新陈代谢总论与生物氧化.ppt

生物氧化,第八章,本章教学目的要求,1.掌握：（1）氧化磷酸化及底物水平磷酸化的概念；（2）氧化磷酸化偶联部位及影响因素；（3）呼吸链的概念、组成及主要呼吸链的排列顺序。2.熟悉：（1）ATP与能量转换和利用。（2）胞液中NADH的氧化过程。（3）-磷酸甘油及苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。3.了解：（1）体内外生物氧化异同点。（2）氧化磷酸化的偶联机制。（3）线粒体内膜物质转运及其他氧化体系的特点、作用。,新陈代谢,新陈代谢,合成代谢（同化作用）,分解代谢（异化作用）,生物小分子合成为生物大分子,需要能量,释放能量,生物大分子分解为生物小分子,能量代谢,物质代谢,什么叫生物氧化？,糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水并释放能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化.,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程,二氧化碳的生成细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2：脱羧反应水的生成在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O：电子传递链ATP的生成当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP：底物水平磷酸化，氧化磷酸化（电子传递体系磷酸化）,生物氧化研究的内容,第一节生物氧化的方式、特点和酶类,一、生物氧化中CO2生成的方式生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。脱羧的方式有四种:,直接脱羧基作用氧化脱羧基作用-直接脱羧-氧化脱羧-直接脱羧-氧化脱羧,-氧化脱羧：如丙酮酸的氧化脱羧：,-氧化脱羧：如苹果酸的氧化脱羧：,（二）氧化脱羧作用,二、生物氧化中物质氧化的方式,(一).失电子,(二).脱氢,乙醇,乙醛,琥珀酸脱氢,乳酸脱氢酶,(三).加氧,(四).加水,酪氨酸,苯丙氨酸,延胡索酸,苹果酸,羟化酶,（五）加水脱氢,酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。,三、生物氧化的特点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,*生物氧化与体外氧化之相同点；,是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。,*生物氧化与体外氧化之不同点:,生物氧化,体外氧化,在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。,1.条件温和,生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。,2.水的生成,水的生成不是H直接与O作用生成,氧化过程中脱下来的氢，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。水是生物氧化反应的产物,又是生物氧化反应的环境.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用,直接参予了氧化反应。,3.CO2的生成,CO2的生成不是C直接与O作用生成,而是通过脱羧作用生成。,4.能量的生成,能量的生成不是暴发式的,而是逐步释放,提高能量利用率。生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。,总结：生物氧化的特点,四、参与生物氧化的酶类（一）脱氢酶类使代谢物的氢活化、脱落、并将其传递给其他受氢体或中间传递体。根据辅因子的不同，可分为：1、以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶2、以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶,1、黄素脱氢酶类（以黄素辅基做为H的受体的酶类）,直接从代谢物上获HSH2+FMN/FADS+FMNH2/FADH2（1）需氧黄酶以氧为直接受氢体，即直接把H给O生成H2O2如AA氧化酶AA+O2+H2O酮酸+H2O2+NH3（2）不需氧黄酶不以氧为直接受氢体，即先把H传给中间传递体，最后才传给O生成H2O。NAD脱氢酶NADH2+FMNNAD+FMNH2琥珀酸脱氢酶COOHCH2CH2COOH+FADCOOHCHCHCOOH+FADH2脂酰CoA脱氢酶脂酰CoA+FAD烯脂酰CoA+FADH2-磷酸甘油脱氢酶（线粒体）-磷酸甘油+FAD磷酸二羟丙酮+FADH2,传递体,2、烟酰胺脱氢酶类（以烟酰胺辅酶作为受H体的酶类）,这类酶以NAD（辅酶）和NADP（辅酶）为辅酶；直接从代谢物上接受氢；属于不需氧脱氢酶；这类脱氢酶有200多种.(见P233表10-1),（二）氧化酶（种类很多）在生物氧化过程中，以O为直接受氢体的氧化还原酶类。例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶（三）加氧酶CH3CHO+1/2O2CH3COOH（四）传递体：是指生物氧化过程中，起着中间传递氢或传递电子作用的物质。递氢体：黄酶、烟酰胺辅酶和CoQ递电子体：细胞色素及铁硫蛋白,第二节线粒体氧化体系,一.呼吸链的概念,呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。,线粒体呼吸链,呼吸链的作用,接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。,细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。,线粒体的结构,呼吸链,生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。,MH2,M,递氢体,递氢体H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ,还原型,氧化型,Cyt递电子体b,c1,c,aa3,2H+,2e,O2,O2-,H2O,脱氢酶,氧化酶,二.呼吸链分组成成分1.烟酰胺脱氢酶2.黄素脱氢酶3.铁硫蛋白4.细胞色素5.辅酶Q-泛醌,NADH-Q还原酶（复合体I）琥珀酸-Q还原酶（复合体）细胞色素还原酶（复合体III）细胞色素氧化酶（复合体）,电子传递中有四个复合体参与,典型的呼吸链（根据最初受氢体的不同分）：（一）NADH呼吸链（线粒体内），是细胞内最主要的呼吸链（二）FADH2呼吸链（又叫琥珀酸氧化呼吸链，线粒体内）,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,（一）NADH-Q还原酶（复合体1）由FMN+铁硫蛋白组成的黄素蛋白,功能：先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。,NADH-CoQ脱氢酶它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及CoQ的还原。NADHQ还原酶,850KD,由42条肽链构成。它的活性部分有含辅基FMN的黄素蛋白和铁硫蛋白。