第七版生物化学 第06章生物氧化

第六章生物氧化第六章生物氧化BiologicalOxidation主讲人：王平潍坊医学院生化教研室第六章生物氧化生成ATP的氧化磷酸化体系其他不生成ATP的氧化体系目录概述第六章生物氧化物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化（BiologicalOxidation）的概念此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。第六章生物氧化糖原甘油三酯蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA电子传递H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程2HTAC第六章生物氧化1.ATP如何产生的？2.H2O如何生成？本章主要解决的问题是：第六章生物氧化体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。1、相同点二.生物氧化的特点第六章生物氧化2、不同点体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能第六章生物氧化Section1TheOxidationSystemofProducingATP第一节生成ATP的氧化磷酸化体系第六章生物氧化呼吸链的种类及排列顺序呼吸链的部位、概念及本质呼吸链的组成及特点呼吸链一氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分第六章生物氧化真核生物生物氧化发生的场所——线粒体原核生物生物氧化发生的场所——细胞质膜部位第六章生物氧化基本概念呼吸链营养物质代谢脱下的成对氢原子（2H）以还原当量形式存在，再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，逐步释放的能量可驱动ATP生成。这包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。第六章生物氧化递氢体递电子体呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。本质：酶和辅酶。功能：传递氢和电子（2H2H++2e）呼吸链第六章生物氧化基本概念呼吸链呼吸链组成：递氢体和电子传递体。H2O第六章生物氧化（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。组成第六章生物氧化四种酶复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第六章生物氧化*泛醌和Cytc不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数39413第六章生物氧化功能:复合体ⅠNADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-21、复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）是将NADH+H+中的电子传递给泛醌，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，有质子泵功能。第六章生物氧化1.NADH2.FMN3.Fe-S4.CoQ复合体Ⅰ组成黄素蛋白，辅基为FMN或FAD;铁硫蛋白，辅基为Fe-S。第六章生物氧化（1）NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+第六章生物氧化（2）尼克酰胺核苷酸的作用原理RHCONH2N+CRHHCONH2N+H+e+H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H双电子传递体第六章生物氧化FMN称为黄素单核苷酸，是黄素蛋白(酶)的辅基，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH•,属于单、双电子传递体。FMNH•••复合体Ⅰ成分1FMN：递氢体第六章生物氧化复合体Ⅰ成分2Fe-S：单电子传递体铁硫簇(Fe-S)是铁硫蛋白(酶)中辅基，含有等量铁原子和硫原子，主要(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在.其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。第六章生物氧化泛醌（ubiquinone,Q）亦称辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人体中：CoQ10（1）结构1)含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2)脂溶性3)是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）第六章生物氧化（2）作用：电子和质子的传递体在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。第六章生物氧化（3）泛醌的作用机理第六章生物氧化复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQMNADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2MH2M4H+2e2e2e2e代谢物第六章生物氧化2.复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD;Fe-S1;Fe-S2;Fe-S3复合体Ⅱ没有H+泵的功能。第六章生物氧化结构及组成黄素蛋白，辅基为FAD;铁硫蛋白，辅基为Fe-S1234第六章生物氧化递氢体（1）黄素核苷酸的作用原理第六章生物氧化琥珀酸FADH2Fe-SCoQ电子传递第六章生物氧化3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1b562、b566是吸收波长不同的两个细胞色素，b562电位较高，又称bH;b566电位较低，又称bL。细胞色素b-c1复合体第六章生物氧化细胞色素体系（cytochrome,Cyt）（1）Cyt的本质细胞色素=酶蛋白+血红素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。（2）Cyt的功能第六章生物氧化（3）Cyt的分类(根据吸收光谱和最大吸收峰的不同）30多种a类：a、a1、a2、a3…b类：b、b1～7、P450…c类：c、c1、c2、c3…各种还原型细胞色素的主要光吸收峰细胞色素波长（nm）αβγa600439b562532429c550521415c1554524418第六章生物氧化第六章生物氧化Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结合，不包含在复合体中,将获得的电子传递到复合体Ⅳ。第六章生物氧化电子传递过程：CoQH2→(Cytb566→Cytb562)→Fe－S→Cytc1→CytcQ循环复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。4H+第六章生物氧化4.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶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→CuB其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。功能将电子从细胞色素C传递给氧，递电子体。电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2第六章生物氧化细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。2H+2H2O第六章生物氧化(3)利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态(1)测各组分氧化还原电位（E0’）递增研究方法(2)呼吸链复合物重组(4)利用呼吸链抑制剂（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列氧化还原对Eº'(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06CytbFe3+/Fe2+0.04（或0.10）Q10/Q10H20.07Cytc1Fe3+/Fe2+0.22CytcFe3+/Fe2+0.25CytaFe3+/Fe2+0.29Cyta3Fe3+/Fe2+0.551/2O2/H2O0.82呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位电子流动方向：总是由电负性较强的氧化还原对向具有更强电正性的氧化还原对流动。第六章生物氧化1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2两条重要的呼吸链成分的排列顺序NADHFMN(Fe-S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链***呼吸链传递顺序细胞色素的传递方向笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3洗一洗第六章生物氧化两种呼吸链的比较相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反复使用；3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。不同点:NADH呼吸链琥珀酸呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFADH2ATP2.51.5第六章生物氧化第六章生物氧化目的要求（一）掌握生物氧化的概念。了解生物氧化的方式及生物氧化的特点。（二）掌握呼吸链的概念、组成及特点，两条重要的氧化呼吸链排列顺序。了解呼吸链排列顺序确定的实验依据。第六章生物氧化二、氧化磷酸化*定义氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是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。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)直接将代谢分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。⑴磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酸+CoA+GTP⑶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酰CoA合成酶***底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：糖酵解途径中（2个）三羧酸循环中（1个）概念:每消耗1mol氧原子，所消耗的无机磷摩尔数一对电子通过呼吸链P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数1个氧原子2e+OO2-ADP+PiATP无机磷个数生成ATP的个数1.根据P/O比值推测生成ATP的偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位是在复合体Ⅰ、Ⅲ、ⅣP/O比值=ATP数目录利用P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位：－羟丁酸：P/O＝32e从NADH到O2生成3个ATP琥珀酸：P/O＝22e从琥珀酸到O2生成2个ATP因此，NADH→Q存在偶联部位。抗坏血酸：P/O＝12e从Cytc到O2生成1个ATP因此，Cytaa3→O2存在偶联部位。Q→Cytc存在偶联部位。目录标准自由能：⊿Gº'=-nF⊿Eº‘2.根据自由能变化推测偶联部位合成1molATP时，需提供的能量至少为ΔG0‘=-30.5kJ/mol。区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能电子传递链自由能变化ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位结论目录（二）氧化磷酸化的偶联机理1.化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时，其能量驱动ADP与Pi生成ATP。了解第六章生物氧化因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterDMitchell第六章生物氧化线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图•电子传递给氧释出的能量推动质子泵•将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