生物氧化与氧化磷酸化 06

第六章生物氧化与氧化磷酸化一切生命活动都需要能量。所有生物都可以看成是能量的转换者。这种能量的流动驱动着生命的维持与繁衍。第一节生物氧化概述1.概述:位点,线粒体Anelectronmicrographofmitochondrion基质2.生物氧化的特点与非生物氧化相比(1)共同点：化学本质相同，都是失电子反应，如脱氢、加氧、传出电子同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同。与非生物氧化相比（2）不同点：生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、pH）温和；而体外燃烧则是剧烈的游离基反应，要求在高温、高压以及干燥的条件下进行。生物氧化分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步释放；而体外燃烧能量是爆发式释放出来的。生物氧化释放的能量有相当多的转换成ATP中活跃的化学能，用于各种生命活动；体外燃烧产生的能量则转换为光和热，散失在环境中。2.生物氧化的特点生物氧化与体外燃烧的比较反应条件温和剧烈反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放CO2生成方式有机酸脱羧碳和氧结合H2O需要不需要生物氧化体外燃烧2.生物氧化的特点1、CO2的生成直接脱羧：丙酮酸脱羧酶、酪氨酸脱羧酶氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合物2、水的生成主要是在包括脱氢酶、传递体和氧化酶组成的生物氧化体系催化下生成的。3.生成CO2和H2O直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）HOOCCH2CCOOHαβ丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（β-脱羧）氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O4.高能化合物高能化合物：在标准条件下(pH7，25℃，1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物。习惯上把“大量”定义为5kcal/mol(即20.92kJ/mol)以上。高能磷酸化合物：分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自由能，这类高能化合物。高能键：在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能的活泼共价键。高能键常用符号“~”表示。定义注意：高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。“高能键”≠“键能高”4.高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：(1)焦磷酸化合物：如ATP(O~P)型4.高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：(2)酰基磷酸化合物：如1,3-二磷酸甘油酸(O~P)型4.高能化合物根据分子结构和高能键特征，高能化合物可分为(3)烯醇磷酸化合物：如磷酸烯醇式丙酮酸(O~P)型4.高能化合物(4)胍基磷酸化合物：如磷酸肌酸(N~P)型4.高能化合物(5)硫酯化合物：如乙酰CoA(C~S)型4.高能化合物(6)甲硫键化合物：如S-腺苷甲硫氨酸(C~S)型4.高能化合物ATP为生物界的“能量货币”，它是生命活动中最重要的能量供体。ATP的DG0'值介于其它高能化合物和普通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通过ADP和ATP的相互转变而偶联起来。ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。4.高能化合物在生物细胞内，形成ATP的方式有两种：生物氧化(异养细胞)和光合作用(自养细胞)。1)生物氧化产生ATP生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需要的能量。因此，利用生物氧化形成ATP，是生物体内ATP形成的主要方式。生物氧化的第一阶段也能产生少量的ATP，这是以底物水平磷酸化的方式产生的；生物氧化的第二阶段是产生ATP的主要阶段，通过氧化磷酸化的方式产生。4.高能化合物1)生物氧化产生ATP底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给ADP，使之磷酸化生成ATP。氧化磷酸化：NADH或FADH2将电子传递给O2的过程与ADP的磷酸化相偶联，电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，是需氧生物合成ATP的主要途径4.高能化合物2)光合作用产生ATP在光合作用的过程中也能形成ATP，这种ADP的磷酸化方式叫光合磷酸化。光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与ADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于ATP的生成。4.高能化合物细胞的能量状态可用能荷(energycharge)表示。能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的大小可用下式表示：(ATP+0.5ADP)能荷=(ATP+ADP+AMP)4.高能化合物能荷的数值在0~1之间。大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8-0.95的范围内。ATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。高能荷时，ATP生成过程被抑制，而ATP的利用过程被激发；低能荷时，其效应相反。所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。4.高能化合物脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位4.生物氧化的三个阶段第二节电子传递链在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列的传递体的传递，最终交给分子氧生成水，这一电子传递体系称为呼吸链。在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种——NAD+、NADP+和FAD。1.电子传递链概述其中NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链。所以呼吸链有两条：由NADH开始的呼吸链——NADH呼吸链；由FADH2开始的呼吸链——FADH2呼吸链。