0409代谢总论与生物氧化2

第五章新陈代谢总论与生物氧化第一节新陈代谢总论第二节生物氧化高能化合物与ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物一般将水解时能够释放21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G′-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。（1）烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物：-61.9kJ/mol(2)酰基磷酸化合物（例）-42.3kJ/mol（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷）-30.5kJ/mol焦磷酸-28.84kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物：-43.1kJ/mol(1)硫酯键型高能化合物（例）非磷酸高能化合物：乙酰辅酶A–31.4kJ/mol(2)甲硫型高能化合物（例）–41.8kJ/molONNNNNH2-HH-OHHO-O-P~O-OOO-P~O-P-O-CH2-O-OOHATP的特殊作用作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP＋H2O→ADP＋Pi其ΔG0′=-30.51kJ／mo1；当ADP＋Pi→ATP时，也需吸收30.51kJ／mol的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式肌酸磷酸激酶第二节生物氧化——有机物质在细胞内的氧化作用。又称组织呼吸或细胞呼吸。★在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和H2O，并释放出能量形成ATP。一、生物氧化的特点（一）氧化还原的本质——电子转移电子转移的主要形式：1.直接的电子转移Fe2++Cu2+↔Fe3++Cu+(1)直接脱羧(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）丙酮酸HOOCCH2CCOOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（β-脱羧）草酰乙酸生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。二、生物氧化中CO2的生成三、生物氧化中H2O的生成生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O苹果酸CH3CCOOH+CO2氧化型2H+MH2M氧化型还原型(2H)递氢体NAD+,NADP+,FMN,FAD,COQ还原型递电子体Cytb,c1,c,aa32e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶1、概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给氧而生成水的全部体系，称呼吸链(respiratorychain)。此体系也称电子传递体系或电子传递链(electrontransferchain)。由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。（一）呼吸链2、呼吸链种类根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种：NADH呼吸链：绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成FADH2呼吸链：只能催化某些代谢物脱氢，不能使NADH或NADPH脱氢在电子传递过程中释放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，这是生物合成ATP的基本途径之一。实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。3.呼吸链中传递体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO,叠氮化合物a.测定各电子传递体氧化还原电位的数值－－按氧化还原电位由低到高顺序排列；b.利用电子传递抑制剂确定其顺序；（1）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：电子传递抑制剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。各组分Eº′：低高电子迁移方向：低电位高电位∆Gº′：逐步降低放能NADHFMNQCytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)O2FADH2(Fe-S)电子传递链各组份的排列顺序II（琥珀酸-Q还原酶）INADHQ还原酶IIIQ-细胞色素c还原酶IV细胞色素c氧化酶d.根据从线粒体中分离到的传递体复合物(4种)。c.通过电子传递体体外重组实验加以验证；膜间隙琥珀酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜1）NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，其作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADH+Q+H+NAD++QH2NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。NADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有16个多肽亚基，它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶复合物Ⅰ+CoQH24H++2eFe-S复合物I基质（负）膜间隙（正）基质臂2）琥珀酸-Q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、Cytc和Cytc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,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。CoQH2复合物Ⅱ复合物Ⅲ4H+2e膜间隙（正）基质(负)琥珀酸延胡索酸复合物Ⅱ复合物Ⅲ3）泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-Cytc还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（Cytc）的还原。QH2-Cytc还原酶QH2+2Cytc(Fe3+)Q+2Cytc(Fe2+)+2H+QH2-Cytc还原酶由9个多肽亚基组成，活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。CoQH2+复合物Ⅲ4H++2eCytb4H+Cytc1瑞斯克铁硫蛋白Cytc膜间隙(正)基质(负)复合物III4）细胞色素c氧化酶简写为Cytc氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括Cyta和a3，两者组成一个复合体，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Cytc所携带的电子传递给O2。复合物Ⅳ+2H+CytcABC膜间隙（正）基质（负）1(泵出)(底物)2H+2H+复合物Ⅳ组成：F0（疏水部分）+F1（亲水部分）+寡霉素敏感蛋白（oscp）F0：镶嵌在线粒体内膜中的质子通道F1：（33）催化生成ATP5）复合物Ⅴ——ATP合成酶基质侧膜间隙侧四、氧化磷酸化(OxidativePhosphorylation)作用——伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP（一）ATP的生成1.底物水平磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化－－底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。底物水平磷酸化反应举例X~+ADP→ATP+XPCOO-C-O~PCH2磷酸烯醇式丙酮酸COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADPATP2.电子传递体系磷酸化当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。底物水平磷酸化是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸）中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在与否无关，在ATP生成中没有氧分子参与，也不经过电子传递链传递电子。（1）概念ADPATP底物产物FADFADH2NADNADHH2O电子传递体系磷酸化：能量1（2）P/O比和由ADP生成ATP的数目电子传递体系磷酸化是需氧生物获得ATP的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，需要氧分子的参与。真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜上进行。P/O比：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。NADH呼吸链：P/O比值接近3，FADH2呼吸链：P/O比值接近2，故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中，可分别合成3个、2个ATP。（3）呼吸链电子传递过程中的自由能变化1复合物I:NADH→CoQ,E0’=0.360V，G0’=-69.5kJ/mol复合物III:CoQ→Cytc,E0’=0.190V，G0’=-36.7kJ/mol复合物IV:Cytaa3→O2,E0’=0.580V，G0’=-112kJ/mol复合物II:FADH2→CoQ,E0’=0.085V，G0’=-16.4kJ/mol可见，当一对电子相继经过复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ时，每一步都释放出足以合成一分子ATP的自由能；但当一对电子经过复合物Ⅱ时，释放的能量不足以合成ATP，其作用仅仅是将电子由FADH2注入电子传递链。★最近的研究表明：复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ不能直接合成ATP，但能螯合通过电子传递所产生的自由能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形成跨膜的质子梯度。跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力。跨膜质子转移膜间隙1基质琥珀酸延胡索酸电化学梯度（二）胞液中NADH的氧化磷酸化在细胞质中经糖酵解产生的NADH，不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。只能通过两种精妙的“穿梭”系统解决NADH的再氧化问题。一种称为甘油-α-磷酸穿梭系统，另一种称为苹果酸-天冬氨酸穿梭系统。NADH+H+线粒体内膜甘油-α-磷酸穿梭作用甘油-α-磷酸FAD二羟丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O－NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O－①②①胞液甘油-α-磷酸脱氢酶；②线粒体甘油-α-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸穿梭系统COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH转氨酶转氨酶细胞质线粒体①②①细胞质苹果酸脱氢酶②线粒体苹果酸脱氢酶线粒体内膜化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说1.化学偶联假说1953年EdwardSlater最先提出。认为电子传递产生一种高能共价中间物，它随后的裂解释放能量驱动ATP合成。但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。（三）氧化磷酸化作用机制氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说：2.构象偶联假说1964年PaulBoyer最先提出。认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，而形成一种高能形式，这种高能形式通过将能量提供给ATP合成而恢复其原来的构象。但至今未能找到有力的实验证据。3.化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）1961年英国生物化学家PeterMitchell首先提出，1978年获诺贝尔化学奖。基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自由能，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP