10章生物氧化-2

第十章生物氧化BiologicalOxidation糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能*生物氧化的概念一切代谢物在细胞内进行的氧化作用称生物氧化。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。（细胞氧化、细胞呼吸、组织呼吸）糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA呼吸链ADP+PiATP2HH2OCO2*生物氧化的一般过程三个主要内容CCO2EHO2H2O能量ATP生物氧化的特点条件温和：体温（37℃）；pH近中性在酶的催化下逐步氧化，逐步释放能量葡萄糖→CO2+H2O2872kJ/mol葡萄糖→→→→→→→CO2+H2O2872kJ/mol氧化释放的能量形成ATPCO2的形成：脱羧30-3230-32ATP爆炸量热器需氧细胞第一节生物能学的基本概念生物能学（Bioenergetics）研究发生在活细胞内能量转换的定量关系，以及相应化学过程性质和功能的科学。一、生物体能量的转换遵循热力学定律生物体对能量的需求生物体的需能变化：位置的变化、浓度的变化、化学键变化能量的来源异养生物细胞光合自氧生物细胞自由能（Gibbsfreeenergy“G”）：可用于做功的能量熵、焓、自由能之间的关系：ΔG=ΔH–TΔSΔG—恒温恒压条件下体系自由能的改变量（体系内质点能量总和）ΔH—体系焓变（体系内能与分子的压力和体积变化和）ΔS—体系熵变（体系质点散乱无序程度）T—体系的绝对温度ΔG与化学反应方向ΔG0，反应自发进行ΔG=0，体系处于平衡状态ΔG0，反应不能自发进行自由能变化的可加性在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。二、高能生物分子1.高能磷酸化合物高能磷酸键水解时释放的能量大于25kJ/mol的磷酸酯键，常表示为“”。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物*乙酰CoA含高能硫酯键~几种重要的高能磷酸化合物磷氧键型（-P-O-）氮磷键型——如胍基磷酸化合物硫酯键型——活性硫酸基甲硫键型——活性甲硫氨酸2.ATP在生物能量转换中的特殊作用ATP的结构特征ATP是能量转运的共同中间体目录四、氧化还原电势与自由能的关系1.氧化还原电位•氧化还原反应:电子转移反应•化学电池:Zn=Zn2++2e-Cu2++2e-=Cu•标准电极电势:Zn：-0.763VCu：+0.34V饱和KCl氧化还原电势：还原剂失电子/氧化剂得电子倾向氧化还原电位的产生本身就是一种能量的变化。在一个氧化还原体系中，氧化还原电势越正，氧化能力越强，与电子的亲和力越大，越易获得电子。氧化还原电势越负，还原能力越强，与电子亲和力越小，越易失去电子。第二节电子传递与氧化磷酸化一、生物体电子传递的主要方式电子直接转移：Fe2++Cu2+=Fe3++Cu+氢原子的形式转移：AH2+B=BH2+A以氢负离子（：H-）的形式转移AH2+NAD+=A+NADH+H+NAD++2e-+2H+=NADH+H+二、呼吸链及其组成1948年，EugeneKennedyandAlbertLehninger发现真核生物线粒体是氧化磷酸化的场所——现代生物能量转换研究。AlbertLesterLehninger17Feb1917-4Mar1986电子传递链电子从NADH（FADH2）到O2的传递所经过的途径形象地称为电子传递链(electrontransferchain)又称呼吸链(respiratorychain)。由存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体组成。电子传递链的部位：线立体内膜线粒体的结构琥珀酸泛醌（辅酶Q,CoQ）细胞色素C呼吸链的组成呼吸链主要由存在于线粒体内膜上的几个大的蛋白质复合物构成:复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素C还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数39410134241113琥珀酸延胡索酸1.复合体Ⅰ:NADH-CoQ还原酶(NADH脱氢酶)多酶复合物，850kD,42亚基，包括黄素蛋白和铁硫蛋白（非血红素铁蛋白，铁硫中心）FMN;Fe-S→CoQNADH→复合体ⅠNDAH：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（脱氢酶辅酶，VitPP）FMN：黄素单核苷酸（黄素酶辅酶，,黄色,VitB2）Fe-S：铁硫簇（铁硫蛋白辅酶）CoQ：辅酶Q/Q（UQ）/泛醌(ubiquinone)NAD+和NADH相互转变FMN与FMNH2的相互转变NADH+H++FMN→FMNH2+NAD+铁硫蛋白中辅基铁硫簇/中心(Fe-S)，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。FeSFe2S2Fe4S4CoQ/Q（UQ）/泛醌(ubiquinone)脂溶性辅酶,与蛋白结合不紧密，含多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe2+-S氧化型Fe3+-SCoQCoQH2黄素蛋白铁硫蛋白脱氢酶将H+和e-从NADH传递到CoQ质子泵NADH→FMN→Fe-S→CoQPositivephaseNegative-phaseFP：Flavoprotein，黄素蛋白IP：Iron-sulfurProtein铁硫蛋白HP：HydrophobicProtein疏水蛋白2.复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶(琥珀酸脱氢酶)140kD，4亚基。包括以FAD为辅基的黄素蛋白及铁硫中心FAD;Fe-S复合体Ⅱ琥珀酸→→CoQFAD：黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素酶辅酶，VitB2）琥珀酸+FAD→延胡索酸+FADH2FADH2→Fe-S→CoQ作用:将H+和e-从FAD传递到CoQ琥珀酸延胡索酸3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶/细胞色素bc1复合体256kD，11亚基。