7生物氧化总结

第七章生物氧化糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化分解生成CO2和H2O并释放能量的过程称为生物氧化。糖、脂肪、蛋白质氧化分解概况G甘油FAAA乙酰辅酶ACO22HADP+PiATPO2H2OCoASH三羧酸循环糖原脂肪蛋白质第一阶段第二阶段第三阶段生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化反应的氧化方式相同：脱氢、加氧、失电子。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。生物氧化的类型脱氢：加氧：失电子：Fe2+-eFe3++1/2O2OH生物氧化的特点反应条件：恒温(37℃)，pH（7.35-7.45）,酶催化能量释放：逐步释放CO2的生成：有机酸脱羧水的生成方式：代谢物脱下的成对的2H通过呼吸链交给氧生成水需要H2O的参加生物氧化中CO2的生成有机酸脱羧基作用产生α-酮戊二酸生物氧化中H2O的生成通过呼吸链将“H”传递给“O2”生成水第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成在线粒体内膜上按一定顺序排列着一系列的酶和辅酶所组成的递氢体和递电子体，能将从代谢物上脱下的成对氢原子（2H）最终传递给氧生成水，并释放出能量，该传递链称为呼吸链，也称为电子传递链。呼吸链的概念线粒体纵切示意图呼吸链的组成1、尼克酰胺核苷酸NAD+/NADP+递氢体(双电子传递体)2、黄素蛋白类FMN/FAD递氢体（单、双电子传递体）在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，不稳定中间产物是FMNH·,属于单、双电子传递体。FMNH·铁硫蛋白的辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。Ⓢ表示无机硫3、铁硫蛋白铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫4、泛醌（辅酶Q或CoQ）递氢体（单、双递电子体）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），它能在线粒体内膜中自由扩散。氧化还原反应时可先生成中间产物半醌型泛醌，进一步氧化可生成二氢泛醌。由于异戊二烯侧链强疏水作用，使CoQ成为内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量（H）和电子。5、细胞色素（Cyt）单递电子体细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类（色蛋白），根据它们吸收光谱不同而分类。Cyta、Cytb和Cytc三类。Fe3+Fe2++e-eCyta、Cyta3绿色Cytb、Cytc1、Cytc红色Cytb：CytbL（b566）CytbH（b562）*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体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3941013复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌组成：呈“L”型，突出线粒体基质的“臂”，由黄素蛋白（FMN为辅基）、铁硫蛋白（铁硫中心为辅基）构成。内膜中的横臂，含一个铁硫中心。复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。NADH→→CoQFMN→Fe-S→CoQ→Fe-S电子传递：内膜中的泛醌复合体中的泛醌复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶(黄素蛋白2，FP2人)功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌组成：黄素蛋白含FAD辅基。由4个亚基构成，2个铁硫蛋白（含3个铁硫中心），2个疏水小亚基。电子传递：琥珀酸→→CoQFAD→几种Fe-S复合体Ⅱ没有H+泵的功能。复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶（细胞色素b-c1复合体）功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c•泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。组成：含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。胞质侧和基质侧各有一个结合CoQ的位点。复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。•电子传递过程：CoQH2→→Cytc(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1“Q循环”复合体Ⅳ：细胞色素c氧化酶功能：将电子从细胞色素c传递给氧组成：13个亚基，亚基Ⅰ-Ⅲ（线粒体基因编码）包含电子传递所需要的Cu、Fe离子位点。亚基Ⅰ含2个血红素辅基，称为Cyta和Cyta3，亚基Ⅱ稳定结合一个Cu离子，称CuA。复合体另外结合的Cu离子，称CuB。Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。Cytc→→O2CuA→Cyta→Cyta3–CuB电子传递：复合体Ⅳ的电子传递过程细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，由于强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。2H+2H2O2H+呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-4H+4H+4H+4H+2H+2H+1/2O2+2H+H2O由以下实验确定①标准氧化还原电位②拆开和重组③特异抑制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧呼吸链成分的排列顺序呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.8161、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、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→O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链FAD(Fe-S)NAD+FMN(Fe-S)CoQbc1caa31/2O2琥珀酸呼吸链的排列2H+O2-H2O呼吸链的作用代谢水的生成ATP的生成ATP的生成体内能量储存和利用都以ATP为中心高能化合物低能化合物化合物水解释放出自由能约为9~16kJ/mol一、高能键和高能化合物高能键：每mol水解释放出自由能大于21kJ的化学键称为高能键。用“〜”表示高能键。高能化合物：含有高能键的化合物。高能磷酸键高能磷酸化合物高能硫酯化合物高能硫酯键~P~SCoA化合物△E0′kJ/mol(kcal/mol)磷酸烯醇式丙酮酸－61.9(－14.8)氨基甲酰磷酸－51.4(－12.3)1，3-二磷酸甘油酸－49.3(－11.8)磷酸肌酸－43.1(－10.3)ATP→ADP＋Pi－30.5(－7.3)乙酰辅酶A－31.5(－7.5)ADP→AMP＋Pi－27.6(－6.6)焦磷酸－27.6(－6.6)1-磷酸葡萄糖－20.9(－5.0)一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能软脂酸与葡萄糖在体内氧化产生ATP的比较软脂酸(1mol)葡萄糖(1mol)ATP数目(mol)10632能量利用效率33%33%二、ATP的结构腺嘌呤、核糖、三个磷酸三、ATP生成方式底物水平磷酸化氧化磷酸化（主要方式）1、底物水平磷酸化某些反应中，由于脱氢或脱水等作用，使代谢物分子内部能量重新分布而形成高能化合物，然后将高能键转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化。发生底物水平磷酸化反应的三个高能化合物1,3-二磷酸甘油酸琥珀酸单酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸2、氧化磷酸化代谢物分子脱下的氢经过呼吸链的传递与氧结合生成水，在此传递过程中有能量的释放，并同时伴随有ADP磷酸化生成ATP，这种伴随氢的氧化产生ATP的偶联关系称为氧化磷酸化。氧化磷酸化是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP的过程。又称为偶联磷酸化。氧化磷酸化的偶联部位由各阶段所释放的自由能和P/O比值确定偶联部位（ATP的生成部位）氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、ⅣP/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所消耗磷原子的摩尔数，代表了一对氢原子（或一对电子）通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。NADH呼吸链：P/O=2.5FADH2呼吸链：P/O=1.5离体线粒体测定的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.681自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′电子传递链自由能变化区段电位变化(⊿Eº′)自由能变化⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1Cytaa3O2→Cytc氧化磷酸化的偶联机理1.化学渗透假说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储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ATP合酶，催化ADP与Pi结合生成ATP。线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。2.ATP合酶由亲水部分F1和疏水部分F0组成。ATP合酶结构模式图ATP合酶组成可旋转的发动机样结构F0的2个b亚基的一端锚定F0的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3中轴，γ还与1个β亚基疏松结合，上端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。当H+顺浓度梯度经F0中a亚基的质子半通道回流时，c环旋转，带动γ亚基旋转，使得3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成的结合变构机制ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧基质侧++++++++++---------影响氧化磷酸化的因素诱导Na+/K+-ATP酶的合成2、NADH/NAD+对氧化磷酸化的调节作用1、ADP/ATP对氧化磷酸化的调节作用3、甲状腺激素的作用ATPADP+Pi+能Na+/K+-ATP酶（1）呼吸链抑制剂(阻断电子传递)复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断电子传递到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。4、氧