生物氧化

生物氧化学习要求：1细胞是如何利用氧分子把代谢物分子中的氢氧化成水的？2细胞是如何在酶的催化下把代谢物分子中的碳变成二氧化碳？3当有机物被氧化时，细胞是如何将氧化时产生的能量搜集和贮存起来的？第一节概述第二节生物氧化过程中水的生成第三节ATP的生成第四节其它氧化体系练习题第一节概述线粒体氧化体系供给能量非线粒体氧化体系其它特殊功能一、生物氧化的概念物质在生物体内的氧化分解过程。呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸（微生物）（三）生物氧化的一般原理糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。本质生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体。在生物体内，它有三种方式：加氧氧化电子转移二、生物氧化的方式O2苯丙氨酸酪氨酸CH3CHCOOHOHNAD+NADHCH3CCOOHO乳酸脱氢酶脱氢氧化三、生物氧化的特点1、细胞内温和环境中的酶促反应。2、有机酸脱羧产生CO2，底物脱氢传递给氧产生H2O。3、能量逐步释放，与生成ATP相偶联。4、可受多种因素的调节。四、参与生物氧化的酶类（一）氧化酶类催化代谢物脱氢，将氢直接交给氧生成水SSH2→H2→H2O1/2O2辅酶：金属离子（二）需氧脱氢酶类催化代谢物脱氢，直接将氢传给氧生成H2O2SSH2→H2→H2O2O2辅酶：FMNFAD（三）不需氧脱氢酶类催化代谢物脱氢，将脱下的氢经一系列传递体的传递交给氧，生成水SSH2→H2→一系列传递→H2→H2O1/2O2辅酶：NAD+NADP+FADFMN（四）其它酶类除上述酶外，体内还有一些氧化还原酶类，如加单氧酶、加双氧酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。往往存在于非线粒体氧化体系中。生物氧化作用的关键，一个是代谢物分子中的氢如何脱出？另一个是脱出的氢如何能与分子氧结合成水并释放能量？根据酶的催化作用原理，可以看出，在生物氧化过程中代谢物质（糖、脂、氨基酸等）首先经脱氢酶催化脱氢，脱出的氢一般经一或一以上的递氢体沿呼吸链的一定方向传递。当氢被传到细胞色素b时，2H放出2e-，其本身变为质子（H+）暂留溶液中，电子则通过细胞色素体系传到分子氧。此时氧化酶的金属离子将电子传给分子氧，使之激活变为O2-,2H+与O2-结合成水。（见课本P501）五、二氧化碳的生成氧化脱羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-氧化脱羧：丙酮酸的氧化脱羧β-氧化脱羧：苹果酸的氧化脱羧直接脱羧基作用（oxidativedecarboxylation）α-直接脱羧：氨基酸的脱羧β-直接脱羧：草酰乙酸脱羧直接脱羧作用（directdecarboxylation）α-直接脱羧：如氨基酸脱羧R－CHNH2－COOHR－CH2NH2＋CO2α－氨基酸胺β-直接脱羧：如草酰乙酸脱羧氧化脱羧作用（oxidativedecarboxylation）α-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：β-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：返回目录2.H2O的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。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。MH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体b,c1,c,aa32H+2e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶线粒体的结构线粒体有双层膜结构，外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质。内外膜之间为膜间腔。1.呼吸链（电子传递链）概念：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，而生成水的全部体系称呼吸链。此体系通常也称电子传递体系或电子传递链。根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。一、呼吸链的组成及作用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋或CoI）黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN和FAD）铁硫蛋白（铁硫中心）泛醌（CoQ）细胞色素（Cyta、Cytb、Cytc）（一）以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶类利用分子中烟酰胺基团的可逆性还原而递氢，还原形成的NADH即可参与组成呼吸链而进行电子传递。递氢体NAD（P）++2HNAD（P）H+H+（二）黄素蛋白辅基：黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）递氢体FMN+2HFMNH2FAD+2HFADH2（三）铁硫蛋白分子中常含2或4个Fe（称非血红素铁）和2或4个对酸不稳定的硫，其中一个Fe原子能可逆地还原而传递电子。在HADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶中均含有多个不同的铁硫蛋白，它们可将电子由FMNH2（或FADH2）转移到泛醌上。Fe2+Fe3++e递电子体（四）泛醌（CoQ）是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能进行可逆的加氢反应。递氢体CoQ+2HCoQH2辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。（五）细胞色素细胞色素属于电子传递体，其传递电子的方式如下：2CytFe3++2e－2CytFe2+细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白质，辅基是铁卟啉的衍生物，因其有颜色又普遍存在于细胞内，故称为细胞色素。根据其结构与吸收光谱的不同可将细胞色素分为a、b和c三类。细胞色素c的结构示意图细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。电子传递抑制剂：阻断呼吸链中某一部位的电子传递1.鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素都可阻断电子由NADH向CoQ传递2.抗霉素A抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递3.氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等阻断电子从细胞色素aa3向O2传递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NADH氧化呼吸链是细胞内最主要的呼吸链，因为生物氧化过程中绝大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，当这些酶催化代谢物脱氢后，脱下来的氢使NAD+转变为NADH，后者通过这条呼吸链将氢最终传给氧而生成水。NADH呼吸链各成员的排列见图琥珀酸氧化呼吸链这个呼吸链由琥珀酸脱氢酶复合体、CoQ和细胞色素组成。其中琥珀酸脱氢酶复合体包括FAD、铁硫中心和另一种细胞色素b（称为b558）。琥珀酸氧化呼吸链的电子传递途径如图：呼吸链成分排列总结NADH呼吸链SH2→NADH→FMN(Fe-S)→CoQ→b→c1→c→aa3→O2SH2→Ⅰ→CoQ→Ⅲ→c→Ⅳ→O2FADH2呼吸链SH2→FAD(Fe-S)→CoQ→b→c1→c→aa3→O2SH2→Ⅱ→CoQ→Ⅲ→c→Ⅳ→O2三、胞液中NADH的氧化线粒体中的NADH可以直接进入呼吸链氧化，但胞液中的NADH不能自由透过线粒体内膜，需要某种转运机制的帮助。α-磷酸甘油穿梭苹果酸-天冬氨酸穿梭磷酸甘油穿梭作用α-磷酸甘油脱氢酶有两种：线粒体外的磷酸甘油脱氢酶（以NAD+为辅酶）线粒体内的磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基的一种不需氧黄酶）通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+只能产生两个ATP，比线粒体内的NADH+H+氧化少产生一个ATP磷酸甘油穿梭系统图苹果酸穿梭作用线粒体内外都具有苹果酸脱氢酶，而且辅酶（NAD+）相同通过这种穿梭作用，线粒体外的NADH+H+能产生3个ATP。苹果酸穿梭系统图返回目录第三节ATP的生成生物氧化不仅消耗氧，产生二氧化碳和水，更重要的是有能量的生成和释放。生物氧化中释放的能量大约有40%以化学能的形式储存于ATP和其它高能化合物中，其中ATP是体内各种生命活动及代谢过程中主要供能的高能化合物。一、生物体内的高能化合物磷氧键型高能化合物：包括1，3－二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、NTP、dNTP、NDP、dNDP等。其中尤以ATP分布广、浓度大，是所有生命形式的主要的能量载体。氮磷键型高能化合物：如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。硫脂键型高能化合物：如脂酰－CoA。甲硫键型高能化合物：如S－腺苷蛋氨酸根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：①磷氧键型COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-a)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔二、ATP的生成吸能ADP+PiATP放能底物水平磷酸化（3个）氧化磷酸化（主要产能方式）底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指底物脱氢或脱水而引起分子内部能量聚集，形成高能键，它可转移给ADP形成ATP的过程。S-PADPSATP氧化磷酸化1、概念底物脱下的氢经呼吸链氧化成水的同时，释放的能量使ADP磷酸化，生成ATP的反应。氧化磷酸化是指当氢或电子从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，又名电子传递体系磷酸化。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。实验指明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。两大呼吸链的偶联部位NADH呼吸链SH2→NADH→FMN(Fe-S)→CoQ→ATPb→c1→c→aa3→O2ATPATPFADH2呼吸链SH2→FAD(Fe-S)→CoQ→b→c1→c→aa3→O2ATPATP3、偶联机制化学渗透假说的主要论点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合酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。4、影响氧化磷酸化的因素ADP/ATP比值的影响氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的调节。激素的调节甲状腺激素能促进线粒体的氧化磷酸化，增加ATP的形成。抑制剂的作用抑制剂的作用*呼吸链抑制剂如阿的平、阿米妥、鱼藤酮、抗霉素A、一氧化碳和氰化物等均因能抑制呼吸链而抑制氧化磷酸化（如图）*氧化磷酸化抑制剂（ATP合酶抑制剂）如寡霉素*解偶联剂如2,4-二硝基苯酚、细菌或病毒产生的解偶联剂等三、高能化合物的储存和利用ATP是生物界普遍的供能物质，体内的分解代谢和合成代谢的偶联都以ATP为偶联剂。ATP分子含有两个高能磷酸键，在体外标准条件下测定，每个高能磷酸键水解时释放约7.3kcalmol－1的能量。在细胞内如脊椎动物肌肉和神经组织的磷酸肌酸和无脊椎动物的磷酸精氨酸才是真正的能量储存物质，又称为磷酸原。当机体消耗ATP过多致使ADP增多时，磷酸肌酸可将其高能键转给ADP生成ATP，以供生理活动之用。催化这一反应的酶是肌酸磷酸激酶（CPK）。肌酸＋ATP磷酸肌酸＋ADP当机体代谢中需要ATP提供能量时，ATP可以多种形式实行能量的转移和释放：葡萄糖＋ATP6－磷酸－葡萄糖＋ADP5－磷酸核糖＋ATP5－磷酸核糖－1－焦磷酸＋AMP氨基酸＋ATP氨酰-AMP＋Ppi蛋氨酸＋ATPS－腺苷蛋氨酸＋PPi+Pi体内能量的转移、储存和利用体内能量的直接供应者：ATP特殊之处：糖原合成的能量供应：UTP磷脂合成的能量供应：CTP蛋白质合成的能量供应：GTP体内能量的储存者：CP返回课后练习1、关于生物体的能量代谢叙述正确的是（）A、营养物质氧化过程中释放的能量全部变成ATPB、体内各种生理活动和蛋白质、糖原、磷脂等合成过程中必须由ATP直接供能C、氧化磷酸化是ATP生成的唯一方式D、含有高能键的化合物必然是有机磷酸化合物E、供给机体生命活动的能量来自营养分