第24章生物氧化

Biochemistry 生物化学,硕士研究生入学考试 国家教育部指定考试科目 教材：王镜岩主编（第三版） 高教出版社 主讲:杨卫民,Chapter24 生物氧化,Biological oxidation,生物能量转换示意图,前 言,1、生命活动能量的来源,来自于体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化，生物体内的氧化和外界的燃烧在化学本质上相同，方式不同。,2、什么是生物氧化？,有机分子在机体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程，称为生物氧化（细胞氧化或细胞呼吸）。 生物氧化在形式上虽有加氧、脱氢和失电子的不同形式，但从氧化的基本概念来看，生物氧化与体外的化学氧化，实质相同，即一种物质丢失电子是氧化，得到电子是还原。,特点与意义：在近中性和约37C的水溶液中逐步进行的一系列酶促反应；逐步释放的能量，一部分用于维持体温，另一部分用来合成ATP供机体利用。,Chapter24 生物氧化,Chapter24 生物氧化,一、氧化还原电势,1、氧化还原反应的概念,氧化还原反应：凡在反应过程中有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质（氧化剂）的化学反应。 An+ + ne=A,2、氧化还原电势的概念,电动势（）：=E（正极电极电势） E（负极电极电势）,3、生物体内重要的氧化还原电势（117页）,在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大的电势差。 (a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.82 V (b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.322 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式： (c) O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0 = +1.14 V 每形成1mol ATP需要约50kJ能量，每形成1mol NADPH便有2mol e-从0.82V(H2O/O2氧化还原电位)上升到0.32V(NADPH电位)。这一过程的自由能变化为 G =-nF E0 =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol,氧化-还原电势与自由能的变化,二、电子传递过程和氧化呼吸链,（一）生物氧化的方式,生物氧化中物质的氧化方式包括加氧、脱氢和失电子，与化学上氧化还原的概念是一致的，但需递氢体和递电子体。,（糖、脂肪、氨基酸等） 脱氢,脱氢酶的辅酶（氧化型）NAD+、FAD,还原型辅酶（NADH、FADH2）,氢以质子形式脱下，进入递氢体,电子沿一系列的电子传递体转移，最后转移到分子氧，同时逐步释放大量的自由能，ADP磷酸化形成ATP。,质子和离子氧结合生成水,生物组织CO2的产生主要是有机酸在酶的催化下脱羧反应完成的。,（二）电子传递过程,什么是电子传递过程？还原型辅酶通过电子传递再氧化，这个过程称为电子传递过程。电子传递和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化作用，该全过程又称氧化呼吸链或呼吸代谢。（118页）,电子传递链的部位：原核细胞存在于质膜上，真 核细胞存在于线粒体内膜上。,（三）呼吸链（电子传递链）概念的建立,它是指代谢物上脱下的氢经一系列递氢体或电子传递体的依次传递，最后传给分子氧从而生成水的全部体系。 按照还原电势大小排列，即电子亲和力不断增加的顺序,待氧化底物,NAD+,E-FMN,FeS,CoQ,Cyt-b,Cyt-c,Cyt-a,O2,NADH,2H+,1/2O,H2O,呼吸链（电子传递链）各组成成分在线粒体内膜上的定位 1、各组分不对称分布；2、高能质子泵出，形成H+ 电化学梯度,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, NADH：还原型辅酶,它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员,铁硫蛋白,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。,它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, NADH泛醌还原酶,简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。 FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2, NADH泛醌还原酶,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, 泛醌,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。,Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, 泛醌细胞色素c还原酶,简写为QH2-cyt. c还原酶, 即复合物III, 它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt. c）的还原。 QH2-cyt. c 还原酶 QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) = Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+ QH2-cyt. c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。, 泛醌细胞色素c还原酶,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员,细胞色素,（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, 细胞色素c（cyt.c）,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, 细胞色素c氧化酶,简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt. a和a3。