生物化学--生物氧化

第六章生物氧化BiologicalOxidation生物氧化的概念、方式、特点ATP第一节生成ATP的氧化磷酸化体系第二节不生成ATP的氧化体系氧化呼吸链氧化磷酸化氧化磷酸化的影响因素线粒体内膜的物质转运生物氧化概述生物氧化概述IntroductiontoBiologicaloxidationCatalase过氧化氢酶Cytochrome细胞色素Electrontransferchain电子传递链Flavoprotein黄素蛋白Glycerophosphateshuttle磷酸甘油穿梭Iron-sulfurprotein铁硫蛋白Malate-aspartateshuttle苹果酸－天冬氨酸穿梭Monooxygenase加单氧酶Oxidativephosphorylation氧化磷酸化Perioxidase过氧化物酶Superoxidedismutase超氧化物歧化酶Ubiquinone泛醌ChapterBiologicOxidation第章生物氧化营养物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，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。此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸(cellularrespiration)。一、生物氧化（biologicaloxidation）的概念糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程脱氢COOHCOOHHOCHC=O+2HCH3CH3(2H++2e)加氧RCHO+1/2O2RCOOH生物氧化中物质氧化方式脱电子Fe2+Fe3++e生物氧化中的CO2的生成绝大部分有机物生物氧化中的CO2生成是经？中的脱羧作用产生的。答案：三羧酸循环其他一些CO2产生途径如：糖异生草酰乙酸+GTP→PEP+GDP+CO2氨基酸脱羧RCNH2COOHHRCNH2HH+CO2脱羧酶α-单纯脱羧：α-氧化脱羧：生物氧化中CO2生成方式氨基酸脱羧酶R－CH－COOHNH2a-氨基酸R－CH2NH2+CO2胺CH3－C－COOHOCH3CO～SCoA+CO2丙酮酸脱氢酶系HSCoANAD+NADH+H+β-单纯脱羧：β-氧化脱羧：生物氧化中CO2生成方式+CO2CH2－COOHCOCOOHCH2CO～COOHP磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶GTPGDP+CO2异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H+CHOH－COOHCH－COOHCH2－COOHCO－COOHCH2CH2－COOH氧化酶2e2H+H2OO2-1/2O2电子传递体递氢体脱氢辅酶-2HMH2真核生物线粒体内膜上的电子传递链作用下产生生物氧化中H2O的生成生物氧化体外氧化(燃烧)反应性质相同（氧化还原反应）产物相同（CO2、H2O）耗氧量相同环境细胞内体外条件体温，需酶高温，不需酶能量释放方式逐步释放骤然释放产物生成方式水由代谢物脱下的氢与氧结合产生，CO2由有机酸脱羧产生水和CO2由物质中的碳和氢直接与氧结合产生CO2、H2O、能量的产生位置——线粒体真核细胞基质中脱氢、产生CO2产H2O产能线粒体主要功能：氧化营养物，生成ATP。•结构：外膜：通透性较高内膜：对物质的通过有严格选择性内膜高度折叠形成嵴膜间腔基质基质嵴内膜外膜膜间腔F1-F0复合体线粒体结构模式图αβγO～OOPOOPOO----ATPADPAMPOOP～NNNNNH2OOHOHCH2O二、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物化合物△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核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用ADP+ADPATP+AMP磷酸肌酸磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。Q：下列哪些化合物属于高能磷酸键化合物？A：1,6-二磷酸果糖B：三磷酸肌醇C：磷酸烯醇式丙酮酸D：磷酸肌酸E：UTP(CDE)ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。第一节生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing概念在线粒体内膜上具有氧化还原功能的酶和辅酶按一定顺序排列组成，能传递氢和电子的链式反应体系称为电子传递链（electrontransferchain）。由于电子传递过程与细胞呼吸有关，又称呼吸链（respiratorychain）。组成递氢体和电子传递体（2H2H++2e）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-氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）泛醌不包含在上述四种复合体中。（一）呼吸链的组成细胞色素c131血红素cCytc1，Cyta呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1.复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌组成：黄素蛋白、铁硫蛋白电子传递：NAD→FMN→Fe-S→CoQNADH+H+FMNNAD+FMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+辅酶I，CoI辅酶II，CoIINAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。结构：含核黄素（维生素B2）；功能部位：异咯嗪环上N1和N5功能：FMN+2HFMNH2FMNH•FMN结构：铁硫中心(Fe-S)，含有等量铁原子和硫原子作用：参与复合体I、II、III的组成传递单电子：Fe2+Fe3++eⓈ表示无机硫铁硫蛋白铁硫中心SS无机硫半胱氨酸硫化学本质：脂溶性醌类化合物，辅酶Q,CoQ,Q结构：由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链作用：传递双电子，CoQ+2HCoQH2泛醌电子传递次序：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ具有质子泵功能：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的功能功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌组成：黄素蛋白、铁硫蛋白电子传递:琥珀酸→FAD→Fe-S→CoQ琥珀酸FAD延胡索酸FADH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH22.复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ没有H+泵的功能NNNNNH2OOHOHHHHCH2HOPOO-OPOO-OCH2CHOHCCHOHCH2HOHNHNNNH3CH3COOFMNAMPFAD3.复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶又称细胞色素b-c1复合体：细胞色素b(b562,b566)细胞色素c1一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。562566泛醌-细胞色素C还原酶同二聚体结构bH：b562C1bL：b566Fe-S是一类催化电子传递的酶类，辅基：血红素分类：根据吸收光谱CytaCytbCytc作用：传递单电子Fe3++eFe2+细胞色素（Cytochrome，Cyt）各种细胞色素的差别在于卟啉环的取代基团及铁卟啉与蛋白部分连接的方式血红素b血红素a血红素c血红素b血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子,属单电子传递体。复合体Ⅲ的功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c电子传递过程：CoQH2→(CytbL→CytbH)→Fe-S→Cytc1→Cytc具有质子泵作用：每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+电子传递过程：“Q循环”具有质子泵作用：每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+Cytc：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。复合体Ⅲ传递电子的过程:Q循环(Qcycle)（1）第一分子QH2氧化过程（2）第二分子QH2氧化过程QH2QH2Fe2S22H+Q·¯QQe¯c1e¯e¯e¯bLbHQ0Qie¯QH2QH2Fe2S22H+Q·¯QQe¯c1e¯e¯e¯bLbHQ0Qie¯QH22H+Q·¯Q·¯Q·¯：半醌阴离子复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)组成：CuA、Cyta、Cyta3、CuB4个氧化还原中心电子传递：Cytc→CuA→Cyta→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。（Fe3+和Cu2+）4.复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶复合体Ⅳ的电子传递过程2H+2H2O细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程复合体Ⅳ的功能功能：将电子从细胞色素c传递给氧复合体Ⅳ还原型Cytc→→O2CuA→a→a3-CuBCyta3和CuB形成活性双核中心将电子交给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）泛醌:不包含在上述四种复合体中。细胞色素c131血红素cCytc1，CytaⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+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-Q:同时传递电子和质子（H+）的辅酶有：A:辅酶QB:铁硫蛋白C：FMND:细胞色素aa3AC由以下实验确定:①标准氧化还原电位②特异抑制剂阻断③还原状态呼吸链缓慢给氧④拆开和重组（二）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/H2O0.816*电子传递方向：(还原电位)低高1.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IIIIIVQCIIQIIICIVNADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NA