1.电子传递链概述2.电子传递链成员组分作用•尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸递氢体（NAD+和NADP+）•黄素蛋白递氢体（辅基为FAD和FMN）•铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体•辅酶Q（CoQ）递氢体•细胞色素类单电子传递体NAD+是水溶性的，与酶蛋白可逆结合而往返于线粒体基质与内膜之间（但不能透过内膜）。在线粒体的基质中，NAD+接受代谢物上脱下的氢，生成NADH；然后与酶蛋白脱离，扩散至线粒体内膜的内表面，将氢(电子)传递给下一个电子传递体，自身又再生成NAD+，返回线粒体基质继续参与代谢物的脱氢反应。呼吸链中的电子传递体共有五种：1).NAD+2.电子传递链成员NAD++2H+2eNADH+H+NADP++2H+2eNADPH+H+此类酶催化脱氢时，与代谢物脱下的氢结合而还原成NADH或NADPH，在340nm处有一吸收峰；当有氢受体时，NADH或NADPH上的氢又可被氧化成NAD+或NADP+，在260nm处有一吸收峰。根据这个特点可以判定该辅酶处于氧化态还是还原态，并用于此类脱氢酶活力的测定。1).NAD+2.电子传递链成员黄素蛋白是指以黄素核苷酸(FAD或FMN)为辅基的酶。所以，黄素蛋白有两种，分别以FAD及FMN作为辅基。2).黄素蛋白(FP)呼吸链中的电子传递体共有五种：2.电子传递链成员NADH+H++FMNNAD++FADFMNH2琥珀酸+延胡索酸+FADH2此类酶所表现出的催化活性与某些金属离子的存在有密切关系，如NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶等含有几个非血红素铁原子，这些铁原子能与硫原子结合形成铁硫蛋白或铁硫中心，依赖铁的价态改变(Fe2+Fe3+)来传递电子。2).黄素蛋白(FP)铁硫蛋白类（iron-sulfurprotein）又称非血红素铁蛋白(nonhemeironprotein)，含非卟啉和硫，其作用是借铁的变价互变进行电子传递。3).铁硫蛋白铁硫蛋白含铁原子(非血红素的铁)和硫原子(对酸不稳定的硫)，两者一般以等摩尔存在，构成2Fe-2S簇、4Fe-4S簇，称为铁硫中心，常用符号“Fe-S”表示。铁硫中心通过Fe与蛋白质的半胱氨酸残基连接。铁硫中心只有1个Fe起氧化还原反应，在氧化型（Fe3+）和还原型（Fe2+）之间转变。3).铁硫蛋白3).铁硫蛋白Fe3++e-→Fe2+2.电子传递链成员辅酶Q属于醌类，由于它广泛存在于生物系统中，所以又叫泛醌(UQ)。辅酶Q是呼吸链中唯一的非蛋白质组分。它分子小，且呈脂溶性，可以在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散，往返于比较固定的蛋白质类的电子传递体之间进行电子传递。4).辅酶Q(CoQ)4).辅酶Q(CoQ)由于辅酶Q含有很长的脂肪族侧链，所以容易结合到膜上或与膜脂混溶细胞色素是以铁卟啉(血红素)为辅基的蛋白质，因为有红颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。细胞色素通过辅基中的铁离子价的可逆变化进行电子传递。它在呼吸链中作为单电子传递体。5).细胞色素(Cyt)5).细胞色素(Cyt)根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同，将细胞色素分为a、b、c三类。每一类中又有不同的亚类。不同类型的细胞色素，其辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式不同。5).细胞色素(Cyt)不同细胞色素的最大吸收峰位置细胞色素波长(nm)a598～605439b556～564532429c550～555521415根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同，将细胞色素分为a、b、c三类。每一类中又有不同的亚类。不同类型的细胞色素，其辅基结构以及辅基与蛋白质的结合方式不同。在动物的呼吸链中，至少有5种细胞色素——b、c1、c、a、a3，其中Cyta和Cyta3组成复合物Cytaa3。Cytc在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子，它是内膜外侧的外周蛋白。5).细胞色素(Cyt)5).细胞色素(Cyt)牛新心线粒体Cytbc1呼吸链的各个组分除NADH外，都分布在线粒体的内膜上，而且在膜上有着特定的不对称分布。有一些组分常结合在一起，形成复合物嵌在膜内。在呼吸链中，有四个复合体，如下图：O2NADHFMN→Fe-SFAD→Fe-SCoQCytb→Fe-S→Cytc1CytcCytaa3ⅠⅡⅢⅣ3.电子载体复合体四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素CO2NADHFMN→Fe-SFAD→Fe-SCoQCytb→Fe-S→Cytc1CytcCytaa3ⅠⅡⅢⅣ复合物I：NADH脱氢酶复合物II：琥珀酸脱氢酶复合物III：细胞色素b、c1复合体复合物IV：细胞色素氧化酶3.电子载体复合体CoQ在线粒体内膜中自由扩散，往返于复合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ之间进行电子传递；Cytc在复合物Ⅲ和Ⅳ之间传递电子，它是内膜外侧的外周蛋白。O2NADHFMN→Fe-SFAD→Fe-SCoQCytb→Fe-S→Cytc1CytcCytaa3ⅠⅡⅢⅣ3.电子载体复合体复合物Ⅰ（NADH－CoQ还原酶）又称NADH脱氢酶，由25条以上的多肽链组成，总的相对分子质量约700×103~900×103，以二聚体的形式存在。每个单体含有一个FMN为辅基的黄素蛋白和至少6个铁硫蛋白。它是电子传递链中最大最复杂的酶复合物，其功能是催化NADH上的2个电子传递给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送，所以复合物Ⅰ既是电子传递体，又是质子移位体。3.电子载体复合体复合物Ⅱ（琥珀酸－CoQ还原酶）又称琥珀酸脱氢酶，由4条多肽链组成，总的相对分子质量约140×103，含有一个以FAD为辅基的黄素蛋白、2个铁硫蛋白和一个细胞色素b。其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传递到辅酶Q。所以复合物Ⅱ只能传递电子，而不能使质子跨膜输送。3.电子载体复合体ComplexII:Succinate-coenzymeQreductase3.电子载体复合体复合物Ⅲ（CoQ－细胞色素b还原酶）由10条多肽链组成，总的相对分子质量约250×103，以二聚体形式存在。每个单体包括2个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。其作用是催化电子从还原型辅酶Q转移给细胞色素c，同时发生