搜索
第六章生物氧化与氧化磷酸化主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。第一节生物氧化概述第二节电子传递链（呼吸链）第三节氧化磷酸化目录G+O26CO2+6H2O+能量糖类的分解代谢EMPG2ATP2乙酰CoA4CO22丙酮酸2NADH2NADH2CO26NADH、2FADH22GTPTCA一、生物氧化(biologicaloxidation)1、概念有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量形成ATP的过程。生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸。第一节生物氧化概述营养物+[O]====H2O+CO2+ATP有机物中的H+O2H2O（ETS）广义生物氧化有机物中的CCO2（脱羧作用：TCA）有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量如何储存于ATP（氧化磷酸化）狭义生物氧化生物氧化与体外氧化燃烧相同点：化学本质：物质分解为CO2和H2O，产能总量相等不同点：条件、过程。2、生物氧化的特点（1）条件温和：常温常压、近中性pH、有水的活细胞。（2）酶促反应：在一系列酶、辅酶和中间传递体作用下进行。（3）逐步氧化并放能，释放的能量贮藏在ATP中。（4）CO2是代谢物经脱羧作用产生。（5）原核生物在细胞膜上进行，真核生物在线粒体进行。（1）脱氢反应琥珀酸+FAD琥珀酸脱氢酶延胡索酸+FADH2（2）加氧反应AA+O2+H2OAA氧化酶a-酮酸+NH3+H2O2（3）失电子反应：如细胞色素氧化酶Fe2+Fe3++e-3、生物体中氧化反应的类型（1）直接脱羧A、α-直接脱羧O‖CH3CH+CO2O‖CH3CCOOH丙酮酸脱羧酶COOHC=OCH2COOHαβCOOHC=O+CO2CH3丙酮酸羧化酶+ADP+Pi+ATP+H2OB、β-直接脱羧4、CO2的生成（2）氧化脱羧O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2丙酮酸脱氢酶系A、α–氧化脱羧COOHC=O+CO2+NADPH+H+CH3COOHC=O+NADP+CH2COOHβα苹果酸酶B、β–氧化脱羧5、H2O的生成脱氢酶-2H电子传递体氧化酶在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成。AH2氢传递体1/2O2H2O2e-2H+1/2O2-高能化合物：在生化反应中，在水解或基团转移反应中可释放出大量的自由能的化合物。大量的自由能≥20.92KJ.mol-1(5Kcal.mol-1)∽-高能键（high-energybond）不稳定键二、高能化合物1、高能磷酸化合物根据其键型：有磷氧型和磷氮型（1）磷氧键型（一）高能化合物的类型OOA、酰基磷酸化合物HOCH－C－O~P－OHOCH2OPOH－C－O~P1,3－DPGA12.3Kcal.mol-1C、焦磷酸化合物OOOP－O~P腺苷－O－P－O~P－O~P－OOHOHOHATP7.3Kcal.mol-1B、烯醇式磷酸化合物COOH－C=C－O～PC－O～PCH2PEP14.8Kcal.mol-1（2）氮磷键型胍基磷酸化合物O－N～PHN～P－OHC=NHOHN—C=HNN－CH3CH2COOH磷酸肌酸10.3Kcal.mol-1A、硫酯键化合物OO－C～S－CH3－C～SCoA乙酰辅酶A7.5Kcal.mol-1B、甲硫键化合物CH3～S+－CH3～S+－CH2－CH－COOH腺苷NH2S-腺苷甲硫氨酸10.0Kcal.mol-12、高能非磷酸化合物（硫碳键型）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。※（二）ATP的结构特点及其生物学功能1、ATP是生物体内的“能量货币”（1）ATP的结构特点决定其易于水解放能（2）ATP的分解与合成与能量偶联2、ATP是磷酸基团转移载体3、生成NTP磷酯键酸酐键δ-δ+δ+δ+δ-δ-ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+ΔG0,=-30.5KJ.mol-1ATP4-+H2OAMP2-+PPi3-+H+ΔG0,=-33.1KJ.mol-1生理pH下，ATP有4个负电荷（ATP4-）→分子内磷酸根的静电斥力由于P=O的极化，电子云偏向氧原子，磷原子带部分正电荷→正电荷相斥使磷酸酐键不稳定。