天津大学生物化学第九章.ppt

第九章 生物氧化1 生物氧化:有机物质在生物体细胞内的氧化。 能源物质:糖、脂肪、蛋白质。 生物氧化主要讨论的问题是： （1）细胞如何利用O2将代谢物中的氢氧化成水。 （2）代谢物中的碳如何在酶催化下生成CO2。 （3）有机物在氧化过程中如何产生能量。 第九章 生物氧化2 第一节 生物氧化的特点 第二节 生物氧化的一般原理 第三节 氧化磷酸化作用-ATP的生成 第一节 生物氧化的特点1 一、与非生物氧化或燃烧的化学本质相同 二、生物氧化的特点 三、生物氧化进行的场所 四、生物氧化的类型 五、生物氧化的方式 一、与非生物氧化或燃烧化学本质相同 表现为：1.都是脱氧、失电子或与氧直 接化合的过程。 2. 释放出相等的能量。 二、生物氧化的特点 （1）场所：在细胞内进行。 （2）条件：在体温和近于中性pH及有水的环 境中进行。 （3）催化剂：在一系列酶、辅酶和某些传 递体的作用下进行。 （4）能量：是逐步释放的，氧化过程所释放 的能量通常先贮存在一些特殊的高能化合物 （如ATP）中。 三、生物氧化进行的场所1 参与生物氧化的各种酶类（如脱氢酶、电子传 递体系、偶联磷酸化酶等）都分布在线粒体内膜 和嵴上。 真核 生物细 胞是在 线粒体 内进行 。 三、生物氧化进行的场所2 原核生物细胞，是在细胞膜上进行 四、生物氧化的类型 1.一酶体系：不需传递体的生物氧化体系。 （南大P514图132） 2.二酶及多媒体系：需要传递体的生物氧化 体系。（氧化呼吸链） 五、生物氧化的方式 1脱氢：包括失电子、加氧和脱氢反应 。 2脱羧：直接和氧化脱羧。 3生成水：代谢物被各种脱氢酶催化脱 氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递 ，最后与氧结合生成水。可见，生物氧化 是需氧的过程。 1脱氢1(失电子) Fe2+ Fe3+e + 1脱氢2(加氧) RC=O + O2 RC=O 1 2 H OH 醛酸 1脱氢3(脱氢) RC OH RC=O + HH 醇 醛 H 2H 2脱羧1（-直接脱羧） 乙醛丙酮酸 CH3 C COOH -酮酸脱羧酶 Mg2+,TPP H CH3 C + CO2 O O 2脱羧2（-直接脱羧） 丙酮酸草酰乙酸 COOH C=O CH2 COOH COOH 草酰乙酸脱羧酶 COOH C=O + CO2 CH3 COOH 2脱羧3（-氧化脱羧） 丙酮酸 CH3 C COOH CoASH NAD+ O 辅酶A 丙酮酸氧化 脱羧酶系 CH3 C SCoA NADH H+ CO2 O 乙酰辅酶A 2脱羧4（-氧化脱羧） 苹果酸 COOH CHOH CH2 COOH COOH 苹果酸酶 NADP 丙酮酸 COOHCOOH C=O + CO2 + NADPH + H+CH3 3生成水 水是生物氧化的产物之一。 生成机制：代谢物被各种脱氢酶催化 脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的 传递，最后与氧结合，生成水。 第二节 生物氧化的一般原理1 呼吸链：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落 后，经一系列的传递体，最后传递给被激活的氧 分子，生成水的全部体系称做呼吸链，也叫电子 传递体系或电子传递链。 传递体系有多种，有的是传氢体，如脱氢辅酶I （NAD）、II（NADP）、黄酶（FAD，FMN）、辅 酶Q等；有的是传电子体如：细胞色素酶系b、c1 、c、aa3等。 第二节 生物氧化的一般原理2 一、呼吸链的类型 二、呼吸链的组成 三、呼吸链中传递体的顺序 一、呼吸链的类型 目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链： 1NADH呼吸链 2FADH2（二酶氧化体系）呼吸链 1NADH呼吸链1(总） 糖、脂肪、蛋白质三大物质分解代谢中的脱 氢氧化反应，绝大部分是通过此链。 