第七章生物氧化.

第七章生物氧化BiologicalOxidation一、生物氧化的概念物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。二、生物氧化的特点1.在体温、近于中性的含水环境中由酶催化。2.能量逐步释放，部分存于ATP。3.分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。生物氧化与体外燃烧的比较反应条件温和剧烈反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放CO2生成方式有机酸脱羧碳和氧结合H2O需要不需要生物氧化体外燃烧三、生物氧化所讨论的问题1、CO2是如何生成的？2、H2O是如何生成的？3、ATP是如何产生的？(1)为什么NADH+H+----2.5分子ATP，而FADH2---1.5分子ATP？----氧化还原电位；质子回流理论；（2）NADH和FADH2呼吸链是如何产生ATP？----旋转催化理论；直接脱羧：CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶氧化脱羧：HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NAD+NADH+H+O（一)、CO2的生成苹果酸丙酮酸（二）、H2O的生成MH2MNAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ递氢体递氢体H2还原型Fe2+Cyt递电子体b,c1,c,aa3氧化型Fe3+½O2O2-H2O2H+2e脱氢酶传递体氧化酶（三）、ATP的生成英国生物化学家PeterMitchell获得1978年的诺贝尔化学奖1、高能化合物：在标准条件下(pH7，25℃，1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物。习惯上把“大量”定义为5kcal/mol(即20.92kJ/mol)以上。2、高能磷酸化合物：分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自由能，这类高能磷酸化合物。3、高能键：高能键常用符号“~”表示ATP的结构ATP为生物界的“能量货币”，它是生命活动中最重要的能量供体。高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物本章主要内容▪第一节、电子传递链▪第二节、氧化磷酸化▪第三节、其它末端氧化酶系统（自学）Electrontransferchain第一节、电子传递链一、电子传递链（呼吸链）*定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。*组成递氢体和电子传递体（2H2H++2e）Anelectronmicrographofmitochondrion呼吸链（电子传递链）的类型根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：▪NADH呼吸链▪FADH2呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物2eH2OFADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸2eNADH呼吸链FADH2呼吸链组分作用1、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸递氢体（NAD+和NADP+）2、黄素蛋白递氢体（辅基为FAD和FMN）3、铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体4、辅酶Q（CoQ）递氢体5、细胞色素类单电子传递体呼吸链的组成ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置*四个蛋白复合体：复合体Ⅰ～Ⅳ*两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C▪复合体Ⅰ：NADH脱氢酶（NADH一泛醌还原酶）▪复合体Ⅱ：琥珀酸脱氢酶（琥珀酸一泛醌还原酶）▪复合体Ⅲ：细胞色素b、c1复合体（细胞色素还原酶）▪复合体Ⅳ：细胞色素氧化酶复合体Ⅰ～Ⅳ复合体Ⅰ的功能NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2OOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+2H　泛醌（氧化型）二氢泛醌（还原型）泛醌(ubiquinone,UQ)辅酶Q（CoenzymeQ，CoQ），属于脂溶性醌类化合物CoQ+2HCoQH2复合体Ⅱ的功能琥珀酸延胡索酸FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1复合体Ⅲ的功能还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB复合体Ⅳ的功能氧化还原对Eº'(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06CytbFe3+/Fe2+0.04（或0.10）Q10/Q10H20.07Cytc1Fe3+/Fe2+0.22CytcFe3+/Fe2+0.25CytaFe3+/Fe2+0.29Cyta3Fe3+/Fe2+0.551/2O2/H2O0.82呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位呼吸链中电子传递有着严格的方向和顺序FADH2呼吸链呼吸链中传递体的顺序NADH呼吸链▪自由能变化(△G0′)：在体外标准条件下（PH7，温度25℃时），大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。△G0′＝－nF△E0′生成1摩尔ATP需多少能量？已知n=2；F=96.48KJ/V·mol△E0′=？0.158V能生成ATP的部位？NADHFMN（Fe-S）CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FAD（Fe-S）琥珀酸能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP能量ADP+PiATP-0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.53V69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol复合体Ⅰ复合体Ⅲ复合体Ⅳ大约40-50kJ即可生成1摩尔ATP。△G0′＝－nF△E0′生成1摩尔ATP需多少能量？已知n=2;F=96.48KJ/V·mol△E0′=？0.21-0.26V在生理条件下？电子传递抑制剂鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇CO、CN-、N3-及H2S××NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3抗霉素A的抑制部位呼吸链的比拟图解Oxidativephosphorylation第二节、氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念:是指细胞内伴随有机物氧化，利用生物氧化过程中释放的自由能，促使ADP与无机磷酸结合生成ATP的过程。二、氧化磷酸化的类型:（1）底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation):X~P+ADP→ATP+X（1）、1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP（2）、磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP（3）、琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶琥珀酰CoA硫激酶（2）氧化磷酸化：(oxidativephosphorylation)NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP2.5ADP2.5ATPNADH的P/O=2.5FADH2的P/O=1.5氧化磷酸化的P/O比P/O(磷氧比)：在生物氧化过程中，每消耗1个氧原子所产生的ATP的分子数或一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP分子数。三、氧化磷酸化的机理比较著名的假说有三个：▪化学偶联假说▪构象偶联假说▪化学渗透学说目前得到公认的是“化学渗透学说”。英国生物化学家PeterMitchell（1961年）化学渗透学说Chemiosmotichypothesis（1）电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布，递氢体和递电子体交替排列，催化是定向的；化学渗透学说Chemiosmotichypothesis（2）复合物I、III、IV将H+从基质内泵向内膜的外侧，而将电子传向其后的电子传递体；化学渗透学说Chemiosmotichypothesis（3）内膜对质子不具有通透性，这样在内膜两侧形成质子浓度梯度，这就是推动ATP合成的原动力；化学渗透学说Chemiosmotichypothesis（4）当存在足够高的跨膜质子化学梯度时，强大的质子流通过F1-F0-ATPase进入基质时，释放的自由能推动ATP合成。ATP合酶化学渗透学说ChemiosmotichypothesisATP合酶作用机理化学计算估计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中。根据当前最新测定，H＋经复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ从线粒体内膜基质泵出到内膜外侧时，一对电子泵出的质子数依次为4、2、4，而每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4H＋个回流进入线粒体基质中。▪NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP▪FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP结论：四、影响氧化磷酸化的因素1、呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。2、解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：2,4－二硝基苯酚，解偶联蛋白。3、氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素呼吸链抑制剂阿米妥、异戊巴比妥鱼藤酮、粉蝶霉素ACO、H2SCN-、N3-抗霉素A、二巯基丙醇（BAL）2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜外内ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP*使电子传递所产生的自由能以热能的形式被消耗。解偶联蛋白作用机制寡霉素作用机制寡霉素*阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成五、通过线粒体内膜的物质转运胞浆中NADH的转运？转运机制主要有：▪-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphateshuttle)主要存在于脑和骨骼肌▪苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)主要存在于肝和心肌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-CH2OHCHOH磷酸甘油穿梭系统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）呼吸链苹果酸穿梭系统六、能荷(energycharge)能荷=[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]细胞的能量状态可用能荷(energycharge)表示。▪能荷的数值在0~1之间；▪大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内；▪ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相对应。所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。本章内容结束，谢谢！