第9章 生物氧化

第第 9章章 生物氧化生物氧化Biological Oxidation本章主要内容4 生物氧化概述4 ATP4 氧化磷酸化4 其他生物氧化系统 1 生物氧化 ( Biological oxidation)营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。动物机体能量的产生与转移与利用营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被 “截获 ”并储存到 ATP分子中（使 ADP+Pi ATP, 即磷酸化），可以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）中利用。因此， ATP（ 三磷酸腺苷）被称为机体中 通用的能量货币。 线粒体 细胞的动力站生物氧化过程主要在线粒体的内膜上进行，内膜上分布着许多的酶和电子传递体，构成两条 呼吸链 。内膜上结合的颗粒（ 内膜粒子 ，或称基粒、三分体等）具有 ATP合酶的活性，称 FoF1ATPase 。2 ATP （ 三磷酸腺苷）2.1 ATP的分子结构和高能磷酸键 ATP等的分子中的焦磷酸键在水解时或在转移时，可释放很高的能量，大于30.56kJ/moL， 称 高能磷酸键 。表 9 3 各种磷酸化合物的水解自由能磷酸化合物水解自由能 G（ kJ/moL）磷酸 烯 醇式丙 酮酸（ PEP） -61.69氨基甲 酰 磷酸 -50.50乙 酰 基磷酸 -43.12磷酸肌酸（ CP） -43.12焦磷酸（ PPi） -33.49ATP（ ADP + Pi） -30.56葡萄糖 -1-磷酸（G-1-P） -20.93葡萄糖 -6-磷酸（G-6-P） -13.82-磷酸甘油 -9.21高能磷酸化合物有转移其磷酰基的倾向，形成较低能量的磷酸脂。 ATP是磷酰基的传递体。2.2 ATP具有较高的磷酸基团转移势2.3 ATP以偶联反应的方式推动非自发的反应例如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：乙酰 CoA + CO2 丙二酸单 酰 CoAG = +18.84kJ/moL， 不能自发进行。乙酰 CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应：1 E-生物素 + CO2 + ATP +H2O E-生物素 - CO2 + ADP + PiG = - 17.58 kJ/moL2. E-生物素 - CO2 + 乙酰 CoA E-生物素 + 丙二酸单酰 CoAG = -1.00 kJ/moL总反应为：乙酰 CoA + CO2+ ATP +H2O 丙二酸单酰 CoA + ADP + PiG = -18.59kJ/moL2.4 ATP的生成方式1. 底物水平的磷酸化（回忆糖的分解代谢）2. 氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation )底物脱下的氢（ 2H 2H+ + 2e） 经过呼吸链 ( respiratory chain) 或电子传递系统 ( electronic transport system )的传递最后交给氧，并与之结合生成水。在此过程中 ,氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在 ATP分子中（ ADP+Pi ATP）， 这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化 。 这是需氧生物合成 ATP的主要方式 。不需氧脱氢酶辅酶 Q（ CoQ， 泛醌）细胞色素（ Cyt）铁硫复合物（又称铁硫中心， FeS）细胞色素 aa3， 即细胞色素 c氧化酶这些成分在呼吸链上以一定的顺序排列传递电子和氢，构成电子传递系统（ Electronic Transport System）3 呼吸链 ( respiratory chain)3.1 呼吸链的组成成分不需氧脱氢酶底物脱下的氢交给氢或电子的传递体，而氧并不是氢的直接受体。举例 :3-磷酸甘油醛脱氢酶（ NAD）异柠檬酸脱氢酶（ NAD）NADH-CoQ还原酶（ FMN）琥珀酸 -CoQ还原酶（ FAD）CoQ-细胞色素 c还原酶（ 铁卟啉 辅基 ）辅酶 Q （ 泛醌 ， CoQ）脂溶性的小分子，通过氧化 /还原（醌 /酚）两种形式传递氢，因此是递氢体。细胞色素 （ Cytochrome, Cyt ）细胞色素是一类 含血红素 的 电子传递蛋白 ， Fe原子处于血红素环中央，借助化学价的变化（ Fe+/Fe+） 传递电子。