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CoQ。NADHQ还原酶NADH+CoQ+H+=NAD+CoQH2,NAD+、NADP+,氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间,FMN,Fe-S,铁硫聚簇有几种不同的类型，有的只含有一个铁原子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的含有4个铁原子4Fe-4S,铁硫蛋白类,泛醌（ubiquinone,Q）亦称辅酶QoenzymeQ,CoQ）,辅酶Q（CoQ）是脂溶性辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。,（二）琥珀酸-Q还原酶（复合体）,琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。,功能：将电子从琥珀酸传递给泛醌,琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸脱氢酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给CoQ。再将电子传递到Cyt.b。复合物II比NADH-Q还原酶的结构简单，140KD,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。琥珀酸脱氢酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和CoQ的还原。,（3）细胞色素还原酶（复合物）,2Cytb+Cytc1+（Fe-S）,细胞色素,细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。（有颜色）根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类分类:Cyta:Cytaa3Cytb:Cytb562、Cytb566、Cytb560Cytc:Cytc、c1,这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素存在于线粒体内膜，也存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3，Cytb（b560，b562，b566），Cytc，Cytc1；而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。,区别：铁卜啉辅基侧链不同铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同,复合物III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CoQH2的氧化和细胞色素c的还原。复合物III由11肽链组成，250KD.。活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。,QH2+2Cyt.c1(氧化型)+2H+(基质内)-Q+2Cyt.c1(还原型)+4H+,Q循环,细胞色素c（cytc）,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，.124KD,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，cytc通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用,将电子传递给细胞色素c氧化酶。,（4）Cytc氧化酶（复合物）,Cyta+Cyta3,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13个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。,（4）Cytc氧化酶（复合物）,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.aa3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。,NADH氧化呼吸链,NADH,复合体I,复合体II,Q,复合体,cytC,复合体,O2,FADH2氧化呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链）,FADH2,Q,复合体,cytC,复合体,O2,三、电子传递链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：,电子传递链,其他末端氧化酶系统是指除细胞色素系统之外的氧化体系，又称非线粒体氧化体系，与ATP生成无关。,1.微粒体氧化体系2.多酚氧化酶体系3.抗坏血酸氧化酶体系4.超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶体系,第三节非线粒体氧化体系,该体系在细胞微粒体中发生，不产生能量即与ATP合成无关，但具有重要生理功能。过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD），都是抗氧化酶（防衰老）酚类无颜色，氧化成醌（褐色），故土豆、苹果、梨等的切口处，放了一会儿变成褐色（酚类、胺类被氧化成醌）。,1、加双氧酶类（直接把氧加到底物分子上）：,一、微粒体氧化体系（加氧体系）,2、加单氧酶类（一个氧原子进入底物分子中，另一个氧原子还原成水），又称混合功能氧化酶。此酶并非一种单酶，而是一个酶体系。RH+NADPH2+O2ROH+NADP+H2O,例：NADPH-P450还原酶,二.过氧化体氧化体系,过氧化体也称过氧化物酶体(peroxisome),即微体（microbody）含过氧化氢酶和过氧化物酶。,1.过氧化氢的生成,黄嘌呤,尿酸,氨基酸氧化酶,2.过氧化氢的处理与利用,（1)过氧化氢酶,(2).过氧化物酶,酚类和胺类,三.植物细胞中的生物氧化体系,1.多酚氧化酶体系,组成：脱氢酶、醌还原酶、酚氧化酶,生物学意义：此酶与植物组织受伤反应有关，植物组织受伤后多酚氧化酶活力增高，呼吸作用增强；植物受病菌侵害时，多酚氧化酶活力也增高，有利于把酚类化合物氧化为醌，醌对病菌有毒害而起抗病作用。,2.VitC氧化酶体系,3.乙醇酸氧化酶体系,四、超氧化物歧化酶（SOD),自由能（G）是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为G=HTS意义：1)用其判断一个反应是否能发生；2)生物体用以作功的能为体内化学反应放出的自由能；3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。,一、生化反应中的自由能及自由能的变化,第四节生物氧化过程中能量的转移和利用,G与反应途径、反应机理无关。任何反应，当：G0反应可自发进行，为放能反应；G0反应不能自发进行，为吸能反应；G0体系处于平衡状态，反应可逆。,自由能和化学反应的关系,自由能变化（G）:ABG=GBGAG是衡量反应自发性的标准。