如：糖的氧化分解中有五次脱氢反应： 3磷酸甘油醛1，3二磷酸甘油酸 丙酮酸乙酰COA 异柠檬酸草酰琥珀酸 酮戊二酸琥珀酰COA 苹果酸草酰乙酸 1NADH呼吸链1(图示） NADH氧化呼吸链的组成 2FADH2呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（ FADH2呼吸链）的组成 二、呼吸链的组成1(总） 1烟酰胺脱氢酶类 2黄素脱氢酶类 3铁硫蛋白类（Fe-S） 4辅酶Q（COQ） 5细胞色素 目前已发现，构成呼吸链的成分有20多种 ，一般可分五类： 1烟酰胺脱氢酶类 以NAD+或NADP+为辅酶 NAD+或NADP+NADH+H+或NADPH+H+ 2黄素脱氢酶类 以FMN（黄素单核苷酸 ）或FAD（黄素腺嘌呤二核 苷酸)为辅基 FMN + 2e + 2H+ FMNH2 FAD + 2e + 2H+ FADH2 3铁硫蛋白类（Fe-S）1 铁硫蛋白在线粒 体内膜上往往和 其他递氢体或电 子传递体（如黄 素酶或细胞色素 ）结合成复合物 而存在。复合物 内的铁硫蛋白称 为铁硫中心。 3铁硫蛋白类（Fe-S）2 当铁硫蛋白还原后，其中的三价铁变成二价铁 。有人认为，两个铁原子中，只有一个被还原， 故铁硫蛋白可能是一种单电子传递体。 4辅酶Q（COQ） 是一种脂 溶性的醌类化 合物，其分子 中的苯醌结构 能可逆地加氢 还原而形成对 苯二酚衍生物 ，故属于递氢 体。 5细胞色素1 是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在 呼吸链中，也是依靠铁的化合价的变化来 传递电子。目前发现的细胞色素有多种， 包括aa3、b、c、c1。不同种类的细胞色素 的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同 的。 5细胞色素2 5细胞色素3 三、呼吸链中传递体的顺序1（1） 1从NAD到分子氧，每个电子传递体的 氧化还原电势逐渐增加，实验得氧化 还原电势变化为：氧化还原电位（E0 ）值越低，则该物质丢失电子的倾向越大 ，愈易成为还原剂，而在呼吸链的前面。 （一）呼吸链中传递体顺序确定的依据 不同种类的细胞色素在典型的线粒体呼吸 链中其顺序是： NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2 Eo 0.32 0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 FAD 0.18 P 3ADP P P 3ATP 三、呼吸链中传递体的顺序1（1） 三、呼吸链中传递体的顺序2 2用分离出的电子传递体进行重组实验 。NADH可以使NADH脱氢酶还原，但不能直 接使细胞色素b、c 或aa3还原。同样，还 原型NADH脱氢酶不能直接与细胞色素c作 用，必须经过COQ和细胞色素c1后，才能 再细胞色素c起作用。 三、呼吸链中传递体的顺序3 3.在分离呼吸链的各成分中，从线粒体 中分离到传递体的复合物，这些复合物 在传递功能上都是有顺序地联在一起。 如复合物细胞色素b、c和一个铁硫蛋 白等。 复合物各成分的相关性，说明了呼吸链 各成分的顺序性。 三、呼吸链中传递体的顺序4（1） 4.最直接的是用分光光度法通过吸收光谱的 变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传 递体的氧化还原状态。 结果表明：在呼吸链的NAD一端，电子传递 体的还原性最强。而在靠近氧一端，电子传 递体（细胞色素aa3）几乎全部处于氧化状态 。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底物 到氧的方向，氧化程度逐渐升高，这说明电 子是沿着底物到氧的方向传递。 三、呼吸链中传递体的顺序4（2） NADHFMNCoQ b c1 c aa3 O2 Eo 0.32 0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 FAD 0.18 （二）呼吸链的顺序 第三节 氧化磷酸化作用1 在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的称为氧 化磷酸化作用。 氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础 ，是主要的能量来源，现已证明线粒体内膜是 能量传递系统的重要部位。 氧化磷酸化作用是将生物氧化中释放出的自 由能转移而使ADP生成ATP的作用。 