生物化学 第06章生物氧化

目录第6章生物氧化BiologicalOxidation目录物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation)，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：目录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。目录反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成效率高。通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，脱下的氢与氧结合产生H2O，CO2通过有机酸脱羧产生。生物氧化与体外氧化之不同点：生物氧化体外氧化能量突然释放，以光和热的方式瞬间释放。物质中的碳和氢直接氧结合生成CO2和H2O。目录糖原脂肪（甘油三酯）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：目录第一节生物氧化概述ConciseofBiologicalOxidation目录一、氧化反应的类型：脱电子、脱氢、加氧反应。二、生物氧化的酶类：氧化酶、脱氢酶、加氧酶、过氧化物酶。目录（一）氧化酶类：催化底物脱H，并且能激活O，使O接受脱下的H，生成H2O。（二）需氧脱氢酶：：催化底物脱H，不仅使O作为受氢体，还可以使其他物质为受氢体，生成H2O2。目录（三）不需氧脱氢酶：：催化底物脱H，不以O作为受氢体。生物氧化最重要的酶。有两方面的作用：1、把H从一个物质传递给另一个物质。2、把电子传递给O。目录第二节线粒体氧化体系TheOxidationSysteminMitochondria目录指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列辅酶或酶，其作用是将代谢物脱下的H通过传递交给O生成H2O。这一系列酶和辅酶组成的连锁反应体系与细胞摄取O进行呼吸有关，称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、呼吸链：目录呼吸链中所含的各组分具体完成电子传递过程，在电子传递过程中释放的能量驱动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）呼吸链的组成：呼吸链由4个酶复合体和2个游离的电子传递体组成。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）泛醌不包含在上述四种复合体中。目录ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2QⅡ延胡索酸琥珀酸4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置目录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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。1、复合体Ⅰ（NADH-Q还原酶）：目录（1）NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。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。目录（2）FMN：氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·，在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。目录（3）铁硫蛋白（iron-sulfurprotein,Fe-S）：铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递目录铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。目录它主要以(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。目录（4）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）：氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。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。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。目录复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2目录电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有质子泵的功能。2、复合体Ⅱ（琥珀酸-Q还原酶）：目录目录3、复合体Ⅲ（细胞色素还原酶）：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(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。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→Cytb(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。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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（细胞色素氧化酶）：目录复合体Ⅳ的电子传递过程目录目录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）呼吸链组分的排列顺序：由以下实验确定:目录呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816目录1、NADH氧化呼吸链：（大多数物质脱氢进入）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、α-磷酸甘油、脂酰CoA脱氢进入）琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2体内存在两条呼吸链：目录NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链目录二、氧化磷酸化：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)底物分子重排能量，产生高能键交给ADP（GDP），使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程，不经过电子传递。体内ATP生成的方式有两种：目录（一）氧化磷酸化的偶联部位：根据P/O比值确定自由能变化确定:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ偶联部位即为生成ATP的部位。目录1、P/O比值：指氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔O所消耗的无机磷的摩尔数，即生成的ATP摩尔数。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Ⅲ2.53→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→O20.61-0.681目录2、自由能变化：注：生成ATP所需的能量为30.5KJ/mol区段自由能变化能否生成ATP⊿Gº′是否大于30.5KJCytaa3~O283KJ/mol能NAD+~CoQ70.4KJ/mol能CoQ~Cytc36.7KJ/mol能目录ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2目录●NADH氧化呼吸链有3个偶联部位，生成3ATP。●琥珀酸氧化呼吸链有2个偶联部位，生成2ATP。目录(二)、氧化磷酸化偶联机制：1、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时释放的自由能可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜的胞浆侧，从而进入膜间隙，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。目录化学渗透假说的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的），这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度和电位梯度。c.在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧，此过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。目录目录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ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+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。目录化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响目录2、ATP合酶：F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，），在线粒体内膜的基质侧，呈颗粒状突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。（1）ATP合酶的结构组成：☆F1含有5种不同的亚基（按3、3、1、1和1的比例结合）。☆OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。☆F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。目录（2）ATP合酶组成可旋转的发动机样结构：F0的2个b亚基的一端锚定F1的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。目录当H+顺浓度递度经F0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。ATP合酶的工作机制（3）ATP合成的结合变构机制：开放态松弛态紧张态目录（三）、影响氧化磷酸化的因素：1、ADP和ATP的调节：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化的主要调节者，ADP则氧化磷酸化。2、甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP分解,ADP数量增多，因ADP导致氧化磷酸化。它还使解偶联蛋白基因表达，使耗氧，产热，基础代谢偏高。目录3、呼吸链抑制剂：复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A复合体Ⅳ抑制剂：CN－、