第五章生物氧化2005112

第五章 生物氧化与氧化磷酸化内容提示：1、弄清生物氧化的方式、特点、意义； CO2和 H2O生成方式；2、清楚高能键、高能化合物类型； ATP作为能流通货的原因；3、线粒体呼吸链组成成分及工作机理：电子传递机理、能量计算；4、生物体中 ATP的生成方式：底物磷酸化、氧化磷酸化；偶连部位； 氧化磷酸化机理：化学渗透学说要点；5、明确下列概念及其生物学意义；能荷磷氧比值 （ P/O）； 末端氧化酶；解联剂；Date 1第一节 生物氧化概述化学能 呼吸作用能量通货光合作用化学能渗透能电能机械能热能ATP本质：能量储存于有机物中 本质：有机物氧化释能推动生命活动CO2+H2O 有机物一、生物能流及传递方向：太阳光能损失热熵Date 2叶绿体O2 CO2+ATP+NADPH+H+糖线粒体O2丙酮酸氨基酸脂肪酸 CO2+H2OATP热能作生物功化学合成主动吸收膜电位维持机械运动信号放大生物氧化可为细胞 生成 ATP，以推动生命活动过程，实现物质转变，满足物质种类需要。?二、生物氧化概念及意义ATP1.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。C6H6O6+O2 6 CO2 + 6 H2O + 2870.22 kJ/molDate 3R1/2O2R OH3.方式： （ 1）加氧：2.内容：有机物中的碳氧化为二氧化碳，氢化合成为水，能量贮存于 ATP或以热的形式释放 （ 2） 脱氢 : 加水脱氢:R C OH=O+2H+2eR C H=O+H2O R C HOHOHDate 44.特点：条件温和，多步酶促反应，能量逐步释放，能量高效率贮存于高能化合物中。（ 3）脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸 脱氢Fe2+ Fe3+ e5.CO2生成方式（ 1） 直接脱羧R-CH-COOH RCH2-NH2+ CO2 NH2氨基酸 胺 氨基酸脱羧酶Date 5Date 6（ 2）氧化脱羧 :丙酮酸苹果酸酶COOHC=OCH3+ CO2 + NADPH + H+COOHCHOHCH2COOH苹果酸SH2S H2O1/2O2酶一酶体系H2O1/2O2AH2A酶 1 酶 2 酶 3 酶 n多酶体系6.H2O的生成方式Date 71.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CytS2P22.氧化酶2Cu2+2Cu+Fe3+S1P1 Fe2+OHOOHOH2O1/2O2三、氧化酶类：（ 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。Date 8FADFADFADH2（ 3）末端氧化酶：处于氧化还原多酶体系末端的酶，能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：4、加氧酶：加双氧酶和加单氧酶 R R OH1/2O2黄嘌呤尿酸 O2H2O2FADH2琥珀酸延胡索酸QH2QDate 91. 自由能（ G）： 生物体系可以用于作功的能量。在生物体系中，其氧化还原反应经常有 H+ 参加，其标准自由能是指 pH 7.0时的自由能，自由能的变化用 G表示。四、自由能和氧化还原电位：1. 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 ”五、高能化合物2. 氧化还原电位：生物体系中为 pH 7.0时的电位 （ E）3. 自由能与氧化还原电位的关系： G = -n FE n： 转移电子数目 F： 法拉第常数 96.4914kJ/molVDate 10 氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸。 硫酯键型 ，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶 A。PEPCCOOHCH2O P=2. 高能化合物类型： 磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子链结构成即 “ OP ” ：例如磷酸烯醇式丙酮酸（ PEP）、 焦磷酸（ PPi） 等。