第七章 生物氧化与氧化磷酸化

第七章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念二、生物氧化的特点三、生化反应的自由能变化四、高能化合物有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化(biologicaloxidation)。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。1、概念一、生物氧化的概念糖、脂肪和蛋白质CO2+H2O+能量2、生物氧化主要包括三方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2。糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。糖、脂肪和蛋白质CO2+H2O+能量CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶1\2O2NAD+电子传递链H2O2eO=2H+（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O。（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP。底物水平磷酸化氧化磷酸化脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环电子传递及磷酸化彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热，散失二、生物氧化的特点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：生物氧化体外燃烧温和条件高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）逐步氧化放能，能量利用率高能量爆发释放自由能变化（ΔG）:ABΔG=GB-GAΔG是衡量反应自发性的标准。ΔG0，放能，自发进行ΔG=0，平衡状态ΔG0，吸能，非自发进行三、生化反应的自由能变化自由能（G）: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。ΔG随温度和物质浓度而变化1、生化标准自由能变化(ΔG0’)指在标准条件下，即温度为25℃，参加反应的物质浓度为1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时，测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol生化标准条件下某一可逆反应的平衡常数用k表示。ΔG0’=-RTlnk=-2.303RTlgk标况下，T=298K,R=1.987cal/mol.k=8.314J/mol.k'eq'eq'eq2、自由能变化与平衡常数的关系生化标准氧化还原电位（E0’）：生化标准条件下，发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。在氧化还原反应中，电子总是从E0’值较小的物质转移到E0’值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。3、自由能变化与氧化还原电位差的关系氧还对：氧化还原反应中，参与反应的每一种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对。ΔE0’=E0’氧化剂-E0’还原剂ΔG0’=-nFΔE0’其中n为转移的电子数，F为法拉第常数，F=96.496kJ/v.mol=23.063kcal/v.mol生化标准氧化还原电位差（ΔE0’）：四、高能化合物一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)及以上自由能（G’-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5千卡/mol或以上能量的磷酸化合物在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。1、概念生物氧化过程涉及高能化合物产生•磷氧键型•磷氮键型•硫酯键型•甲硫键型2、高能化合物的类型据分子结构特点及所含高能键的特征1、磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物乙酰磷酸10.1千卡/摩尔COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-1,3-二磷酸甘油酸11.8千卡/摩尔H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RCHCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物O-POO-OPOO-O-焦磷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2、磷氮键型OPOONHCNHNCH3CH2COOH磷酸肌酸10.3千卡/摩尔OPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸精氨酸7.7千卡/摩尔磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质3、硫酯键型OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-3´-磷酸腺苷-5´-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A4、甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-）3、ATP的特点及其特殊作用O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系ATP4-不稳定，具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°´=-30.5千焦/摩尔）。ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•mol-1水解反应①ATP是生物体通用的能量货币。②ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。（2）ATP在能量转化中的作用ATP是通用的能量货币ATP将分解代谢的产能反应和合成代谢的需能反应偶联在一起，被生物界普遍用作“能量货币”。ATP/ADP循环是生物体系中能量交换的基本形式。有机物氧化分解产生的能量并不直接用于活细胞的生理活动，而是将ADP磷酸化生成ATP当ATP＋H2O→ADP+Pi时，释放出的自由能，为生命活动提供能量；即构成了ATP/ADP循环。磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体已糖激酶：Glc+ATP→G-6-P+ADP甘油激酶：甘油+ATP→3-磷酸甘油+ADP化合物磷酸基团转移势能G（千卡/摩尔）磷酸烯醇式丙酮酸14.81，3-二磷酸甘油酸11.8氨甲酰磷酸12.3磷酸肌酸10.3乙酰磷酸10.1磷酸精氨酸7.7ATP（ATP→ADP+Pi）7.3ADP（ADP→AMP+Pi）7.3AMP（AMP→腺苷+Pi）3.41-磷酸葡萄糖5.06-磷酸葡萄糖3.36-磷酸果糖3.81-磷酸甘油酸2.2某些磷酸化合物磷酸基团的转移势能6ATP→ADP+Pi）ΔG0’=7.3，居中故ATP是磷酸基团转移反应的中间载体磷酸基团转移势能（kcal/mol)24810121416ATPPEP1，3-二P甘油酸6-P葡萄糖3-P甘油丙酮酸激酶：PEP+ADP→丙酮酸+ATP已糖激酶：Glc+ATP→G-6-P+ADP（3）能荷（energycharge)ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗，处于动态平衡中:ADP→ATP，ATP→ADP→AMP即细胞内存在ATP、ADP和AMP这三种形式的腺苷酸，细胞所处的能量状态可用能荷来表示。能荷指总的腺苷酸库中所负荷的ATP的比例当细胞内所有的腺苷酸全部转变为AMP时,能荷值为0，当腺苷酸全部转变为ATP时，能荷值为1。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷=能荷调节主要是通过ATP、ADP、AMP作为一些调节酶的变构效应物而起作用的。如糖酵解中磷酸果糖激酶的调控：高浓度的ATP是该酶的变构抑制剂，ATP的抑制作用可被AMP解除。能荷调节能荷可调节代谢，能荷高时，抑制物质分解代谢，促进物质的合成代谢；能荷低，促进物质分解代谢，抑制物质的合成代谢。能荷相对速率ATP的利用途径ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响第七章生物氧化第一节生物氧化概述第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O第二节线粒体电子传递链一、概念二、电子传递链的电子传递顺序三、电子传递链的各成员四、电子传递链的电子传递抑制剂在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后交给分子氧并生成水，这个氢和电子的传递体系称为电子传递链（eclctrontransferchain)。由于消耗氧，故也叫呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。一、概念线粒体内膜向内折叠形成嵴（cristae），扩大了内膜的面积。内膜表面含有执行氧化反应的电子传递链ATP合成酶线粒体内膜转运蛋白线粒体的结构外膜、膜间隙、内膜和基质复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ在线粒体内膜上主要有两条电子传递链电子传递链由一系列的氢传递体和电子传递体组成二、电子传递链的电子传递顺序NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ三、电子传递链的各成员复合体Ⅰ是一个大的蛋白质复合体,包括以FMN为辅基的黄素蛋白和以铁硫中心为辅基的铁硫蛋白1、复合体Ⅰ(NADH-Q还原酶)作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；由辅基FMN和（Fe-S）负责传递电子。FMN或FAD通过氧化还原变化传递氢。NADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫中心主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在铁硫中心2Fe-2S4Fe-4SCysSSSCysFe3+Fe3+CysSSSCysCysSSSCysFe3+Fe2+CysSSSCys+e--e-铁硫中心通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用，每次传递一个电子.FMNH22(Fe-S)CoQ2e-2e-MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ基质2H+复合体Ⅰ基质H+2、辅酶Q（泛醌)脂溶性醌类化合物，分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢•电子传递链中唯一的非蛋白组分。氧化型还原型辅酶Q（泛醌)FMNH22(Fe-S)CoQ2e-2e-MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQH+基质2H+复合体Ⅰ基质H+以FAD和Fe-S中心为辅基。3、复合体Ⅱ（琥珀酸-Q还原酶or琥珀酸脱氢酶）（2）FADH2又将电子传递给Fe-S中心，最后电子由Fe-S中心传递给CoQ。（1）4、复合体Ⅲ（细胞色素bc1复合体or细胞色素还原酶）含有两种细胞色素（b、c1）和一个铁硫蛋白。关于细胞色素(下页)作用：将电子从QH2转移到细胞色素c细胞色素血红素辅基是以铁卟啉（血红素）为辅基的色素蛋白根据吸收光谱分成a、b、c三类高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等细胞色素主要是通过辅基中Fe3+Fe2+的互变传递电子。一个细胞色素每次传递一个电子。MMH2NAD+NADHFMNFMNH22Fe3+