,化学反应：AB自由能的变化：GG0RTlnB/AR-气体常数（8.315J/mol.K）T-热力学温度（绝对温度）标准自由能变化G0：标准状况下（pH=7时），产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/mol当反应达到平衡时：G0G0RTlnB/A=-2.303RTlgKG0的大小依赖于反应的平衡常数K每一化学反应有其特定的G0,自由能变化与反应平衡常数的关系,氧化还原电位：指氧化还原反应中，反应物得失电子的能力。用E表示。氧化还原反应指反应过程中凡是有电子从一物质（还原剂）转移到另一物质氧化剂）的化学反应都属于氧化还原反应。通常所说某一物质的氧化还原电位都是和标准氢电极比较得到的。参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对；每一氧还对转移电子的势能（即失去或获得电子趋势的高低）叫做氧化还原电位.标准氢电极是指在25C、一个大气压下，将铂电极放入氢离子活度为1质量摩尔浓度的溶液中（其pH=0）形成的。规定其电极电位E0为o。所以待测物质与标准氢电极组成的原电池的电动势即为该物质的标准氧化还原电位。标准状态下测得的为标准氧化还原电位E0；生化反应是在pH=7.0条件下进行的，故此时测得的氧化还原电位为生化氧化还原电位E0生化标准氧化还原电位（E0）：生化标准条件下（25C、一个大气压、pH=7.0、电子供体和电子受体的浓度都是1mol/L），发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。,二、氧化还原电位与自由能变化,一般E0值越小，表示该氧还对的还原态失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂。越处于呼吸链的前面E0值越大，表示该氧还对的氧化态得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂。越处于呼吸链的后面。在氧化还原反应中，电子总是从E0值较小的物质转移到E0值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂。,G0nFE0n=转移电子数F:法拉第常数（96.496kJ/V.mol),氧化还原电位与自由能的关系,对于一个氧化还原反应，通过氧化还原电位差即可计算出该反应自由能的变化。,丙酮酸NADHH乳酸NADNAD/NADH:E00.32V，丙酮酸/乳酸:E00.185VG0296.4960.185(0.32)25.1kJ/mol,第四节生物氧化过程中能量的转移和利用,三、高能磷酸键的生成机制一）.高能键与高能化合物高能键物理化学解释：当某一化学键断裂时，需要大量的能量的化学键，如P-O;O-O键。这里高能键式指含有这种化学键的化合物水解反应或基团转移反应所释放的能量大于或等于5Kcal/mol（20.9KJ/mol），这种键就称为高能键，用“”表示。高能化合物当某一化合物分解时所释放的能量大于或等于ATP水解成ADP时放出的能量（30.5kJ/mol7.3Kcal/mol)，则称此化合物为高能化合物。,磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型,高能化合物的类型,（1）磷氧键型（O-P:335kJ/mol),(A)酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,11.8千卡/摩尔,10.1千卡/摩尔,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,(B)焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ATP是生物体通用的能量货币。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。,ATP在能量转化中的作用,(C)烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,(2)氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,(3)硫酯键型,S-腺苷甲硫氨酸,(4)甲硫键型,1、呼吸链磷酸化（电子传递体系磷酸化）电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP这种方式生成的高能键最多，是生理活动所需能量的主要来源。,（一）氧化磷酸化作用（偶联磷酸化作用）,在代谢物的氧化过程中，物质的氧化作用与ADP磷酸化作用偶联生成ATP的过程（伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化）,二）.ATP生成方式,化学偶联假说（1953）认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。,.构象偶联假说（1964）认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。,2、氧化磷酸化的机制,化学渗透假说的要点是（Mitchell1961）：线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜是完整封闭的;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）。在膜的内侧与外侧产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；在膜内外势能差（pH和）的驱动下，膜外高能质子沿着F0F1-ATP酶特殊通道，跨膜返回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,化学渗透假说详细示意图,形成膜化学梯度H+浓度pH下降跨膜电位差能量储存H+顺电化学梯度回流ADPATPF1-F0复合体ATP合酶,能量,线粒体膜上的ATP合酶是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能；又可从质子动力获能，合成ATP。,（F1-F0复合体）ATP合酶F1-球状头部：柄：F0-埋于内膜底部,含催化ATP合成的活性中心调节质子流动及ATP合成的作用含质子通道,ATP合酶结构示意图,结构：由亲水部分F1（33亚基）和疏水部分F0（a1b2c912亚基）组成。,Mitchell,外侧,内侧,ATP合酶的工作机制,3个亚基构象不同O开放型；T紧密结合型；L疏松型,PaulBoyer提出：结合变化机制（2019年诺贝尔化学奖）,氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。,3、氧化磷酸化的偶联部位：P/O比值,在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。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1/2O2/H2O两个反应之间存在很大的电势差。(a)O2+2H+2e-H2OE0=+0.82V(b)NAD+H+2e-NADHE0=-0.32V将(a)减去(b)，即得(c)式：(c)O2+NADH+H+H2O+NAD+E0=+1.14VG=-nFE0=-2965001.14=-220kJ/mol,呼吸链中生成ATP的部位,NADH呼吸链,FADH呼吸链,实验测得:NADH的P/O2.5FADH2的P/O1.5,（二）、底物磷酸化：被氧化的底物上直接进行的磷酸化作用。,3-磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+