生物化学简明教程--第四版-第八章-生物氧化

第八章新陈代谢与生物氧化(biologicaloxidation)新陈代谢定义：生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。外界物质细胞物质消化、吸收、合成排泄分解中间代谢（metabolisim）中间代谢能量代谢分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）小分子→生物大分子需要能量生物大分子→小分子放出能量物质代谢新陈代谢的研究方法•活体内与活体外实验代谢途径阻断法同位素示踪法自由能和高能化合物可用于作功的能量水解反应或基团转移时，可产生大量自由能的化学键称作高能键，具有高能键的化合物称作高能化合物高能键和高能化合物：自由能：ATP腺苷三磷酸(ATP)ATP是能量的携带者和传递者;但ATP不是能量的贮存者;磷酸肌酸，为高能磷酸基的暂时贮存形式，存在于肌肉和其他兴奋性组织，如脑和神经细胞中。在脊椎动物中，肌酸与ATP反应可逆地生成磷酸肌酸，这个反应是由肌酸激酶催化的。磷酸肌酸的功能是保持肌肉，特别是骨骼肌和心肌有较高的ATP水平。有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能BiologicalOxidation生物氧化生物氧化的特点：1、氧化的本质是电子转移(1)直接进行电子转移Fe2+Cu2++Fe3++Cu+(2)氢原子的转移AH2B+A+BH2(3)有机还原剂直接加氧RHO2+ROH+H2O+2H++2e2、在细胞中进行；3、在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行；4、能量的释放也是逐步进行的，且转移到一些高能化合物中去；5、生物氧化的部位：在真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内进行，在原核生物中，生物氧化在细胞膜上进行。要解决的3个问题：•如何生成CO2?•如何生成H2O?•如何生成ATP?生物氧化中CO2的生成1、直接脱羧2、氧化脱羧方式：脱羧丙酮酸脱羧酶直接脱羧HCOHCOOHCH2COOH+NADP+C=OCH2COOH+NADPH+H+苹果酸酶氧化脱羧+CO2⑶脱下的氢经一系列传递体，传给氧，形成水。生物氧化中水的生成1、过程：⑴氢的激活脱落；（脱氢酶）M·2HM+2H⑵氧的活化；（氧化酶）1/2O2+2e1/2O22-2、呼吸链（respiratorychain）代谢物上的氢被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最终传递给被激活的氧分子，而形成水的全部体系称为呼吸链，又称为电子传递链（electrontransportchain）NADH呼吸链：NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2FADH2呼吸链FADH2CoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2呼吸链中的递氢体NAD+、FMN、FAD、CoQNADP+、呼吸链中的递电子体CytbCytc1CytcCytaCyta3氧化还原电位NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2-0.32-0.18-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816FADE0’呼吸链各组分排列的顺序NADH-CoQ还原酶(复合物Ⅰ)4个质子从基质排出到间隙由42条多肽链组成，其辅基是FMNNADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2琥珀酸脱氢酶(复合物Ⅱ)由4条多肽链组成，其辅基是FAD复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3功能:将请氢从琥珀酸传递给泛醌CoQ-Cytc还原酶复合物(复合物Ⅲ)4个质子从基质排出到间隙Cytbc1复合物包含Cytb、Cytc1和FeS蛋白，由11条多肽链组成。复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c细胞色素C氧化酶复合物(复合物Ⅳ)2个质子从基质排出到间隙包含Cyta和Cyta3蛋白，由13条多肽链组成。功能：将电子从细胞色素c传递给氧复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB424电子传递抑制剂NADHCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素抗霉素ACN-N3-CO四、ATP的生成底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)电子传递体系磷酸化(electrontransportphosphorylation)底物水平磷酸化烯醇式丙酮酸磷酸丙酮酸丙酮酸激酶甘油酸磷酸激酶底物水平磷酸化底物水平磷酸化GTP琥珀酸硫激酶琥珀酰辅酶A琥珀酸CoASH氧化磷酸化指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。(oxidativephosphorylation)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)胞液中的NADH如何进入线粒体？α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)α-磷酸甘油穿梭主要存在于肌肉、神经组织苹果酸穿梭主要存在于肝脏、肾脏和心脏442化学渗透学说1、呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱使H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙；2、泵出膜外侧的H+不能自由返回内侧，因而使内膜外侧的H+离子浓度高于内侧，造成了离子浓度的跨膜梯度，此H+浓度差使外侧的pH较内侧低1.4单位左右，并使原有的内负外正的跨膜电位增高。H+梯度所包含的能量可以驱使ADP和Pi生成ATP;3、H+通过ATP合酶上特殊的途径(F0)，返回基质，使质子发生逆向回流。由于H+梯度所释放的自由能,耦联ADP与Pi合成ATP，质子的电化学梯度也随之消失。ATP合酶：F0+F1（EC3.6.3.14）F0：a、b、c3种亚基（a1、b2、c9-12）F1：α、β、γ、δ、ε5种不同亚基（9条多肽链）ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-氧化磷酸化的P/O比•每合成1molATP需3个质子通过ATP合成酶，同时产生的每1个ATP从线粒体基质进入胞质还需要消耗1个质子•每产生1个ATP需消耗多少个质子？•一对电子从NADH传到氧共产生多少个ATP？（4+4+2）/4=2.5因此P/O比=2.5三、影响氧化磷酸化的因素1.呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：2，4-二硝基苯酚，解偶联蛋白3.氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素（一）抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素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氧化磷酸化的解偶联ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP寡霉素(oligomycin)可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素氧化磷酸化抑制剂Binding-changemechanismofPaulBoyer,rotationofthegamma-subunit(darkblue)relativetothea,b-ring(thethreea,b-pairsarerepresentedbydifferentshadesofgreen,red,orblue)inducesachangeinthebindingaffinitiesofreactants,asrepresentedherebyachangeintheconformationofthesiteongoingfromlefttorightinthediagram.ATPformsspontaneouslyfromtightlyboundADPandPi.结构变化机制鱼藤酮丙二酸抗霉素A寡霉素B