第五章生物氧化.

第五章生物氧化主要内容•一、生物氧化概述•二、氧化还原酶类•三、二氧化碳和水的生成•四、氧化磷酸化第一节生物氧化概述维持生命活动的能量主要有两个来源：•光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。•化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。生物氧化（biologicaloxidation）定义：糖、脂、蛋白质等物质在体内氧化分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程位置：组织细胞中（细胞氧化）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共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量-ATP。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段•生物氧化主要的内容•（1）CO2如何生成？脱羧反应•（2）H2O如何生成?电子传递链•(3)能量如何生成?ATP的生成生物氧化的特点1、酶促氧化过程、反应条件温和2、质子和电子由载体传递到氧生成水3、分步进行：有利于提高能量利用率4、氧化磷酸化，形成ATP5、CO2的生成方式——脱羧作用第二节氧化还原酶类1、脱氢酶使代谢物的氢活化、脱落，传递给受氢体或中间传递体显著特点：体外实验中以甲烯蓝为受氢体氧化型甲烯蓝：兰色还原型甲烯蓝：无色据脱氢酶催化底物脱氢与氧结合方式的不同分为：（1）需氧脱氢酶以氧为直接受氢体，生成H2O2（2）不需氧脱氢酶底物脱下的氢通过呼吸链传递再与氧结合，生成H2O•代谢物-2HFMN或FADH2O2•需氧黄酶•已氧化代谢物FMNH2或FADH2O2•2H2H（1）需氧脱氢酶以黄素核苷酸为辅助因子，又称为黄素酶（2）不需氧脱氢酶以烟酰胺核苷酸为辅助因子的～NAD（CoⅠ）、NADP（CoⅡ）、FAD代谢物-2HNAD+或NADP+传递体-2H1/2O2不需氧脱氢酶已氧化代谢物NADH+H+或传递体H2ONADPH+H+2H2H2H（二）氧化酶激活氧，把来自传递体的氢传给活化氧生成水。代谢物-2H2Cu2+O2-H2O传递体-2H（2Fe3+）已氧化代谢物2Cu+1/2O2已氧化传递体（2Fe2+）2e2e(三）其他氧化酶1、过氧化氢和过氧化物酶2、加氧酶（1）加双氧酶类（2）加单氧酶类3、超氧化物歧化酶2、过氧化氢和过氧化物酶•a、过氧化氢酶—催化2个H2O2生成H2O和O2b、过氧化物酶—催化H2O2氧化其他物质3、加氧酶（2）加双氧酶—催化2个O加到底物内构成双键的2个CR+O2RO2（1）加单氧酶-氧化脂溶性物质4、超氧化物歧化酶•应用：临床延缓人体衰老、慢性多发性关节炎、放射治疗后的炎症等。化妆护肤品第三节生物氧化中CO2的生成源于有机酸的脱羧作用（α、β-脱羧）•直接脱羧基作用：有机酸不经氧化作用丙酮酸乙醛•氧化脱羧基作用：同时发生氧化/脱氢作用丙酮酸CO2+NADH+H+脱羧酶氧化脱羧酶系•第四节生物氧化中H2O的生成一、底物脱水2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸COOHCHCH2OHOP2-磷酸甘油酸COOHCCH2O～PH2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)烯醇化酶二、呼吸链生成水（1）代谢脱下的氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水；（2）酶和辅酶有序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶——递氢体传递电子的酶和辅酶——递电子体（3）与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，称电子传递链。（一）、呼吸链的组成1.烟酰胺核苷酸类（既递电又递氢）NADH：还原型辅酶NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。二甲基异咯嗪上的N1、N5载运H2.黄素蛋白类（既递电又递氢）3、辅酶Q（CoQ、Q、泛醌）（既递电又递氢）电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。脂溶性醌类化合物，可在脂双层中扩散（游离成分）不同种类CoQ侧链异戊二烯基数目不同人体中：CoQ10OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10灵活的电子载体辅酶-Q的功能还原成QH2氧化成Q电子和质子的传递体3.铁硫蛋白（递电子）铁硫蛋白(Fe-S)含非卟啉铁，是一种非血红素铁蛋白铁硫蛋白•铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用Fe－S，2Fe－2Sand4Fe－4SDifferenttypesofiron-sulfurcenters5、细胞色素类（cytochrome,Cyt）（递电子）以血红素为辅基电子传递蛋白还原型Cyt有光谱吸收，可用于分类通过Fe3+Fe2+互变起传递电子的作用Cyta：辅基是血红素ACytb：------------------BCytc：------------------C——卟啉的侧链基团不同辅基与酶蛋白连接CytB原卜啉Ⅸ(血红素)非共价结合CytC原卜啉Ⅸ(血红素)乙烯侧链与酶蛋白多肽链中Cys的–SH相连CytA血红素ACyt的铁卟啉一般以非共价键与酶蛋白结合Cytc例外，以硫醚键共价结合细胞色素c（cytc）（游离成分）单一多肽链易溶于水硫醚键•(Cytaa3复合体)•细胞色素c氧化酶（末端氧化酶）除含2个铁卟啉，还含2个铜原子(Cu+Cu2+)复合体复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ酶名称NADH-Q还原酶琥珀酸-Q还原酶Q-CytC还原酶CytC氧化酶辅基FMN，FeSFAD，FeS血红素b,c1，FeS血红素a,a3，Cu呼吸链的组成NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaCyta3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH-辅酶Q还原酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链NADH呼吸链独立体I独立体II呼吸链简图笔洗一洗，毛散散呼吸链的排列原则：电子从还原性强的化合物到氧化性强的化合物，自由能降低，放出能量。呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH五、呼吸链的抑制作用——阻断呼吸链中某部位电子传递的物质；氧化作用受阻、能量释放减少OxidizedReducedReducedOxidizedReduced鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素抗霉素A氰化物、叠氮化物、CONADH不能穿过线粒体内膜六、胞液中NADH的氧化（穿梭系统）1、磷酸甘油穿梭系统（骨骼肌、大脑）2、苹果酸穿梭系统（心肌、肝脏）酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链第四节生物氧化中ATP的生成•一、高能化合物•定义：一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。•在高能化合物中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键，用“∽”表示~高能键,水解断开，并可传递能量•稳定程度不同，各种高能化合物的△Go`有高低之分化合物磷酸基团转移势能△Go`（千卡/摩尔）△Go`（千焦/摩尔）磷酸烯醇式丙酮酸14．861．93-磷酸甘油酸磷酸11．849．3磷酸肌酸10．343．1乙酰磷酸10．142．3磷酸精氨酸7．732．3ATP（→ADP+Pi）7．330．5ADP（→AMP+Pi）7．330．5AMP（→腺苷+Pi）3．414．2葡萄糖-1-磷酸5．020．9果糖-6-磷酸3．815．9葡萄糖-6-磷酸3．313．8甘油-1-磷酸2．29．2•高能化合物→低能化合物△GO＜0（能自发进行）•————————————————————————————————A→B△GO＞0（不能自发进行）A+高能化合物→B+低能化合物△GO＜0（能自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？功能--偶联效应高能基团的传递硫酯键化合物~S-7.5甲硫键化合物CH3~S+-C-C-10.0COO高能化合物的种类磷氧型-O~P磷氮型HN=C-N~P(O)-10.3磷酸化合物非磷酸化合物烯醇式磷酸化合物△GoKcal/mol(-C=C-O~P(O))-14.8酰基磷酸化合物(-C-O~P(O))-10.1O焦磷酸化合物((O)P-O~P(O))-7.3αβOOPOOPOO--～-NNNNNH2OOHOHCH2O～OOPAMPADPATP----POOPOOOO～Oγβαa、焦磷酸化合物（1）磷氧型（-O~P）b、烯醇式磷酸化合物～PO-OO-RCOCH2～PO-OO-HOOCCOCH2PEPC、酰基磷酸化合物O～PO-OO-CHCOOH2CHOP～PO-OO-RCOO1,3-BP-甘油酸（2）磷氮型HN=C-N~P(O)OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸精氨酸（虾、蟹）两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用H磷酸肌酸（哺乳类）可贮存能量•（3）硫酯键化合物~SCH3～SCoAOCCO•（4）甲硫键化合物CH3~S+-C-CCOO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸O二、最重要的高能化合物——ATPαβγO～OOPOOPOO----ATPADPAMPOOP～NNNNNH2OOHOHCH2O酸酐键磷酯键ATP的作用•供能——供给机体生命活动所需的能量；•生物体中自由能的通用货币•作为能量载体，提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量；•磷酸基团转移反应的中间载体。（生成核苷三磷酸NTP）；•较高的转移潜能。将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸形式储存。供给机体生命活动所需的能量～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油★ATP是细胞内的“能量通货”提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量G+ATPG-6-P+ADP脂酸+CoA+ATP脂酰CoA+AMP+PPi氨基酸+ATP氨基酰~AMP+PPi★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体核苷单磷酸激酶NDP+ADPNMP+ATP核苷二磷酸激酶NTP+ADPNDP+ATP•类似的活化反应十分普遍存在。•6-P-G比G高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。三、ATP以偶联的方式推动体内非自发反应葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖+ADP激酶ATP的含量标志着细胞内的能量水平【ATP】＋1／2【ADP】【ATP】＋【ADP】＋【AMP】能荷＝能荷高，合成代谢旺盛能荷低，分解代谢旺盛底物磷酸化由底物分子内部能量重排产生的高能磷酸键直接转移给ADP(GDP)而生成ATP(GTP)的反应。也称代谢物水平磷酸化X～P＋ADP→XH＋ATP氧化磷酸化（电子传递水平磷酸化）底物水平磷酸化ATP的生成方式底物水平磷酸化+ATP3-P-甘油酸3-P-甘油酸激酶+ADP1,3-BP-甘油酸丙酮酸+ATP丙酮酸激酶PEP+ADP琥珀酰CoA+Pi+GDP琥珀酰CoA合成酶琥珀酸+CoA+GTP二、氧化磷酸化代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）。ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能特点：与电子传递过程偶联的磷酸化过程偶联氧化磷酸化生物氧化放能ATP生成（磷酸化）磷氧比（P/O）1、定义：呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和氧原子（O）消耗量的比值称为磷氧比。2、意义：P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O实测得NADH呼吸链：