第五章生物氧化

Biologicaloxidation第一节概述1.生物能力学（了解）2.生物氧化的涵义及特点3.生物氧化的方式4.高能磷酸化合物第二节呼吸链1.概念及组成成分2.种类3.电子传递顺序4.四个复合物第三节氧化磷酸化1.概念及产生机理2.抑制剂和解偶联剂第一节概述维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。生物能力学在一定的温度、压力下G=H-T.SG0反应自发进行。G0反应须从外界吸收能量才能进行。G=0反应达到平衡。G与反应途径和反应机理无关E0'：氧化还原电位差G=-nFE0'故只有当E0'0时反应才能自发进行!E0'：标准氧化还原电位E0’值越小，及电负性越大，供出电子的能力倾向越大，即还原能力越强，相反则氧化能力越强。E0'=E0'电子受体-E0'电子供体自发？生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。实质上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。1.生物氧化的涵义一、生物氧化的涵义及特点糖、脂、蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解最终产生CO2和H2O并放出能的作用称为生物氧化。2、生物氧化的特点1）化学本质上与体外氧化一样。2）在细胞内进行：体温、常压、pH近中性、多水环境。3）在酶催化下进行，需要辅因子/中间传递体。4.氧化反应分阶段进行，能量逐步释放：不会因为体温的突然升高而伤害机体，又可以使放出的能量得到最有效的利用5、生物氧化释放的能量一般以高能磷酸形式贮存（如ATP）。如通过与ATP合成相耦联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。生物氧化与体外燃烧的异同？3.生物氧化的三阶段第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能（酶催化作用下降解，如淀粉酶水解淀粉、蛋白质水解成氨基酸等）。第二阶段：构造单位（葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等）经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。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生物氧化的三个阶段生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。二、生物氧化的主要方式脱氢：（主要方式）CHOHHRCHOR+2H加氧：CHOR+½O2CO-OR+H失电子：Fe2+Fe3+e-+生物氧化根据最终受氢体是否是分子氧，可分为两种方式：1）有氧氧化：以分子氧为最终受氢体，是生物氧化的最主要的方式，结果是将底物氧化成CO2和H2O。2）无氧氧化：以有机物为最终受氢体。1.生物氧化中H2O的生成——电子传递过程形成代谢物脱下的氢与吸入的氧结合形成水1）脱氢氧化反应在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢酶+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应+2H+2e-+RCOHO酶¸RCOHHOHH2ORCOH2.生物氧化中CO2的生成——三羧酸循环中生成（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在特殊脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，伴随着氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧。三、高能（磷酸）化合物1.高能化合物一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物，大多数高能化合物都含有磷酸基团，故又称高能磷酸化合物。2、特点：对酸、碱、热不稳定3.ATP是生物能存在的主要形式ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。ATP不仅潜能高，而且能够被生物细胞直接利用的能量形式。并直接参与细胞中各种代谢反应的能量转移。4.根据生物体内高能化合物的类型可以把他们分成以下几种：如：合成生物大分子、代谢反应、物质运输和分泌、肌肉收缩和运动、信息传递、维持体温等。高能化合物高能化合物种类高能化合物结构实例∆G0/J/mol(pH7.0)焦磷酸化合物高能焦磷酸酯A-R～～～A-R～～ATP、GTP等ADP、GDP等-7.3千卡胍基磷酸化合物胍基磷酸-NH-C-NH～NH磷酸肌酸磷酸精氨酸-10.5千卡酰基磷酸化合物酰基磷酸酯RCOO～1，3二磷酸甘油酸-11.8千卡烯醇式磷酸化合物烯醇磷酸酯-C-O～CH2磷酸烯醇式丙酮酸-14.8千卡高能硫代酯化合物高能硫代酯R-CO～S.CoA乙酰CoA、脂酰CoA、琥珀酰CoA-8.2千卡PPPPPPPP重要内容！第二节线粒体氧化体系（呼吸链）--电子传递链或电子传递体系由（被氧化的）代谢物(供氢体)、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。生物氧化还原链包含：呼吸链、微粒体氧化体系、过氧化物酶氧化体系、抗坏血酸氧化体系和多酚氧化酶体系(inplants)。