（1）ATP（反应物）分子结构存在不稳定的因素：（2）使产物稳定的因素：Pi是稳定的共振杂化物；介质中H+的低浓度。ATP易于水解，且释放大量的能量一些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物△G0’磷酸基团转移势能（kcal/mol)（kcal/mol)PEP-14.814.81,3-DPGA-12.312.3磷酸肌酸-10.310.3ATP-7.37.3G-6-P-3.33.3G-3-P-2.22.2246810121416ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图磷酸肌酸（磷酸基团储备物）1,3-DPGAATPG-6-PG-3-P~P~P~P~P~PPEP（三）磷酸肌酸—高能磷酸贮能物质神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质—ATP含量低（3~8mmol/kg），仅供肌肉剧烈活动约1s的消耗。脑：磷酸肌酸≈1.5ATP肌肉：磷酸肌酸≈4ATPADP+磷酸肌酸肌酸+ATP△G≈0三、能荷能荷是细胞能量状态的一种度量。由Atkinson于1968年提出。能荷：是指生物体中ATP—ADP—AMP体系中高能磷酸键的可获性量度。[ATP]+0.5[ADP]能荷=[ATP]+[ADP]+[AMP]能荷能荷相对速率ATP的利用途径ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的影响1、一般情况下细胞内能荷为0.8-0.9。2、能荷高时，促进合成代谢抑制分解代谢。3、能荷低时，促进分解代谢抑制合成代谢。4、能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中酶的变构调节实现的。能荷意义：1、能量代谢（线粒体氧化体系）。提供了生命活动所需的大量能量。2、生物合成和代谢调节。包含了生物体重要的基本反应。3、其它作用（解毒、抗衰老、抗逆境等微粒体氧化体系）四、生物氧化的生物学意义第二节电子传递链（呼吸链）(ElectronTransferSystemETS)ETS：存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体组成的链锁式反应体系。根据呼吸底物上氢的初始受体的不同，线粒体内呼吸链可分为：NADH呼吸链FADH2呼吸链一、概念1、黄素蛋白类（FP）包括NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶，分别以FMN、FAD为辅基NADH+H++FMNNADH脱氢酶NAD++FMNH2琥珀酸+FAD琥珀酸脱氢酶延胡索酸+FADH2二、电子传递链的组成作用：传递电子和质子2、铁硫蛋白（Fe-S）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。作用：通过铁的价态变化而传递电子包括2[4Fe-4S]核心ETS上唯一的非蛋白组分，是脂溶性小分子醌类化合物。3、辅酶Q（又称泛醌，CoQ）作用：传递质子和电子OOCH3CH3OCH3ORH+2e+2OHOHCH3CH3OCH3ORCoQ的功能：在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白。作用：通过辅基中铁的价态变化而传递电子Cytb、Cytc1、CytcCyta、Cyta3辅基血红素辅基血红素A，还含有两个必需的铜离子4、细胞色素类（Cyt）a类中的卟啉环c类中的卟啉环卟啉环共同17个碳的碳氢链细胞色素C上述ETS组分除UQ和Cytc外，其余组分形成嵌入内膜的复合物NADH链辅酶QNADH-辅酶Q还原酶CoQH2:Cytc氧化还原E复合体Ⅲ细胞色素C细胞色素氧化酶复合体Ⅳ2e复合体Ⅰ线粒体外膜线粒体内膜间隙NADH呼吸链是绝大部分有机物氢最终氧化的途径1、复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶组成：FMN+铁硫蛋白2、复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶组成：FAD+铁硫蛋白3Ⅱ23、复合物Ⅲ：细胞色素还原E组成：Cytb+Fe-S+Cytc1组成：Cyta+Cyta3+含铜蛋白4、复合物Ⅳ：细胞色素氧化E※三、电子传递链的顺序FADFe-S琥珀酸NADH+H+→FMN→Fe-S→CoQ→Cytb→Fe-S→Cytc1CytcCytaa3O2Ⅳ细胞色素氧化酶ⅠNADH-Q还原酶Ⅲ细胞色素还原酶Ⅱ琥珀酸-Q还原酶NADH呼吸链FADH2呼吸链NADH呼吸链为什么是这样一个顺序呢？