第五章 生物氧化

第五章生物氧化BiologicalOxidation教学目的及要求1·描述生物氧化的概念、特点2·了解CO2的生成3·熟悉呼吸链的组成及两条重要呼吸链4·熟悉ATP的生成、转移、利用5·掌握氧化磷酸化的概念、偶联部位、影响因素6·了解穿梭重难点：生物氧化的概念呼吸链的组成及两条重要呼吸链ATP的生成氧化磷酸化的概念偶联部位第一节概述introduction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。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*生物氧化的概念*生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。1、加氧反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。能够使氧分子直接加入到有机分子中。例如：【甲烷】CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD++H2O2、脱氢反应（1）脱氢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。琥珀酸脱氢+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+NADHCH3CCOOHO（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+2e-+RCOHO酶RCOHHOHH2ORCOH3、脱电子反应从底物上脱下一个电子.Fe2+Fe3++e是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶催化下逐步进行，能量逐步释放,便于机体以高能磷酸化合物的形式贮存和利用能量.进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。糖原三脂酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程*生物氧化过程中CO2的生成α-单纯脱羧α-氧化脱羧β-单纯脱羧β-氧化脱羧****R—CH—COOH︱NH2R—CH2NH2αCO2氨基酸胺氨基酸脱羧酶OCH3—C—COOHOCH3—C～SCoAαNAD+NADH+H+CO2HSCoA丙酮酸丙酮酸脱氢酶系乙酰CoACH2—COOH︱COCOOHOCH3—C—COOHαβCO2丙酮酸脱羧酶丙酮酸草酰乙酸NAD+NADH+H+CO2异柠檬酸脱氢酶HO—CH—COOH︱CH—COOH︱CH2—COOHOC—COOH︱CH2︱CH2—COOH异柠檬酸α-酮戊二酸αβ生物氧化记忆:氧化分解在机体,底物酶链氧分子.生成CO2、H2O能量,能量转化ATP.三、参与生物氧化的酶类1、氧化酶类直接利用氧，产物为水，辅基含铜离子。[例]细胞色素氧化酶，抗坏血酸氧化酶等。SH2S2Cu2+2Cu+O2-1/2O22e2H++2eH2O2、需氧脱氢酶类以氧为受氢体，产物为H2O2,辅基为FMN、FAD。O2SH2S2H2HH2O2FMN或FADFMNH2或FADH23、不需氧脱氢酶类代谢物脱氢，氧不是直接受氢体，而是经过一系列传递交给氧，生成H2O.FMNH2或FADH2SH2SNAD或NADP+NADH+H+或NADPH+H+FMN或FADSH2S4、其它酶类加单氧酶、加双氧酶、过氧化氢酶过氧化物酶等。第二节生成ATP的氧化体系TheOxidationSystemofATPProducing定义代谢物脱下的成对氢原子（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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。组成递氢体和电子传递体（2H2H++2e）呼吸链一、呼吸链的组成1.以NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶类2.黄素蛋白3.铁硫蛋白4.泛醌5.细胞色素NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。【作用】辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。FMN和FAD结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，异咯嗪的第1、10位N上可加氢氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。黄素蛋白【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。泛醌细胞色素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。细胞色素细胞色素aa3（细胞色素氧化酶）参与组成呼吸链的细胞色素排列顺序Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2cyta和a3组成一个复合体，不易分开，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。细胞色素c氧化酶呼吸链组成及作用记忆法辅酶Ⅰ、Ⅱ黄素酶，泛醌铁硫色素系。逐级传递氢、电子，中间释放ATP。氧化都在细胞器，主要部位线粒体。四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌和Cytc均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3941013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3941013呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置二、呼吸链成分的排列顺序依据：标准氧化还原电位由低到高的顺序氧化还原对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*呼吸链存在于真核细胞的线粒体原核细胞的质膜上.NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链电子传递链NADH电子传递链FADH2电子传递链电子传递链的类型2H+2H+三、胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)1.α-磷酸甘油穿梭机制（脑、骨骼肌中）NADH+H+NAD+线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮PiCH2O-CH2OHC=OPiCH2O-CH2OHC=Oα-磷酸甘油PiCH2O-CH2OHCHOHPiCH2O-CH2OHCHOHFADH2FAD2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体-OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸-OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-Oα-酮戊二酸-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链-OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸-OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+HNAD+NADH+H+第三节ATP的生成TheproducingofATP一、高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物高能磷酸化合物生物体内有许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出20.92kJ／mol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物。按键型的特点可分为以下4种：1．磷氧键型：焦磷酸化合物如三磷酸腺苷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。ATP磷酸酐键水解时，释放出30.54kJ／mol能量，它有两个高能磷酸键，在能量转换中极为重要；酰基磷酸化合物如1,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都属此类。CH3COOPOO-O-2.磷键型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。RCOSCoAOPOONHCNHNCH3CH2COOH3.酯键型化合物如乙酰辅酶A。4.甲硫键型化合物如S-腺苷甲硫氨酸。此外，脊椎动物中的磷酸肌酸和无脊椎动物中的磷酸精氨酸，是ATP的能量贮存库，作为贮能物质又称为磷酸原。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。（一）底物水平磷酸化底物～PADPATP二、ATP的生成（二）氧化磷酸化1.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。氧化反应是磷酸化反应的基础，而磷酸化反应是氧化反应的结果。底物～PADPATP呼吸链2H底物水平磷酸化底物～PADPATP氧化磷酸化底物～PADPATP呼吸链2H1,3-二磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶3-磷酸甘油酸ADPATP磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶丙酮酸ADPATP琥珀酰辅酶A合成酶琥珀酰辅酶A琥珀酸+HSCoAADPATPGTPGDP底物水平磷酸化方式糖酵解TAC2.氧化磷酸化偶联部位NADH氧化呼吸链：３个；琥珀酸氧化呼吸链：２个。线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4～2.83→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.72→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.610.681～每消耗一克原子氧所需消耗无机磷的克原子数称为P/O比值。ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5KJ)