第06章生物氧化(7版)

目录第6章生物氧化BiologicalOxidation•维持人体体温的热量是从哪儿来的？它与支持人的一举一动所需要的能量有没有区别？如果有区别的话，它们在机体中究竟是怎样产生的？•生物氧化过程中水是如何生成的？•CO、氰化物中毒的机理是什么？•患感冒或某些传染性疾病时体温为什么会升高？目录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*生物氧化的概念细胞呼吸目录生物氧化的特点：1、反应条件温和(在体温37℃，pH近中性)的有水环境中进行。2、反应由酶催化。3、逐步放能，有利于ATP的生成。4、H2O由代谢物脱下的氢（经呼吸链传递）和氧结合生成，CO2由有机酸脱羧生成。目录糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程目录第一节生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing目录Mitochondrion目录呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、呼吸链定义递氢体和电子传递体（2H2H++2e）组成传递氢的酶或辅酶传递电子的酶或辅酶ⅠⅡQⅢⅣCytcH+H+复合体ⅠⅡⅢⅣCoQ（泛醌）Cytc多种酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上，将代谢物脱下的氢（2H）或电子逐步传递，最终与氧结合生成水。此传递链称为呼吸链。212121O212e¯e¯目录酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。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。（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成目录人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCytc1，Cyta复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）目录呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置目录FADH2(Fe-S)IIIIIINADHFMNQCytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)O2IV电子传递链各组份的排列顺序目录复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)NADH目录每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。目录NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+目录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。递H++2eNHCONH2R+H+H++eNHCONH2RH+H+NAD+/NADP+NADH/NADPH目录FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。NHNNNH3CH3CROOHNHNNNHH3CH3CROONHHNNNHH3CH3CROOHFMN(醌型或氧化型)FMNH(半醌型)FMNH2(氢醌型或还原型)FMNFAD+2HFMNH2FADH2110递2H++2e目录铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。Ⓢ表示无机硫Cys---SCys---SS--CysS--CysFeFeFeFeSSSSCys---SCys--SCysS--CysS--Fe2S2Fe4S4FeFeSS目录泛醌（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）。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。H3COH3COCH3ROOCoQ(醌型或氧化型)H3COH3COCH3ROOHHHH3COH3COCH3ROHOHCoQH(半醌型)CoQH2(氢醌型或还原型)递2H++2e目录复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。目录目录3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b566,b562)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc目录细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以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。属于单电子传递体目录复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+复合体Ⅲ也有质子泵作用目录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。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。目录复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧目录复合体Ⅳ结构目录复合体Ⅳ的电子传递过程目录ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-4H+4H+4H+4H+2H+2H+目录标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列由以下实验确定:呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位0.8161/2O2/H2O0.06Q10/Q10H20.35Cyta3Fe3+/Fe2+0.05(0.10)CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.29CytaFe3+/Fe2+－0.219FAD/FADH20.254CytcFe3+/Fe2+－0.219FMN/FMNH20.22Cytc1Fe3+/Fe2+－0.32NAD+/NADN+H+E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)氧化还原对NADHFMNQCytbc1caa3O2FADH2-0.32-0.300.040.070.220.250.290.82(0.10)(0.55)-0.06(ΔE0’)目录1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、FADH2氧化呼吸链（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→O2NADHFMN（Fe-S）CoQCytbc1caa3O2CoQCytbc1caa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸目录NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2(Fe-S)FAD(Fe-S)琥珀酸FADH2氧化呼吸链NADH氧化呼吸链1ATPⅠⅡⅢⅣ1ATP0.5ATPCyt氧化酶(Fe-S)AH2NADHANAD+FMNQ2Fe3+2Fe2+1/2O2ⅠH+2H+FMNH2H+H2O2H+QH2Fe-SFe-SCytb,c1Cytaa3ⅢⅣCytc琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶、α-磷酸甘油脱氢酶目录二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联+ATP3-P-甘油酸3-P-甘油酸激酶+ADP1,3-BP-甘油酸丙酮酸+ATP丙酮酸激酶PEP+ADP琥珀酰CoA+Pi+GDP琥珀酰CoA合成酶琥珀酸+CoA+GTP底物水平磷酸化氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)：代谢物脱下的氢，经氧化呼吸链电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。ATP生成方式AH2A2HNADH+H+(或FADH2)NAD+(或FAD)电子传递链H2O1/2O2释放能量ADP+PiATP合成酶ATP氧化过程磷酸化过程氧化磷酸化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)直接将高能代谢物分子中的能量转移给ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程。不经电子传递。目录（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ目录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Ⅲ33→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ22→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O211细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O2111、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。目录2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′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目录ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2目录近代实验和电化学计算结果：平均每泵出4个H+才合成并转运1分子ATPNADH氧化呼吸链泵出10个H+：10/4=2.5（分子ATP）FADH2氧化呼吸链泵出6个H+：6/4=1.5（分子ATP）目录(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度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驱动ADP与Pi生成ATP。1978年目录氧化磷酸化质子梯度＝能量电能势能ATP势能目录forhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheoryPeterMitchellNobelPrizeinChemistry,1978Itisn’tatheory,it’safact.e¯e¯H+H+H+H+H+Pi+ADPNADH+H+H+H+H+ATPH+H+------质子泵机制ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸3H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。目录（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亚基），镶嵌在线粒体内