能量代谢与生物能的利用

第八章能量代谢与生物能的利用化学与生物工程学院主讲：冉秀芝Tel：13883276358E-mail：[e-mail]本章教学内容概述线粒体氧化体系能量代谢中生物能的产生、转移和储存生物能的利用高能化合物的制备本章教学目的要求1.掌握：（1）氧化磷酸化及底物水平磷酸化的概念；（2）氧化磷酸化偶联部位及影响因素；（3）呼吸链的概念、组成及主要呼吸链的排列顺序。2.熟悉：（1）ATP与能量转换和利用。（2）胞液中NADH的氧化过程。（3）α-磷酸甘油及苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。3.了解：（1）体内外生物氧化异同点。（2）氧化磷酸化的偶联机制。（3）线粒体内膜物质转运及其他氧化体系的特点、作用。第一节概述一、生物氧化的方式和特点生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。1脱氢——生物氧化的主要方式（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。烷基脂肪酸脱氢脱氢烯琥珀酸脱氢+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH醛酮脱氢乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+NADHCH3CCOOHO（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+2e-+RCOHO酶RCOHHOHH2ORCOH2氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，甲烷单加氧酶CH4+NADH+O2CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。3生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧二、生物氧化的特点1.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，pH7和常温）。2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3.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。4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6.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。第二节线粒体氧化体系细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。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）NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。NADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－SSSFeFeSSS－－－－－半胱－－－－－－半胱－－－－－NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADH+Q+H+==========NAD++QH2NADHQ还原酶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。Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cytc还原酶QH2+2cytc(Fe3+)==========Q+2cytc(Fe2+)+2H+QH2-cytc还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。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,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。细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。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，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。细胞色素c氧化酶简写为cyt.c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cyt.a和a3。cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.aa3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cyt.c所携带的电子传递给O2。琥珀酸-Q还原酶琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt.c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。第三节能量代谢中生物能的产生、转移和储存在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O两个半反应之间存在很大的电势差。(a)½O2+2H++2e-H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-NADHE0’=-0.322V将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)½O2+NADH+2H+H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol一、氧化还原与自由能的变化二、电子传递和ATP的合成NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。（1）ATP酶复合体线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1和1的比例结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。线粒体呼吸链的电子传递过程是在内膜上进行的。（2）ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’-30.5kJ/mol。FMNH2Qcyt.bcyt.c1cyt.aa3O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从琥珀酸O2只产生2个ATP.三胞液中NADPH和NADH的氧化磷酸化NADPH+H+NADP+异柠檬酸线粒体内膜异柠檬酸穿梭作用异柠檬酸NAD+α-酮戊二酸NADH+H+呼吸链(3ATP)α-酮戊二酸NADH+H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-α-磷酸线粒体内膜甘油-α-磷酸穿梭作用甘油-α-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2(2ATP)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链(3ATP)苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统3.氧化磷酸化作用机理化学渗透学说氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。化学偶联学说(高能中间产物学说)形成高能中间产物，促使ATP生成。结构(构象）偶联学说Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+Pi→Aox+ATP1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。化学渗透学说当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。四、非线粒体氧化体系与ATP合成无关，但具有重要生理功能。1微粒体氧化体系催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。一个O加到底物分子上，另一个O则与NADPH上的二个H作用形成H2O，不生成ATP。——————加单氧酶。生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。RH+O2+NADPH+H+ROH+NADP+H2O2过氧化物酶体系氧是维持生命必需的物质,但也有毒性,机体长时间在纯氧中呼吸可致呼吸紊乱,乃至死亡.这与生物氧化过程中大量产生过氧化氢等有关.H2O2的