有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有不同的吸收。 Cyt c和 c1的血红素与蛋白部分共价结合。 Cytaa3又称细胞色素 c氧化酶 ,处于呼吸链的末端 ,既含 Fe原子，又有 Cu原子，通过铜原子的化合价变化（在 +1和 +2之间）最终将电子传递给氧。 Cytaa3可以被 CN-和 CO抑制。细胞色素 c 的结构 Cyt c和 c1的血红素与蛋白部分共价结合。 Fe-S 复合物 含硫的非血红素铁蛋白 ，也称铁硫中心，借助 Fe化学价的变化（ Fe+/Fe+） 传递电子。Fe与 4个 Cys 的 S相连 2FeS， 2Fe分别与 2S和 4个 Cys 的 S相连4FeS， 4Fe分别与 4S和 4个 Cys 的 S相连表 9 1 呼吸链复合体复合物 酶名称 亚 基 辅 基 NADH-Q还原酶 39 FMN， FeS 琥珀酸 -Q还原酶 4 FAD， FeS， 铁卟啉 Q-细胞色素 c还原酶 10 铁卟啉， FeS 细胞色素 c氧化酶 13 铁卟啉， Cu2+呼吸链含有 4种复合体3.2 NADH 呼吸链的组成复合物 I（ NADH-CoQ 还原酶，含 FMN， Fe-S）CoQ（ 泛醌）复合物 III（ CoQ-细胞色素 c还原酶，含 Cytb562、Cytb566， Fe-S， Cytc1）Cytc复合物 IV（ 细胞色素 c氧化酶， Cyta,a3，含 CuA、 CuB）3.3 FADH 呼吸链（琥珀酸呼吸链）的组成复合物 II（ 琥珀酸 -Q 还原酶，含 FAD、 Fe-S， Cytb560）CoQ复合物 III（ 同 NADH 呼吸链）Cytc复合物 IV （ 同 NADH 呼吸链） Cytc Q NADH+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-电子在呼吸链中的传递方式(I)(II)(III) (IV)NADHFMN（ FeS）CoQCyt b（ FeS）Cyt c1Cyt cO2FADH（ FeS）Cyt aa3NADH 呼吸链FADH 呼吸链两条呼吸链总结琥珀酸I IIIIIIV4 氧化磷酸化（ oxidative phosphorylation）4.1 磷氧比（ P/O） 当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（ Pi） 的消耗。消耗 P原子的摩尔数与 O原子的摩尔数之比称为 P/O比。研究组织呼吸的实验显示 : NADH 呼吸链的 P/O为 2.5， FADH呼吸链的 P/O为 1.5。即在 NADH呼吸链中，将一对电子传递给 O， 实现了 2.5次的磷酸化反应（ ADP + Pi ATP），而在 FADH呼吸链只有 1.5次 .4.2 ATP的产生推动 ADP磷酸化形成 ATP所需的标准自由能大约在 -30.56kJ/moL。在 NADH 呼吸链上，在 NADH CoQ， Cytbc 1 和 Cytaa3O 2 之间释放的能量足以实现磷酸化。在 FADH呼吸链，则在 Cytbc 1 和 Cytaa3O 2 之间。电子的传递方向和释放的能量可能推动形成 ATP的部位-50.24kJ/moL-41.87kJ/moL-100.48kJ/moL4.3 氧化磷酸化的机制 化学渗透学说 - 底物脱下的氢的一对电子通过 NADH呼吸链传递给氧原子，期间分别有 4、 4、 2共 5对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。- 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。- 当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子的 ATP合酶（ FoF1ATPase）的作用下，通过 ADP 的磷酸化生成 ATP分子。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透学说（ chemiosmotic hypothesis)内膜粒子、基粒、 FoF1ATPase（ ATP合酶），现又称复合体 V。F1有 5个亚基，有 ATP合酶的活性， Fo有 4个亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。5 解偶联与氧化磷酸化的抑制5.1 解偶联（ uncoupling） 使电子传递与 ATP的生成（磷酸化）分离。解偶联剂破坏质子梯度的形成，从而抑制 ATP的生成，但不抑制电子的传递，因此电子传递过程中生成的自由能转变为热能。如解偶联剂 2， 4 二硝基苯酚（ DNP）。5.2 氧化磷酸化的抑制抑制氧的利用，直接干扰 ATP的生成。如