第5章能量代谢与生物能的利用1

第五章能量代谢与生物能的利用•一切生命活动都需要能量，维持生命活动的能量主要有两个来源：•光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。（植物和某些藻类）•化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。第一节概述•一、生物氧化的方式和特点•二、参与生物氧化的酶类•三、同化作用和异化作用一、生物氧化的方式和特点•生物氧化：有机物在生物体内的氧化还原作用称为生物氧化。由于需要消耗氧并放出CO2，又称组织呼吸或细胞呼吸。1生物氧化的主要方式生物体内物质的氧化方式包括失电子、加氧和脱氢（1）失电子Fe2+→Fe3++e-（2）加氧醛+1/2O2→酸（3）脱氢醇→酸+2HA:-单纯脱羧NH2︱氨基酸脱羧酶RCHCOOHRCH2NH2+CO22.生物氧化中CO2生成的方式•B:-氧化脱羧•C:-氧化脱羧3、水的生成在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成4、能量的生成当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP主要是通过呼吸链底物水平磷酸化氧化磷酸化生物氧化的一般过程TCA5、生物氧化的特点•（1）酶的催化•（2）氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。•（3）水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。•（4）氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。•（5）生物氧化是一个分步进行的过程，能量通过逐步氧化释放，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。•（6）生物氧化释放的能量一般都贮存于一些特殊的化合物中，主要是ATP.生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化体外燃烧1、细胞内温和条件高温或高压、干燥条（常温、常压、中性pH、水溶液）2、一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放3、释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失二、参与生物氧化的酶类•包括脱氢酶、氧化酶、传递体等•1脱氢酶–以黄素核苷酸为辅基–以烟酰胺为辅酶黄素单核苷酸FMN黄素腺嘌呤二核苷酸FADNAD（CoⅠ）NADP（CoⅡ）•2氧化酶–含Cu2+或Fe3+的酶•3传递体–递氢体：黄素蛋白传递体及辅酶Q–递电子体：细胞色素、铁硫蛋白三、同化作用和异化作用•1同化作用–生物从环境中获取物质，转化为体内的新物质，这一过程称为同化作用。–需要能量，小分子合成大分子•2异化作用–生物体内的旧物质转化为环境中的物质，这一过程成为异化作用。–释放能量，大分子分解成小分子第二节线粒体氧化体系•一线粒体膜结构•参与生物氧化的各种酶类如脱氢酶、电子传递体系、偶联磷酸化酶类等都分布在线粒体内膜和嵴上。•二呼吸链1、呼吸链的概念2、呼吸链的组成3、呼吸链的电子传递顺序•1、呼吸链的概念–在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为呼吸链。又称电子传递链。2、呼吸链的组成•NADH呼吸链（以NAD为辅酶的脱氢酶催化的物质氧化）•FADH2呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）:以FAD为辅基的脱氢酶催化的物质氧化NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸NADH呼吸链和FADH2呼吸链FADH2↓FeS↓NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链NADH：还原型辅酶I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。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。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，故称铁硫中心。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－SSSFeFeSSS－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－铁硫蛋白NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化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还原酶最少含有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来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶NADH+Q+H+=========NAD++QH2简写为Q或辅酶-Q（CoQ），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。泛醌OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10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。细胞色素它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。细胞色素c（cyt.c）简写为cyt.c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cyt.a和a3。细胞色素c氧化酶•cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3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。•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还原酶催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt,c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。琥珀酸-Q还原酶第三节能量代谢中生物能的产生、转移和储存•一、氧化还原与自由能变化•二、高能磷酸键的生成机制•三、线粒体外的氧化磷酸化•四、氧化磷酸化的解偶联和抑制作用一、氧化还原与自由能变化•1反应方向与趋势（一）自由能（G）（1878）指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。用符号G表示。自由能变化（ΔG）ABΔG=GB-GA生物化学反应中标准自由能变化△G0’:在1mol/L浓度、1个标准大气压、温度为298K（25℃）、pH=7条件下，反应的自由能变化。△G0’=-nF△E0’△G0’0或△E0’0，反应可以自发进行二、高能磷酸键的生成机制•高能键：一般将水解或基团转移时能释放出20.9kJ/mol以上能量的化学键称为高能键。•高能化合物：含有高能键的化合物称为高能化合物。氧化磷酸化非氧化磷酸化1氧化磷酸化（1）概念氧化磷酸化是指代谢物在脱氢（氧化）时所释放的能量用于ATP的生成。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化呼吸链磷酸化呼吸链磷酸化：是指当电子从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的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指呼吸链磷酸化。底物水平磷酸化：在代谢底物脱氢（氧化时），分子内部发生能量重新分配而形成高能键并用于ATP生成。(如3-磷酸甘油醛转变为3-磷酸甘油酸)CHOHCH2OCHOPCHOHCH2OCOO～PP+NAD++Pi+NADH+H+HH3-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸+ADP+ATP（2）氧化磷酸化的作用机制A.ATP产生的数量研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值:是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数。实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。B.ATP产生的部位ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0'值在此三个部位有大的“跳动”。C.能量偶联假说氧化与磷酸化作用的偶联目前主要有三个学说：化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说(a).化学偶联假说（1953）认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。(b).构象偶联假说（1964）认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。(c).化学渗透学说（1961）认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。I.递H体与递e体交替排列II.递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程共泵出3对H+III.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度IV.H+通过ATP合成酶回流，生成ATP质子的流向内外电子的流向ADP+PATP化学渗透假说示意图呼吸链ATP合成酶化学渗透假说质子梯度的形成电子传递使复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ推动H+跨过线粒体内膜到线粒体的间隙，线粒体间隙与细胞溶胶相接触。H+跨膜流动的结果造成线粒体内膜内部基质的H+离子浓度低于间隙。线粒体基质形成负电势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力势。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。质子转移的机制有两种假设质子传递链的4种电子传递复合体中的3种复合体都和质子转移有密切关系。质子主动转移和电子传递产生的自由能相偶联的机制当前存在两种假说：氧化—还原回路机制质子泵机制ATP合成机制ATP的合成是由一个酶的复合体系完成的。这个复合体系称为ATP合酶由两个主要的单元构成。起质子通道作用的单元称为Fo单元和催化ATP合成的单元称为F1单元。因此，ATP合酶又称为FoF1—ATP酶ATP合酶在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体Ⅴ，即ATP合酶。该酶主要由Fo（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起。它主要由α3β3γδε亚基组成，其功能是催化生成ATP;催化部位在β亚基中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。Fo镶嵌在线粒体内膜中。它由a1b2c9-12亚基组成。C亚基形成环状结构，a亚基位于环外侧，与c亚基之间形成质子通道。Fo与F1之间，其中心部位由γε亚基相连，外侧由b2和δ亚基相连，F1中的α3β3亚基间隔排列形成六聚体，部分γ亚基插入六聚体中央。ATP合酶结构示意图FoF1侧视图由于3个β亚基与γ亚基插入部分的不同部位相互作用，使每个β形成不同构象。当H+顺浓度递