(潘)第六章 生物氧化

第八章生物氧化BiologicalOxidation2目录第一节概述第二节线粒体氧化体系第三节非线粒体氧化体系一、生物氧化的基本概念营养物质(糖、脂肪、蛋白质等)在生物体内氧化成水和二氧化碳并释放能量的过程。营养物质+O2H2O+CO2+能量ATP+热量第一节概述4生物氧化主要包括三方面的内容（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2—CO2如何形成？（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量转化成ATP—ATP如何产生？脱羧反应底物水平磷酸化氧化磷酸化1.加氧反应2.脱氢反应3.脱电子反应生物氧化的方式+1/2O2-OHCH3CH(OH)COOHCH3COCOOH+2HFe2+Fe3++e6脂肪葡萄糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸+甘油糖原氨基酸乙酰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生物氧化的三个阶段7二、生物氧化的特点生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：8生物氧化体外燃烧细胞内温和条件高温或高压、（常温、常压、中性pH、干燥条件水溶液）一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失CO2由底物脱羧生成直接生成水是由底物脱氢经呼吸链传递，最后与氧结合生成.受体内多种因素的影响和调节9三、生物氧化过程中CO2的生成（一）α-单纯脱羧（二）α-氧化脱羧R-CH-COOHNH2αα-氨基酸R-CH2NH2+CO2胺氨基酸脱羧酶CH3CO～SCoA+CO2乙酰辅酶A丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CH3COCOOHα丙酮酸+HSCoA10（四）β-氧化脱羧（三）β-单纯脱羧CH2-COOHCOCOOHαβ草酰乙酸CH3COCOOH+CO2丙酮酸羧化酶丙酮酸CHOH-COOHCH-COOHCH2-COOHαβ异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H+CO-COOHCH2+CO2CH2-COOHα-酮戊二酸11第二节线粒体氧化体系线粒体的结构12呼吸链（respiratorychain)概念：线粒体内膜中的一系列递氢和递电子酶及其辅酶按照一定顺序排列成的连锁性氧化还原体系。A代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水；B该酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上；C此过程与细胞摄取氧的呼吸过程相关。因此，称为呼吸链。13（一）呼吸链的组成与作用14一、呼吸链的主要组分复合体酶名称多肽链数辅基复合体ⅠNADH-泛醌还原酶42FMN,Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶4FAD,Fe-S复合体Ⅲ泛醌-细胞色素c还原酶11铁卟啉,Fe-S复合体Ⅳ细胞色素c氧化酶13铁卟啉,Cu人体线粒体呼吸链复合体辅酶Q与细胞色素c不包含在内15（1）复合物Ⅰ——NADH-Q还原酶结合NADH,并将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.NADHFMN，Fe-SCoQ16（2）复合物Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。17（3）复合物ⅢQ-cytc还原酶催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。b566b562Fe-Sc1QH2Cytc18（4）复合物ⅣCytc氧化酶将电子从Cytc经Cytaa3传递给氧Cu2++eCu+CuAaa3CuBCytcO219一、呼吸链的组成（一）NAD+（二）FAD、FMN（黄素蛋白的辅基）（三）CoQ（四）铁硫蛋白（五）细胞色素体系（b、c1、c、aa3）递氢体递电子体（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）及其作用（泛醌）20NNNNNH2OCH2HOHORHHHOPOPOCH2OOHOHHHNHO-O-CNH2OOO+NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶INADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶IIR=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+（一）NAD+与NADP+的结构2122黄素蛋白的递氢作用是通过其辅基中的异咯嗪基环的氧化还原过程进行的。(二）黄素蛋白黄素蛋白的辅基有两种：FMN：黄素单核苷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸23FMN/FAD结构特点：R＝磷酸根：FMN；R＝腺嘌呤二核苷酸：FAD24FMN/FADFMNH/FADHFMNH2/FADH2（氧化型）（还原型）1012345678925作用：Fe2+Fe3++e单电子递体（三）铁硫蛋白Fe-S铁硫蛋白的辅基是铁硫簇，其中的铁原子可以接受或失去电子，其功能是将FMN或FAD的电子传递给泛醌。26Fe4S427A、结构1.