生物化学-第六章生物氧化

第六章生物氧化生物氧化概念及特点线粒体氧化体系生物氧化中能量转移与利用学习目的与要求：1.生物氧化概念及特点2.线粒体氧化体系氧化方式3.生物氧化中能量转移与利用重点：1.生物氧化的特点2.呼吸链的概念,组成成分及排列順序3.ATP的生成方式4.氧化磷酸化的机制5.影响氧化磷酸化的因素难点:1.呼吸链的组成成分2.氧化磷酸化的机制呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸（微生物）第一节、生物氧化概念及特点一.生物氧化概念有机物在生物体内彻底氧化生成CO2和H2O，并放出能量的作用。也称细胞呼吸/组织呼吸。包括物质分解和产能二、生物氧化的特点1.条件温和生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。2.水的生成水的生成不是H直接与O作用生成,水是生物氧化反应的产物,又是生物氧化反应的环境,氧化过程中脱下来的氢，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用,直接参予了氧化反应。3.CO2的生成CO2的生成不是C直接与O作用生成,而是通过脱羧作用生成。4.能量的生成能量的生成不是暴发式的,而是逐步释放,提高能量利用率。生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。三.CO2的生成(一).直接脱羧a-脱羧ℬ-脱羧COOHC=OCH3+CO2CHOCH3COOHC=OCH3COOHC=OCH2COOH+CO2(二).氧化脱羧a-脱羧ℬ-脱羧COOHCH-OHCH2COOHCOOHC=OCH3+CO2NAD+NADH+H+COOHC=OCH3COSCoACH3+CO2NAD+NADH+H+HSCOA四、生物氧化中物质的本质(方式)1.失电子2.脱氢CH3-CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇乙醛3.加氧4.加水O2酪氨酸CHCOOHHOOC-CHCOOHCH-OHCH2COOHH2OCH2CHCOOHNH2H-CH2CHCOOHNH2HO-苯丙氨酸延胡索酸苹果酸五.生物氧化的酶类1.脱氢酶（1）黄素核苷酸为辅基的脱氢酶需氧黄酶（如:氨基酸氧化酶）FMN/FADFMN2H/FAD2HR-CH-COOHNH2R-C-COOHNHR-CH-COOHOHNH3H2OO2H2O23.加氧酶：如羟化酶不需氧黄酶FADFAD2HCH2-COOHCH2-COOHCHCOOHHOOC-CH延胡索酸琥珀酸（2）NAD/NADP为辅酶的脱氢酶2.氧化酶:如细胞色素氧化酶,VitC氧化酶S-2HSNAD/NADP中间体-2H½O2NADH/NADPH中间体H2O第二节线粒体氧化体系一.呼吸链的概念呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。线粒体呼吸链二.呼吸链分组成成分1.烟酰胺脱氢酶类2.黄素脱氢酶类S-2HNAD/NADPSNADH/NADPHNADHFMNNADFMN2HS-2HFADSFAD2HFe3+Fe2+－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－SSSFeFeSSS－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－3.铁硫蛋白类4.细胞色素类细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,a3,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素a,b,c和c1是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。a3是通过Cu2+Cu+的互变起传递电子的作用的。a:a/a3bc:c/c1细胞色素c（cytc）它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cytc通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。细胞色素c氧化酶简写为cytc氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyta和a3。cyta和a3组成一个复合体，cyta含有铁卟啉，cyta3含有铜原子。cyta3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，将cytc所携带的电子传递给O2Fe2+5.辅酶Q---泛醌泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10NADH泛醌还原酶CoQ2H-CytC还原酶复合体NADHCoQ还原酶复合体SH2SNAD+NADH+HFMNH2FeSFMNFeSCoQCoQH2－Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212－O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-－1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌－细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）CuCu2+三.呼吸链的排列順序第三节生物氧化中能量转移与利用一.生化反应中的自由能及自由能变化1、自由能的概念G＝H－TSΔG＝ΔH－TΔS在某一系统的总能量中，能够在恒定的温度、压力以及一定体积下用来做功的那部分能量，称为自由能。2、自由能的变化与反应平衡常数的关系ΔG＝ΔG0＋RTln（产物/反应物）ΔG0/＝－RTlnK二.高能化合物（一）.高能化合物的概念某一化合物水解时放出的能量大于或等于ATP水解成ADP时放出的能量,该化合物称为高能化合物。ATP+H2OADP+PiΔG0/＝-7.3KCal/moL（二）.高能化学键的概念某一化学键断裂时放出的能量大于或等于ATP水解成ADP时放出的能量,该化学键称为高能化学键。乙酰磷酸11.8千卡/摩尔10.1千卡/摩尔(三).高能化学键的种类1.磷氧键型a).酰基磷酸化合物OOCH3-C-O~P-OHOHCOCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-1.3-二磷酸甘油酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸H3N+COOPOO-O-RCOOPOOO-ARCHCOOPOOO-AN+H3O-POO-OPOO-O-焦磷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）7.3千卡/摩尔b)焦磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔c)烯醇式磷酸化合物磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2H2.氮磷键型OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A3.硫酯键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸4.甲硫键型三.ATP的生成方式1.氧化磷酸化（oxidatirephosphorylation）在生物氧化过程中，氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，氧化放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的作用,称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。（1）氧化磷酸化的概念ATP的生成方式氧化磷酸化非氧化磷酸化光合磷酸化（2）氧化磷酸化的方式•底物水平磷酸化在被氧化的底物上发生的磷酸化作用使ADP生成ATP的过程•电子传递体系磷酸化当电子从NADH或FADH2经过一系列的电子传递体系（即呼吸链）传递给氧形成水时，伴随有ADP磷酸化为ATP的作用，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。2.非氧化磷酸化3.光合磷酸化四、电子传递磷酸化的偶联作用1、P/O比值每消耗1mol原子氧所消耗的无机磷酸的mol数（即生成ATP的mol数）。作用物呼吸链的组成P/O比值ATP数β-羟丁酸NADH1/2O22.82.5琥珀酸FAD1/2O21.71.5抗坏血酸cytC1/2O20.881cytCcytaa31/2O20.61－0.680.52.呼吸链中生成ATP的部位NADH呼吸链FADH呼吸链2.5ADP+Pi2.5ATP0.5FADH2CoQbc1caa3O21ATP0.5ATP1.5ADP+Pi1.5ATP五、氧化磷酸化的偶联机制化学耦联学说、结构耦联学说与化学渗透学说化学渗透学说六.线粒体外产生的NADH进入线粒体的方式1.异柠檬酸穿梭作用NADP+NADPH+H+异柠檬酸a-酮戊二酸a-酮戊二酸异柠檬酸NAD+NADH+H+异柠檬酸脱氢酶胞液线粒体线粒体膜2.磷酸甘油穿梭作用NAD+NADH+H+FADFAD2H磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮胞液线粒体膜线粒体磷酸甘油脱氢酶NAD+NADH+H+NAD+NADH+H+a-酮戊二酸天冬氨酸a-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸胞液线粒体膜线粒体3.苹果酸穿梭作用七、影响氧化磷酸化的因素能抑制呼吸链电子传递的物质称为呼吸链的抑制剂。如CO、CN－等。1、ADP、Pi/ATP对氧化磷酸化的影响2、解偶联剂使氧化作用与磷酸化作用脱去偶联的作用物质称为解偶联剂。如2.4-二硝基酚、双香豆素等。3、抑制剂CO,CN-,N3-阿的平