离子载体抑制剂也不抑制电子传递过程。常见的离子载体抑制剂西昌学院食品科学系