含有多个异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性苯醌3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）B、作用：递氢体C、递氢机制：是多种底物进入呼吸链的中心点（四）泛醌（ubiquinone,UQ）也称辅酶Q2829A、结构：一类含铁卟啉为辅基的色素蛋白B、分类:Cyta——Cytaa3Cytb——Cytb562、Cytb566Cytc——Cytc、c1C、区别：①铁卜啉辅基侧链不同②铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同（五）细胞色素（cytochromos,cyt）30辅基与酶蛋白连接CytB原卜啉Ⅸ(血红素)非共价结合CytC原卜啉Ⅸ(血红素)乙烯侧链与酶蛋白多肽链中Cys的–SH相连CytA血红素A31呈水溶性与线粒体内膜外表面结合不紧密易与线粒体内膜分离*Cytc32甲酰基多聚异戊二烯长链33作用：细胞色素的递电子作用是通过其辅基铁卟啉中的铁可逆地进行氧化还原实现的。Cyt-Fe3++eCyt-Fe2+细胞色素体系（Cyt）每分子细胞色素每次传递一个电子电子传递链中的细胞色素传递电子顺序为b→c1→c→aa3→O234二、呼吸链中电子传递体的排列顺序35●根据E0’的高低eEO’（低）——→EO’（高）●根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化NAD260nm/NADH340nm黄素蛋白氧化态370nm450nm黄素蛋白还原态370nm●利用阻断剂研究分析●四种复合物的电子传递再造实验二、呼吸链中电子传递体的排列顺序36两条电子传递链的关系37Q内外膜间隙侧基质侧线粒体内膜IⅡⅢⅣCytcNADH+H+NAD+e-e-e-e-1/2O2+2H+H2Oe-琥珀酸延胡素酸呼吸链电子传递示意图38（一）NADH氧化呼吸链三、主要的呼吸链（二）琥珀酸氧化呼吸链NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2NADH氧化呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2氧化呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸40四、ATP的生成、利用与储存糖、脂肪、蛋白质CO2+H2O+能量生物氧化ATP（一）高能化合物和高能磷酸化合物在标准条件下(pH7,25℃,1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。习惯上把“大量”定为5kcal/mol(即20.92KJ/mol)以上。在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。用～表示41几种常见的高能化合物2、高能化合物的类型42O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)～～3.最重要的高能化合物ATP(三磷酸腺苷)αβγADPATPAMP431.底物水平磷酸化概念：在反应过程中,底物由于脱氢或脱水造成分子内部能量重新分配，形成高能磷酸化合物，进一步将高能磷酸基转移给ADP，形成ATP的作用。（二）ATP的生成底物水平磷酸化氧化磷酸化441,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA-SH+GTP+ADPATPPK举例：糖代谢讲授45（1）概念：代谢物脱下的2H,经呼吸链氧化为水时所释放的能量与ADP磷酸化生成ATP储能相偶联的过程。是体内生成ATP的最主要方式。2.氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）46反应ADP+PiATP+H2O为什么需要偶联?ATP是比ADP与Pi能量更高的化合物。由ADP与Pi反应生成ATP是非自发过程,需要获得能量才能进行。ADP+PiATP+H2O30.5kJ/mol能量升高反应能级图47呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化？ATP+H2OADP+Pi+30.5kJ/mol48*推测氧化磷酸化的偶联部位的方法:磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。例实测得NADH呼吸链：P/O~3实测得FADH2呼吸链：P/O~2磷氧比（P/O）推测氧化磷酸化的偶联部位的方法:49（1）化学渗透学说（1961）1961年由英国生物化学家PeterMitchell最先提出。获得1978年的诺贝尔化学奖认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。1961~1978（2）氧化磷酸化的机制5051化学滲透假说示意图NADH+H+NAD+e-琥珀酸延胡素酸1/2O2+2H+H2O2H+4H+4H++++++++++++++++++++---------------ADP+PiATPH+H+H+52NADH呼吸链中的三个复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ起着质子泵的作用，将H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。53ATP合酶的分子结构由亲水部分F1(33亚基)和疏水部分F0(a1b2c9~12亚基)组成。54由于3个β亚基与γ亚基插入部分的不同部位相互作用，使每个β形成不同构象。当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。紧密结合型（T）β亚基变成开放型（O），释放ATP；ADP和Pi与疏松型（L）β亚基相结合；与紧密型β亚基结合的ADP和Pi生成ATP.因此，ATP在紧密结合型β亚基中生成，在开放型中被释放。化学计算估计每生成1分子ATP需3个H+从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制55ATP合酶的工作机制3个β亚基构象不同O开放型；T紧密结合型；L疏松型56（1）ADP/ATP比值的调节ADP增加，氧化磷酸化速度加快，ADP减少，氧化磷酸化速度减慢。（2）甲状腺素（T3）T3活化Na＋-K＋ATP酶→ATP分解↑→ADP↑→氧化磷酸化速度↑（3）影响氧化磷酸化的因素：甲亢症状：基础代谢率增高57幼年动物若甲状腺机能减退或切除甲状腺时，将引起发育迟