PPiO=P-O-P=OOH OHOH OH C=NHHN N CH3CH3P=OOHOHR CO S CoADate 11磷酸化合物 G0(kJ/mol)磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸ATPADPAMP1-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖61.9249.3743.0130.5430.5414.2220.9213.81常见磷酸化合物标准水解自由能Date 12水解自由能：每个高能键的水解自由能为 30.5kJ/mol 或7.3kcar/mol3. ATPAMPOP CH2OH OHONN NNHHH NHOO OOPO=O ADPOO PO= (1) 结构ATP原因： 密集的负电荷，内部势能高； 与 Ca2+， 或 Mg2+以络合物形式存在，稳定。Date 13（ 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催化过程的能量供体或受体。磷酸烯醇式丙酮酸PPPPATP甘油酸 -1,3-2P18161412108642随水解后集中的负电荷得一分散；共振杂化数增加；低 H+效应。 AP+H2O=A-OH+Pi +40KJ/molB-P+H2O=B-OH+Pi +6.0KJ/molAP + B-OH = AH + BO-P + 36KJ/ molEATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+（ 1）（ 2）（ 1） +（ 2）Date 14第二节 电子传递链 （ electron transport chain, ETC）一、概念： 线粒体内膜上的电子传递系统电子传递链是位于细胞线粒体内膜上的多种电子传递体构成的链式反应系统，它能把生物氧化过程中多种代谢物脱下的氢或电子按照一定的次序传递给分子氧，化合生成水。线粒体纵切立体图基质F1-F0电子传递 链线粒体内膜中存在电子传递链和 ATP合成酶。F1-F0传递链复合体内膜内膜间质间质外膜外膜基质Date 15线粒体内细胞质2CO22乙酰 CoA2ATPTCA4CO22丙酮酸葡萄糖2ATP糖酵解12ATPH2OO23NADHFADH22NADH2NADH线粒体内膜电子传递链脂肪酸、氨基酸等Date 16二 .电子传递链组分与功能1.电子传递链组分NADH脱氢酶H2OH+提取、研究分析Fe-S 蛋白 CoQ Cyt bCytc 1 1/2O 2 Cyt c Cytaa 3 琥珀酸脱氢酶(FAD)类别：NADH呼吸链： NADH脱氢酶、 Fe-S蛋白、 CoQ、 Cyt b、 Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、 Fe-S蛋白、 CoQ、 Cyt b、 Cyt c1 、 Cytc 、 Cyta.a3Date 17NADH脱氢酶：辅基为 FMN，是跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化 NADH脱氢，并有质子泵功能，与铁 -硫蛋白形成复合体。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。FAD FADH22H+ 琥珀酸 延胡索酸2e-NADH脱氢酶 Fe-S 蛋白 CoQ Cyt bCytc 1 1/2O 2 Cyt c Cytaa 3 琥珀酸脱氢酶(FAD)FMN FMNH2NAD+NADH+H+2H+2e2.电子传体功能Date 18Fe-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。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：Fe3+ +e- Fe2+Fe3+SSFe3+肽S SS S肽OORR RR2H+ 2e-OHOHRRRR+ +SSS Fe S( 半胱 )(半胱 ) S FeSFe S(半胱)(半胱 ) S Fe2Fe-2S 4Fe-4SNADH脱氢酶 Fe-S 蛋白 CoQ Cyt bCytc 1 1/2O 2 Cyt cCytaa 3 Fe2+SSFe2+肽S SS S肽+e-e-Date 19(1)Cytb： Cytb是跨膜蛋白，可接受 CoQ的电子，还原 Cytc1，具有质子泵功能。(2)Cytc1：与 Cytb组成一个复合体，它可接受 b的电子传给 Cytc 。