5生物氧化

第五章生物氧化第一节概述一、生物能流：化学能太阳光能呼吸作用能量通货损失：热、熵光合作用CO2+H2O有机物化学能渗透能电能机械能热能……二、生物氧化1.概念：有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）2.内容：碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP3.方式：（1）加氧：ATPRROH1/2O2第五章生物氧化与氧化磷酸化第五章生物氧化（2）脱氢:①加水脱氢:4.特点：条件温和，多步酶促反应，能量逐步释放，能量贮存于高能化合物RCHO+H2ORCHOHOHRCOHO+2H++2e-Fe2+————Fe3++e－（3）脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH————HOOC-CH=CH-COOH+2H++2e－琥珀酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸②直接脱氢：第五章生物氧化5.CO2生成方式（1）直接脱羧（2）氧化脱羧:R-CH(NH2)-COOH——————RCH2-NH2+CO2氨基酸氨基酸脱羧酶胺CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶第五章生物氧化AH2AH2O1/2O2酶一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶体系三、氧化酶类：1.电子转移酶如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应Fe3+Fe2+S1P1S2P26.H2O的生成方式2.氧化酶：（1）一般氧化酶：单独使底物脱氢，并把氢交给氧的酶类，如一酶体系中的多酚氧化酶。Cu2+Cu+OHOHOO1/2O2H2O22第五章生物氧化（3）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶（2）黄素氧化酶：接受底物的氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢的酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶3.脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：O2H2O2FADFADH2黄嘌呤尿酸4加氧酶：加双氧酶和加单氧酶QH2FADFADH2琥珀酸延胡索酸QRROH1/2O2第五章生物氧化生物体中T2=T1所以热不能作功，能作功的能量是自由能。1.自由能（G）：物理化学中的标准自由能（G）为25℃、一个大气压，参与反应的物质均为1个mol时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有H+参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则这个标准条件的pH值为0，显然，不符合生物体系反应条件。生物体系中，其标准自由能是指pH＝7.0时的自由能，用G°'表示，自由能的变化用ΔG°'表示2.氧化还原电位：生物体系中为pH＝7.0时的电位（ΔE°'）3.自由能与氧化还原电位的关系：ΔG°'=-nFΔE°'n：转移电子数目F：法拉第常数96.4914kJ/mol·V四、自由能和氧化还原电位：热机作功公式为：W=QT2–T1T2W：所做的功Q：吸收的热量T1：作功前温度T2：作功后温度第五章生物氧化②氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸③硫酯键型，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A~RCOSCoA1.概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“～”表示以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物”2.高能化合物类型：①磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。五、高能化合物CCOOHCH2O~POHPOOHOPOHOHO~PEPPPiNCHNCH3NHCH2COOH~P第五章生物氧化磷酸化合物ΔG°′(kJ/mol)磷酸化合物ΔG°′(kJ/mol)磷酸烯醇式丙酮酸1,3二磷酸甘油酸磷酸肌酸ATPADP+Pi-61.92-49.37-43.01-30.54ADPAMP+PiAMP腺苷+Pi1—磷酸葡萄糖6—磷酸葡萄糖-30.54-14.22-20.92-13.81常见磷酸化合物标准水解自由能OOHOHHHACH2OPOOPOOO~OPOOO~ATPAMPADP3.ATP(1)结构水解自由能：每个高能键的水解自由能为30.5kJ/mol或7.3kcar/mol第五章生物氧化（3）作为能量通货的原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体磷酸烯醇式丙酮酸~P~P~P~PATP甘油酸－1,3－2P18161412108642ATP4–+H2O——ADP3–+HPO42–+H+负电荷集中，共振杂化，H+浓度低OHPOHOHOOHPOOHOHOHPOHOOHOPOHOHOH（2）产生高水解自由能的原因：第五章生物氧化一、概念：线粒体内膜上的电子传递系统类别：NADH呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3二、组分：2.琥珀酸脱氢酶（FAD）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。1.NADH脱氢酶：辅基为FMN，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化NADH脱氢，并具有质子泵功能，其与铁-硫蛋白形成复合体第二节呼吸链FMNFMNH2NAD+NADH+H+2e—2H+内膜外内FADFADH22e—2H+琥珀酸延胡索酸内膜外内第五章生物氧化3.Fe-S蛋白：含有等量的铁和硫，二者形成配位键，铁还和肽链的半胱氨酸形成配位键。有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子SFe—S(半胱)SSS(半胱)S—Fe(半胱)S—FeFe—S(半胱)肽SSSSSS肽FeFe4.CoQ：是醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下：OORRRR2H+2e-OHOHRRRR++Fe2+Fe3++e－第五章生物氧化（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给Cytc5.