,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员, 细胞色素c氧化酶,cyt. a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt. a a3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,琥珀酸-Q还原酶,（四）呼吸链（电子传递链）各个成员,琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt, c还原酶、cyt. c和cyt. c氧化酶将电子传递到O2。,琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。,（五）生物氧化的两种体系,依据细胞定位和功能的不同划分为：,线粒体氧化体系：发生在细胞线粒体内，以提供能量（产生ATP）为主要功能的生物氧化体系。“发电站”,非线粒体氧化体系：发生在细胞线粒体外，行使特殊作用（如清除代谢有害物）为主要功能的生物氧化体系。,（四）参与生物氧化的酶类,氧化酶类：如细胞色素氧化酶类，易被CO、氰化物等抑制。,需氧脱氢酶类：该类酶都是以FMN或FAD为辅基作为递氢体的结合酶类，不易被CO、氰化物等抑制。,不需氧脱氢酶类：该类酶都是以NAD+（或NADP+）为辅酶、以FMN（或FAD）为辅基作为递氢体的结合酶类,（六）线粒体呼吸链的类型,呼吸链按其组成成分、排列顺序和功能上的差异，目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链即NADH呼吸链和FADH2呼吸链,NADH呼吸链：是人和动物细胞内的主要呼吸链。因为NAD+（又叫辅酶I）是生物体内大多数脱氢酶的辅酶。每传递一对电子释放的自由能可产生2.5分子ATP,FADH2呼吸链：以FADH2起始而得名。每传递一对电子释放的自由能可产生1.5分子ATP。,呼吸链的作用：（1）代谢水的生成；（2）能量的生成。,NADH呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成2.5分子ATP。,FADH2呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成1.5分子ATP。,（七）电子传递的抑制剂（128页）,概念：能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常见的有鱼藤酮、抗霉素A、氰化物等等。,抑制剂的作用部位： 1、鱼藤酮等：阻断电子由DANH向CoQ的传递。 2、抗霉素A：抑制电子从还原型CoQ（QH2）到细胞色素的传递作用。 3、氰化物、CO等：阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递作用。,三、氧化磷酸化作用,（一）线粒体的结构要点（130页）,Chapter24 生物氧化,是需氧细胞生命活动的能量 来源“发电站”。,两层膜；内膜有许多向内折叠的嵴，形成内膜球体结构。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（二）氧化磷酸化作用的概念,与生物氧化作用相伴而发生的电子沿呼吸链传递的氧化作用和释放的自由能转移给ADP，使ADP磷酸化生成高能ATP相偶联的过程，叫氧化磷酸化作用。,氧化磷酸化的全过程用方程式表示如下：,NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + O2 NAD+ + 4H2O + 3ATP,如：2-磷酸-甘油酸脱水所引起的内部能量重新分布，能量与ADP作用产生一个ATP,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（三）氧化磷酸化作用的机制,1、P/O比值,定义：每消耗1 mol 原子氧时，ADP磷酸化摄取无机磷（酸）的mol 数（也即生成ATP的mol 数）,NADH P/O = 3 FADH2 P/O = 2,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,2、ADP 形成ATP 的部位,部位I：NADH和辅酶Q之间 部位II：辅酶Q和cyt-c之间 部位III： cyt-a 和 O 之间,NADH FADH2 1分子ATP 无 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP,代谢物脱出的氢，大多数通过呼吸链完成其氧化过程。ATP的形成也主要靠呼吸链的氧化磷酸化作用。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,3、氧化磷酸化作用机制的解释,偶联机制化学渗透学说,化学渗透假说的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；,c. 在膜内外势能差（pH 和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,3、氧化磷酸化作用机制的解释,化学渗透学说,构象学说,这一学说与上述化学偶联学说相似，是1964 PDBoyer提出的。其论点认为呼吸作用放出的能被偶联膜（即线粒体内膜）的一种含蛋白质的还原型电子递体（Ared）吸收，吸收能量的Ared即变构而成为激活态的氧化型构象Aox，这种Aox即促进ADP磷酸化而产生ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（四）氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用的原则区别,底物水平磷酸化作用是指代谢物在分解代谢过程中由于脱氢或脱水等作用使能量在分子内部重新分配，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。,区别：氧化磷酸化作用ATP的生成基于与呼吸链电子传递相偶联的磷酸化作用；而底物水平磷酸化作用则基于酶的催化将高能磷酸基团直接转移生成ATP。,Chapter24 生物氧化,三、氧化磷酸化作用,（五）氧化磷酸化作用解偶联和抑制,解偶联剂：使电子传递和ATP形成两个过程分离，特点是抑制ATP形成，但不抑制电子传递过程，结果造成过分地利用氧和燃