细胞色素 (Cyt)类 :共有 5种，分别为 Cyt b 、 Cyt c1、 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。Fe3+ + e Fe2+其中的铁离子可接受电子和释放电子N MCH SNPMNM C SHCH3FeNMP CysCysHisMetSCH3NCH3QH2QCytb c12e2H+2H+NADH脱氢酶 Fe-S 蛋白 CoQ CytbCytc11/2O 2 CytcCytaa3 Date 20内膜内外Cytc细胞色素 aa3(Cytaa3)，能够氧化 Cytc，把电子传递给分子氧，由于它处于呼吸链末端，故称为末端氧化酶。Cytaa3在传递电子过程中，能利用释放的能量把质子泵出线粒体到内膜外侧。Cytaa3e-1/2O2 O- +2H+H 2O2H-NADH脱氢酶 Fe-S 蛋白 CoQ Cytb Cytc 1 1/2O 2 Cytc Cytaa 3 Date 21两个游离载体复合体 IV复合体 III复合体 INADH电子传递链NADH脱氢酶 Fe-S 蛋白 CoQCyt bCytc 1CytcCytaa 3 1/2O 2复合体 IIFADH2电子传递链琥珀酸脱氢酶 Fe-S 蛋白内膜内外1/2O2H2OCytcQNADH电子传递链复合体以嵌入形式存在内膜中IIIIVIII琥珀酸3.电子传递链的类别及存在方式Date 22NADH+H+NAD+第三节氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)经脱氢酶催化，由代谢物脱下来的氢或电子，经电子传递链传递到氧生成水，释放能量伴随 ADP磷酸化生成 ATP。ADP + Pi ATP能量(F1-F0)偶联因子1/2O2O= 2H+H2O那 些部位偶联 ATP生成？AH2AE 电子传递链？一、概念Date 23NADH FMNFeS CoQ b c 1 c aa 3 1/2O2电子传递体传递电子释放自由能：琥珀酸 FAD-Fe-S +0.06-0.32 -0.30 0 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.385 +0.816E ATP+H2O ADP+PiG0=-nE0=-296.49E0=-192.98E0G0=-30.54KJ/mol相邻电子传递体之间的 E00.158eV时，释放的自由能才能促使 ADP磷酸化生成 ATP。 FMNH2的电子传给 Fe-S释放自由能？G0=-nFE0=-192.98E0=-192.98 0-(-0.3)=-192.980.3=57.89KJ/molE0=-30.54/-182.98=0.158eV-30.54Date 24NADHFMNFe-S CoQ Fe-S bFe-S c 1caa 31/2O 2TCA循环苹果酸-酮戊二酸异柠檬酸丙酮酸脂肪酸和酮体氧化-羟丁酸-羟脂酰 CoA琥珀酸Fe-SFAD偶联点ATP偶联点ATP偶联点ATP溶氧测定仪CytCFe2+呼吸底物ATP/原子 OATP还原型细胞 色素 c1琥珀酸2QH2 NADH2 3P/ODate 25精密 pH计开始形成 ATPMitchell(1961)等人，用提取纯化的线粒体放入三角瓶最适环境中 (最适温度、较高 pH缓冲溶液 )。ATP试验现象：加入呼吸底物消耗氧，底物被氧化；溶液 pH开始降低； 降低到一定程度时，才开始合成 ATP，在合成 ATP过程中，溶液的 pH维持恒定。 氧测定仪如何解释这种现象？二 . 氧化磷酸化机理 Date 26 NAD+NADH H+1 2O2O线粒体内膜2H+ 2H+ 2H+e- +2H+H2OAH2A 加入呼吸底物消耗氧，底物被氧化； 溶液 pH开始降低？ 降低到一定程度时，才开始合成 ATP， 在合成ATP过程中，溶液的 pH维持恒定？Mitchell(1961)对试验现象的合理解释：2H+2H+ 2H+ADPATPPiATPDate 27化学渗透学说 (Mitchell 1961)： 电子传递沿呼吸链传递释放能量，促使质子泵出内膜到外侧，在内膜的内外两侧建立质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子电化学梯度 (势能 )。当质子沿 F1-Fo复合体穿过时就会 F1-Fo头部合成 ATP。外膜内膜2H+2H+2H+ 2H+2H+NADH2 NAD+ 1/2O2H203H+3H+ADP+Pi ATPATP-H+Date 283H+ADP+Pi ATP内膜内外F1F