由细胞色素b、细胞色素c1、Fe-S组成。作用：将电子从泛醌传递给细胞色素c，质子泵CoQH2→Cytb→Fe-S→Cytc1复合体ⅢQH2→→CytcCytb;Fe-S;Cytc1是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。Fe2+↔Fe3++e因特殊吸收光谱呈红色或褐色，依吸收光谱不同分3类：Cyta，Cytb，Cytc（各下分若干亚类）细胞色素（Cytochrome,Cyt）复合体III的Q循环4.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶160kD，13亚基，含细胞色素a，a3，Cu原子作用：将电子从细胞色素c传递给氧，质子泵Cytc→Cyta→Cyta3→1/2O2Cyta，a3，Cu复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2三、电子传递抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质鱼藤酮杀粉蝶菌素安密妥×抗霉素A×CO、CN-、N3-×电子传递抑制剂四、电子传递体排列顺序的确定1.电子传递抑制剂的应用抑制剂——选择性抑制某一传递步骤测定各组分氧化-还原状态2.氧化还原电位的测定NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2小结电子传递过程：还原型辅酶（NADH、FADH2）通过电子传递再氧化的过程电子传递链（呼吸链）：参与电子传递过程的所有电子传递体按与电子亲和力递增的顺序排列，将电子从还原型辅酶传递到氧形成水的一系列相互偶联的氧化还原体系。电子传递总反应式：2H++2e+1/2O2→H2OΔG0’=-220.07kJ/mol五、氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)氧化磷酸化是指呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，即将电子传递过程中产生的自由能用于ATP合成，又称为偶联磷酸化。1.氧化磷酸化作用机制化学偶联（chemicalcoupling）构象偶联（Conformationalcoupling）化学渗透学说(Thechemiosmotictheory)（1）化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度——质子驱动力。当质子经质子通道（F0）回流时驱动ATP生成。PeterMitchell（英）1961年提出，1978年获诺贝尔化学奖ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------质子梯度的形成2.ATP合酶(ATPsynthase)——世界上最小的分子马达结构F1：催化ATP合成（α3β3γδε亚基）F0：穿膜质子通道（a1b2c9～12亚基）催化F0F1稳定支架APT合成机制——结合变化机制bindingchangemechanism旋转催化模型（1997P.Boyer&J.E.Walker获Nobel化学奖）ATP合酶的结合变化模型质子回流，F0构象变化F1单元3种构象:T态（紧张态）:活性态L态（松散态）:ADP+Pi;O态（开放态）:非活性态质子流驱动“转态”,ATP形成葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，产生H2O、CO2和能量第一阶段：酵解途径第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧第三阶段：三羧酸循环及氧化磷酸化G（Gn）丙酮酸乙酰CoACO2NADH+H+FADH2H2O[O]ATPADPTCA循环胞液线粒体3.ATP从线立体向胞浆的转运4.质子消耗与ATP形成1对电子经：NADH—CoQ还原酶,4H+泵出细胞色素bc1还原酶,4H+泵出细胞色素c氧化酶,2H+泵出1molATP——3H+回流ATP进入胞浆——1H+1分子ATP——4H+NADH呼吸链产生2.5分子ATPFADH2呼吸链产生1.5分子ATP5.P/O比物质氧化时，每消耗1摩尔原子氧时生成的ATP的摩尔数。NADH呼吸链P/O为2.5FADH2呼吸链P/O为1.56.氧化磷酸化作用的控制ATP/ADP对氧化磷酸化作用的调控：ADP浓度与氧化磷酸化速度成正比——呼吸控制六、氧化磷酸化的解偶联和抑制1.氧化磷酸化的解偶联能使电子传递的氧化还原过程与ATP的形成过程分离的作用为解偶联作用（uncoupling）。具有解偶联作用的试剂为解偶联剂（2.4—二硝基苯酚、解偶联蛋白）：抑制ATP形成，不抑制电子传递，自由能→热能。2,4一二硝基酚（DNP）的解偶联机制pH7解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体膜）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP3.氧化磷酸化抑制剂作用特点：通过抑制ATP合成酶，使电子传递停止，氧的消耗停止抑制剂：寡霉素(oligomycin)寡霉素的抑制作用阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素呼吸链抑制剂与氧化磷酸化抑制剂七、线粒体外NADH的氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有：磷酸甘油穿梭系统(glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭系统(malate-asparateshuttle)NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮PiCH2O-CH2OHC=OPiCH2O-CH2OHC=Oα-磷酸甘油PiCH2O-CH2OHCHOHPiCH2O-CH2OHCHOH1.磷酸甘油穿梭系统（脑、骨骼肌）NADH+H+NAD+-OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体-OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸-OOC-CH2-C-CO