一、呼吸链的概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫做呼吸链。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，故又叫线粒体氧化呼吸链。原核生物中，它位于细胞膜上。二、呼吸链的组成成分（componentsofrespiratorychain）1.位置（Intracellularsite）2.电子传递链包括的成分（递氢体或递电子体）1）烟酰胺脱氢酶类:辅酶为NAD+\NADP+黄素蛋白FP1：琥珀酸脱氢酶等：FP2：脱氢酶辅酶的脱氢酶:辅酶为FAD辅酶为FMN2）黄素蛋白类:辅基FMN\FAD铁硫蛋白•它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用,一次可传递一个电子。铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心，在呼吸链中铁硫蛋白与黄素蛋白或细胞色素b形成复合体存在。(单个电子的传递体)辅酶Q•它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。OOCH3CH3OCH3ORH+2e+2OHOHCH3CH3OCH3OR氧化态还原态5）细胞色素蛋白细胞色素蛋白(cytochromes)：以血红素(含铁卟啉)为辅基的色素蛋白，是单个电子的传递体。种类：b、c1、c、aa35种cyt均含铁，cyta3还含Cu2+；除cytc外，均与线粒体(mitochondrion)紧密结合。依靠细胞色素分子中铁离子化合价的变化传递电子。形成2个酶：CoQH2-cytc还原酶：含cytb、FeS、cytc1。作用：催化电子由CoQH2传递给cytc。Cytc氧化酶：含cytaa3。作用：将电子由cytc传递给cytaa3。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：三、呼吸链的种类在具有线粒体的生物中，根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同，分成两种典型的呼吸链，1）NADH呼吸链NADH+H+respiratorychain2）FADH2呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）FADH2respiratorychain其中NADH呼吸链应用最广泛，糖类、蛋白质、脂肪三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过NADH呼吸链来完成的。NADH呼吸链FADH2呼吸链四.呼吸链的传递顺序（Sequencesoftransportersinrespiratorychain）1、依据——各传递体的Eo、复合体组成、链阻断试验1)根据递氢体、递电子体的标准氧化还原电位（E0‘）的大小。E0'越小，给出电子的倾向越大，在呼吸链中的位置越是远离氧，E0'越大，接受电子的倾向越大，在呼吸链中越接近氧。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⑵体外将呼吸链拆开和重组可鉴定呼吸链四种复合体的组成和排列顺序。⑶利用呼吸链特异抑制剂部分阻断电子传递。⑷利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。呼吸链各组分特有的吸收光谱NAD+260nmNADH340nm氧化型FP370和450nm还原型370nm氧化型cyt消失还原型cyt各有特殊吸收光谱以3-磷酸甘油醛氧化成1，3-二磷酸甘油酸为例1）脱氢2）NADH被黄酶氧化3-磷酸甘油醛NAD++3-磷酸甘油醛脱氢酶NADH1，3-二磷酸甘油酸+NADH+H+NAD+FP+FP-H22、电子传递顺序3）还原型黄酶（FP-H2）释放出两个电子经铁-硫蛋白传递，传递给辅酶QFe3++e-Fe2+4）辅酶Q接受铁-硫蛋白传递来的2个电子，吸收线粒体基质中的2个质子（H+)成为还原型辅酶Q（QH2）辅酶Q+2H++2e-辅酶Q.H25）辅酶Q.H2被细胞色素氧化还原型辅酶Q.H2被氧化型细胞色素氧化过程：QH2将电子传递给氧化型细胞色素b，使之成为还原型细胞色素b，H+质子留在基质中，还原型细胞色素b将电子传递给铁-硫中心，再传递给细胞色素c和细胞色素aa3(细胞色素氧化酶）。QH2bFe-Sc1caa3O2-2e-2e-2e-2e-2e-2H+细胞色素c氧化酶五、呼吸链中的4个复合物ComplexIIComplexIIIComplexIVComplexISNADHFMNFeSCoQSuccinateFADFeScytbFeScytc1cytccytaa3O2Cu2H+H2O1、复合体Ⅰ（NADH-辅酶Q还原酶）1）NADH脱氢酶FMN氧化型黄素单核苷酸2）辅基：FMNH23）2个（Fe-S）FMNH2还原型黄素单核苷酸4）CoQNADH+H+NAD＋电子受体NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2中的电子通过向铁硫中心传递转移给辅酶Q，辅酶Q在接受电子的同时还从基质中吸取两个H＋形成还原型辅酶Q（CoQH2）。复合物I的电子传递顺序2．复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）：琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cytc还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。复合体III：辅酶Q细胞