第三节 氧化磷酸化作用2 氧化磷酸化的全过程为： NADH + H+ + 3ADP + 3Pi NAD+ + 4 H2O + 3ATP +O2 1 2 第三节 氧化磷酸化作用3（1） A TP为 主要 的高 能化 合物 第三节 氧化磷酸化作用3（2） 含高能键的化合物有多种-焦磷酸化合物 焦磷酸 ADP（二磷酸腺苷 ） 第三节 氧化磷酸化作用3（3） 含高能键的化合物有多种-烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP） 第三节 氧化磷酸化作用3（4） 含高能键的化合物有多种-胍基磷酸化合物 磷酸肌酸磷酸精氨酸 第三节 氧化磷酸化作用3（5） 3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸 酰基辅酶A 含高能键的化合物有多种-高能硫酯键化合物 第三节 氧化磷酸化作用4（总） 一、ATP的生成 二、氧化磷酸化的作用机制 一、ATP的生成 1底物水平磷酸化 2电子传递体系磷酸化（呼吸链磷酸化） 1底物水平磷酸化1 底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸 化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生 成ATP。 底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于 伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分 布。底物磷酸化和氧的存在与否无关。 1底物水平磷酸化2 1底物水平磷酸化3 2电子传递体系磷酸化1 当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼 吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化 为ATP，这一全过程称电子传递体系磷酸化。 它是生成ATP的一种主要方式，是生物体内能 量转移的主要环节。根据实验证明,从NADH到分 子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释 放的能量转化为ATP，这三处也即是传递链上可 被特异性抑制剂切断的地方。 2电子传递体系磷酸化2 NADH呼吸链生成ATP的三个部位是： +0.8 +0.6 +0.4 +0.2 - 0.0 -0.2 -0.4 0 10 20 30 40 50 NADH FAD FMN COQ b c1 a a3 O2 c NAD FMNHCOQcytbcytc1cytaa3 代谢物2H ADP+PiADP+PiADP+Pi O2 ATPATPATP E O GO/kcal 2电子传递体系磷酸化3 研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的 P/0比值和电化学实验。 P/0比值指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩 尔数。实验测得NADH呼吸链的P/0值是3，即每消 耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP。FADH2呼吸 链的P/0值是2，即可形成2摩尔ATP。从理论推算 ：G0(自由能)的变化，也与P/0比值一致。 2电子传递体系磷酸化4 作用物呼吸链组成P/O 比值 生成 ATP数 -羟丁酸 琥珀酸 抗坏血酸 细胞色素c NAD+FMN COQ cyt O2 FAD COQ cyt O2 cytc cytaa3 O2 cytaa3 O2 2.42.8 1.7 0.88 0.61 0.68 3 2 1 1 二、氧化磷酸化的作用机制1 1.化学偶联学说 2.结构偶联学说 3.化学渗透学说 目前提出三个学说: 二、氧化磷酸化的作用机制2 化学渗透学说得到较多的支持：认为质子梯 度推动ATP生成，此学说由英国生物化学家 P.mitchell提出。认为呼吸链存在于线粒体内 膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵的作 用。质子被泵出线粒体内膜的外侧，形成一个 跨内膜的H+梯度，这梯度