5-生物氧化与氧化磷酸化

第四章生物氧化生物氧化的概念高能磷酸化合物的概念及ATP的作用特点典型呼吸链电子传递体的组成、排列方式及受抑制的部位氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理重点及难点内容第一节生物氧化概述第二节呼吸链第三节氧化磷酸化第一节生物氧化概述光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。生命是能量的转换者生命活动的能量来源：生命与能量的关系：糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念（一）生物氧化：生物细胞将糖、脂肪、蛋白质等有机燃料分子物质氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。三个问题1、有机物质中的碳如何脱羧变成CO2？2、有机物质中的氢如何氧化变成H2O？3、有机物质氧化成CO2和H2O同时，能量如何储存于ATP中？ATPADP+Pi*生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。（二）生物氧化的特点*生物氧化与体外氧化之不同点体外氧化在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性）。物质的氧化方式是糖、脂类和蛋白质中的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；碳是转化羧基化合物脱羧产生CO2。能量经一系列酶促反应逐步、缓慢的释放。能量以ATP为“货币单位”进行储存和转运。生物氧化场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。1.-直接脱羧NH2︱氨基酸脱羧酶RCHCOOHRCH2NH2+CO2（三）生物氧化中CO2和H2O的生成生物氧化中CO2的生成2.-氧化脱羧丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸3.-氧化脱羧苹果酸丙酮酸苹果酸酶生物氧化中H2O的生成生物氧化过程中，底物在脱氢酶作用下脱氢，脱下的氢和电子经一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体，传递到经氧化酶激活的分子氧而生成水H2O，同时放出能量ATP。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程二、生物氧化中自由能变化1、自由能（Gibbs，G）的概念：是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为ΔG=ΔH－TΔS意义：1)用其判断一个反应是否能发生。2)生物体用以作功的能为生化反应放出的自由能。3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。ΔG与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：ΔG＜0反应可自发进行，为放能反应。ΔG＞0反应不能自发进行，为吸能反应。ΔG＝0体系处于平衡状态，反应可逆。自由能和化学反应的关系标准状况下，产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/molΔG＝ΔG0+RTln[B]/[A]ΔG0：pH=7时，标准自由能的变化。每一化学反应有其特定的ΔG0，ΔG0的大小依赖于反应的平衡常数K：当ΔG0＝0时，ΔG0＝－RTln[B]/[A]=-2.303RTlgK标准自由能ΔG0根据平衡常数计算，在生物化学中有重要意义。标准自由能计算：只要ΔG0总和＜0，则该途径可自发进行。自由能变化的可加性：生化反应自由能变化自由能（G）：恒温、恒压条件下能够做功的那一部分能量。自由能变化（△G）：AB△G=GB-GA标准自由能变化（△GO）：pH=0；T=25℃；[A]=[B]=1mol/L；1个大气压生化标准自由能变化（△GO’）:pH=7；T=25℃；[A]=[B]=1mol/L；1个大气压生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位标准氧化还原电位以E0表示。E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0值越大，接受电子的倾向越强。2.氧化还原电位与自由能的关系氧化剂的E0值减去还原剂的E0值，叫做生化标准氧化还原电位差，用ΔE0值表示。ΔG＝－nFΔE0n=转移电子差；F:法拉第常数（99.496kJ/V.mol)生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0值较小的物质移向E0值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。ReferenceH+/H2(pH0)E'o=0.00VTestsamplepH7E'o=+0.5V高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。（一）生物体中的高能化合物1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。三、高能磷酸化合物根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。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2、高能化合物的类型：1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔H3N+COOPOO-O-酰基磷酸化合物（2）烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔（3）焦磷酸化合物O-POO-OPOO-O-ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-磷氮键型（-N〜P）OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2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。（1）硫酯键型（-C〜S）OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶ACOO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸（2）甲硫键型硫碳键型(二)ATP的形成与作用腺苷三磷酸机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用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。1、ATP合成与分解偶联生化的放能和耗能反应2、ATP作为磷酸基团转移反应的中间载体3、有些合成反应不直接利用ATP供能，而由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。ATP的作用特点4、一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。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定义生物氧化过程中，底物脱下的氢和电子经一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体，传递给被激活的分子氧而生成水，同时放出能量，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链又称电子传递链。一、呼吸链的定义第二节呼吸链RevealedbyEugeneKennedyandAlbertLehningerinthe1940s组成：递氢体和电子传递体（2H2H++2e），存在于线粒体内膜上线粒体的结构基质嵴线粒体中能量的产生TCAcycleATPsynthesisGlycolysis-oxidationTherespiratorychainⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+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-二、呼吸链的组成呼吸链中包括5类电子载体①烟酰胺核苷酸类：氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD+为辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到NADH脱氢酶上。NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+H②黄素脱氢酶类黄素脱氢酶以FMN（FAD）为辅基接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸，FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。③铁硫蛋白类Ⓢ表示无机硫revealedbyHelmutBeinert铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。④细胞色素类（cytochromes)cytb-cytc-cytc1-cyta-cyta3是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质广泛分布于细胞中，由于呈现颜色，故称细胞色素。其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。a、cytbc1复合体：含ctyb、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3。除含铁还含铜（Cu2+→Cu+）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。细胞色素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。⑤辅酶Q类又称泛醌（CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。泛醌将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。异戊二烯呼吸链包括四种具有传递电子功能的酶复合体和两种单独成分。用毛地黄皂苷、胆酸盐等去垢剂处理线粒体*Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣQ还原酶-细胞色素C辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH--琥珀酸Q还原酶QH2-细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体Ⅰ（NADH脱氢酶）NADH+H+NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH2复合体Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）琥珀酸→→CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3复合体Ⅲ（细胞色素b、c1复合体）复合体ⅢQH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1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→CuB其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。aa3CuA-CuACuBO2actsasthefinalelectronacceptorhere.复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶）三、呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位从小逐渐增加。2）通过吸收光谱变化，判断各种组分在呼吸链中的位置。3）利用电子传递抑制剂选择性阻断。4）分离纯化和重组、动力学分析。氧化还原对Eº'(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FAD