细胞色素（Cyt）类:共有5种，分别为Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3所有的细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基—血红素，如Cytc的辅基与蛋白质的结合。Fe2+Fe3++e－NMCHCH3SNPMNMCHCH3SFeNMPCysCysHisMetSCH3N其中的铁离子可接受电子和释放电子QH2QCytbCytc12e-2H+内膜外内第五章生物氧化（4）Cyta·a3：这是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。在膜的外部，Cyta接受Cytc的电子，经过Cu传给a3，a3的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。该复合体又称为细胞色素氧化酶、呼吸链末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta·a3。Cytc2e-内膜外内aa31/2O2+2H+H2O2e-2H+内膜外内第五章生物氧化NADHFMNCoQbc1caa3O2-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816琥珀酸FADCoQbc1caa3O2+0.06三、工作机理：1.呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：NADH+H+NAD+FMNFMNH2NADH脱氢酶12O2O2-+2H+H2OFe3+Fe2+Fe—S22QQH2CoQFe3+Fe2+Cytb22Fe3+Fe2+Cytc122Fe3+Fe2+Cytc22Fe3+Fe2+Cyta.a322琥珀酸延胡索酸FADFADH2琥珀酸脱氢酶Fe3+Fe2+Fe—S222.工作机理：第五章生物氧化内外IIIIIIIVc内膜QNADH琥珀酸1/2O2四、存在状态四个复合体：复合体I：NADH脱氢酶、铁硫蛋白复合体II：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白复合体III：细胞色素b、c1复合体IV：细胞色素氧化酶两个游离载体：辅酶Q、细胞色素c第五章生物氧化IIIIIIIVcQ内膜内外外膜FP2FP3FP4b5NADH→FP2（内膜内侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP3（内膜外侧）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP4（外膜）→b5→c→aa3→O2五、植物中的呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADH第五章生物氧化NADHFMNCoQbc1caa3O2六、电子传递抑制剂：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素抗霉素ACN–、N3–CO、H2S第三节氧化磷酸化一、概念:伴随生物氧化放能反应的由ADP与Pi合成ATP的过程。二、类型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程。CCOOHCH2O~PCCOOHOCH3ATPADPPEP丙酮酸丙酮酸激酶第五章生物氧化氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程。所以又叫偶联磷酸化。NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP三、偶联部位:1.电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2第五章生物氧化每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP底物NADH琥珀酸CoQ细胞色素cP/O32212.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII第五章生物氧化三、氧化磷酸化机理:1.氧化磷酸化的细胞结构基础线粒体（mitochondria）外膜（outermembrane）内膜（innermembrane）嵴（sterility）第五章生物氧化2.F1-F0因子：结构膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5种共9个亚基，b亚基b为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底。g亚基突出与F0结合第五章生物氧化ADP+Pigaaabbb内膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0的工作机理第五章生物氧化IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F0（1）化学偶联假说（Chemicalcouplinghypothesis)（2）构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)（3）化学渗透学说（Chemicalosmotictheory）（Mitchell1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度2H+3.氧化磷酸化机理化学渗透学说机理第五章生物氧化化学渗透学说要点1.线粒体的内膜是完整的封闭系统。2.电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。3.内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。第五章生物氧化化学渗透学说的试验根据—氧化磷酸化重建试验（只传递电子）（水解ATP）（电子传递、氧化磷酸化）（电子传递、氧化磷酸化）外膜内膜第五章生物氧化作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。解偶联(uncoupling)—使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、2.4-二硝基苯酚、双香豆素等典型的解偶联剂2，4—