(3)利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态(1)测各组分氧化还原电位（E0’）研究方法(2)呼吸链复合物重组(4)利用呼吸链抑制剂在标准条件下，ΔG=ΔG0,；ΔG0,=-nFΔE○,（n：转移电子数F：法拉弟常数F=96.5kJ/V.mol）ΔE○′=E○′电子受体－E○,电子供体即：电子从E○,值较小的物质转移到E○,值较大的物质，反应自发进行一个反应能够自发进行，ΔG0NADH+H+→FMN→Fe-S→CoQ→Cytb→Fe-S→Cytc1CytcCytaa3O2(-0.32)(-0.30)(-0.02)(0.10)(0.00)(0.04)(0.22)(0.25)(0.29)(0.82)△G0′=-nF△E0′三羧酸循环中从柠檬酸到草酰乙酸的反应过程其P/O比等于多少？琥珀酸到延胡索酸的反应过程中其P/O比值等于多少？答：等于3答：等于2△E0′=0.10-(-0.32)=0.42V△G0′=-nF△E0′=-2×96487×10-3×0.42=-81.05kJ/mol第一个部位是NADH到辅酶Q之间第二个部位是cytb和cytc之间△E0’=0.25-0.07=0.18V△G0’=-nF△E0’=-2×96487×10-3×0.18=-34.73kJ/mol第三个部位是细胞色素aa3和氧之间△E0’=0.82-0.29=0.53V△G0’=-nF△E0’=-2×96487×10-3×0.53=-102.28kJ/molATP新的计算方法：P/O比NADH→2.5ATPFADH2→1.5ATP四、电子传递抑制剂电子传递抑制剂：指阻断呼吸链中某部位电子传递的物质电子传递链的顺序鱼藤酮、安密妥抗霉素A氰化物、CO呼吸链的抑制剂及作用部位毒鱼藤是有毒鱼作用的一类藤本植物的统称。毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮。第三节氧化磷酸化2H+NADH+H+（或FADH2）H2O2H呼吸链2e-氧化（放能）NAD+（或FAD）1/2O2能量偶联ADP+PiATP+H2O磷酸化（吸能）1、概念：利用生物氧化过程中释放的自由能使ADP形成ATP的过程。2、类型（1）底物水平磷酸化：同高能化合物的放能水解作用相偶联的ATP合成作用。（2）氧化磷酸化：电子从NADH或FADH2经ETS传递到O2生成水时，同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。一、氧化磷酸化的类型线粒体被认为是细胞的“发电厂”，糖、脂类和氨基酸都是在线粒体内被氧化分解为水和CO2，放出能量并形成ATP，供给生物体生理活动的需要。二、氧化磷酸化的细胞结构基础基质嵴内膜外膜线粒体外膜：自由透过小分子和离子。线粒体内膜：不能自由透过大部分小分子和离子，包括H＋。含有电子传递体（复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）、ATP－ADP转运载体、ATP合酶（F0－F1）。线粒体基质：含有丙酮酸脱H酶系、柠檬酸循环的酶、脂肪酸β-氧化的酶、AA氧化酶、核糖体ATP、ADP、Pi、Mg＋＋、Ca＋＋、K＋和一些可溶性代谢中间产物。F1-F0-ATPase结构示意图F0贯穿线粒体内膜，由十多种亚基组成，含有质子通道。F1是球形头部，伸到线粒体基质中，催化ATP的合成。氧化磷酸化重建示意图亚线粒体泡，具有氧化磷酸化功能。氧化磷酸化重建实验证明了呼吸链和F1-F0-ATPase的结构与作用机理的论述。1、根据氧化还原电位差判断:ΔG○,=-nFΔE○,ΔE○,0.16VΔG○,30.5KJ/molNADH(-0.32)电位FMN(-0.30)Fe-S