第五章生物氧化.ppt

Biologicaloxidation 第五章生物氧化 第一节概述 1 生物能力学 了解 2 生物氧化的涵义及特点 第二节呼吸链 1 概念及组成成分 2 种类 3 电子传递顺序 4 四个复合物 第三节氧化磷酸化 1 概念及产生机理 2 抑制剂和解偶联剂 第一节概述 维持生命活动的能量 主要有两个来源 光能 太阳能 植物和某些藻类 通过光合作用将光能转变成生物能 化学能 动物和大多数的微生物 通过生物氧化作用将有机物质 主要是各种光合作用产物 存储的化学能释放出来 并转变成生物能 生物能力学 在一定的温度 压力下 G H T S G 0反应自发进行 G 0反应须从外界吸收能量才能进行 G 0反应达到平衡 G与反应途径和反应机理无关 E0 氧化还原电位差 G nF E0 故只有当 E0 0时反应才能自发进行 E0 标准氧化还原电位 E0 值越小 及电负性越大 供出电子的能力倾向越大 即还原能力越强 相反则氧化能力越强 E0 E0 电子受体 E0 电子供体 自发 生物氧化通常需要消耗氧 所以又称为呼吸作用 实质上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应 1 生物氧化的涵义 一 生物氧化的涵义及特点 糖 脂 蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解最终产生CO2和H2O并放出能的作用称为生物氧化 2 生物氧化的特点 1 化学本质上与体外氧化一样 2 在细胞内进行 体温 常压 pH近中性 多水环境 3 在酶催化下进行 需要辅因子 中间传递体 4 氧化反应分阶段进行 能量逐步释放 不会因为体温的突然升高而伤害机体 又可以使放出的能量得到最有效的利用 5 生物氧化释放的能量一般以高能磷酸形式贮存 如ATP 如通过与ATP合成相耦联 转换成生物体能够直接利用的生物能ATP 生物氧化与体外燃烧的异同 3 生物氧化的三阶段 第一阶段 多糖 脂 蛋白质等分解为构造单位 单糖 甘油与脂肪酸 氨基酸 该阶段几乎不释放化学能 酶催化作用下降解 如淀粉酶水解淀粉 蛋白质水解成氨基酸等 第二阶段 构造单位 葡萄糖 脂肪酸 氨基酸等 经糖酵解 脂肪酸 氧化 氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸 乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物 这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用 该阶段释放少量的能量 第三阶段 丙酮酸 乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2 H2O 释放大量的能量 脂肪 葡萄糖 其它单糖 三羧酸循环 电子传递 氧化 蛋白质 脂肪酸 甘油 多糖 氨基酸 乙酰CoA e 磷酸化 Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物 如丙酮酸 乙酰CoA等 共同中间物进入三羧酸循环 氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O 释放出大量能量 其中一部分通过磷酸化储存在ATP中 大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段 生物氧化的终产物是CO2和H2O CO2的形成是通过三羧酸循环过程 H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成 二 生物氧化的主要方式 脱氢 主要方式 加氧 失电子 生物氧化根据最终受氢体是否是分子氧 可分为两种方式 1 有氧氧化 以分子氧为最终受氢体 是生物氧化的最主要的方式 结果是将底物氧化成CO2和H2O 2 无氧氧化 以有机物为最终受氢体 1 生物氧化中H2O的生成 电子传递过程形成 代谢物脱下的氢与吸入的氧结合形成水 1 脱氢氧化反应 在生物氧化中 脱氢反应占有重要地位 它是许多有机物质生物氧化的重要步骤 催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶 烷基脂肪酸脱氢 琥珀酸脱氢酶 2 加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应 2H 2e R C O H O 酶 R C O H H O H H 2 O R C O H 2 生物氧化中CO2的生成 三羧酸循环中生成 1 直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在特殊脱羧酶的催化下 直接从分子中脱去羧基 例如丙酮酸的脱羧 2 氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸 主要是酮酸 在氧化脱羧酶系的催化下 在脱羧的同时 伴随着氧化 脱氢 作用 例如苹果酸的氧化脱羧 三 高能 磷酸 化合物 1 高能化合物一般将水解时能够释放21kJ mol 5千卡 mol 以上自由能 G 21kJ mol 的化合物称为高能化合物 大多数高能化合物都含有磷酸基团 故又称高能磷酸化合物 2 特点 对酸 碱 热不稳定 3 ATP是生物能存在的主要形式ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物 ATP不仅潜能高 而且能够被生物细胞直接利用的能量形式 并直接参与细胞中各种代谢反应的能量转移 4 根据生物体内高能化合物的类型可以把他们分成以下几种 如 合成生物大分子 代谢反应 物质运输和分泌 肌肉收缩和运动 信息传递 维持体温等 重要内容 第二节线粒体氧化体系 呼吸链 电子传递链或电子传递体系 由 被氧化的 代谢物 供氢体 传递体 受氢体以及相应的酶催化系统组成的代谢途径一般称为生物氧化还原链 当受氢体是氧时 称为呼吸链 生物氧化还原链包含 呼吸链 微粒体氧化体系 过氧化物酶氧化体系 抗坏血酸氧化体系和多酚氧化酶体系 inplants 一 呼吸链的概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后 经过一系列的电子传递体 最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫做呼吸链 在真核生物细胞内 它位于线粒体内膜上 故又叫线粒体氧化呼吸链 原核生物中 它位于细胞膜上 二 呼吸链的组成成分 componentsofrespiratorychain 1 位置 Intracellularsite 2 电子传递链包括的成分 递氢体或递电子体 1 烟酰胺脱氢酶类 辅酶为NAD NADP 黄素蛋白 FP1 琥珀酸脱氢酶等 FP2 脱氢酶辅酶的脱氢酶 辅酶为FAD 辅酶为FMN 2 黄素蛋白类 辅基FMN FAD 铁硫蛋白 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 一次可传递一个电子 铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心 在呼吸链中铁硫蛋白与黄素蛋白或细胞色素b形成复合体存在 单个电子的传递体 辅酶Q 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 氧化态 还原态 5 细胞色素蛋白 细胞色素蛋白 cytochromes 以血红素 含铁卟啉 为辅基的色素蛋白 是单个电子的传递体 种类 b c1 c aa35种cyt均含铁 cyta3还含Cu2 除cytc外 均与线粒体 mitochondrion 紧密结合 依靠细胞色素分子中铁离子化合价的变化传递电子 形成2个酶 CoQH2 cytc还原酶 含cytb FeS cytc1 作用 催化电子由CoQH2传递给cytc Cytc氧化酶 含cytaa3 作用 将电子由cytc传递给cytaa3 目前尚不能将a a3分开 在aa3分子中除铁原子外 还有两个铜原子 依靠其化合价的变化将电子从a3传给氧 在典型的线粒体呼吸链中 其顺序为 三 呼吸链的种类 在具有线粒体的生物中 根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同 分成两种典型的呼吸链 1 NADH呼吸链NADH H respiratorychain2 FADH2呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 FADH2respiratorychain 其中NADH呼吸链应用最广泛 糖类 蛋白质 脂肪三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过NADH呼吸链来完成的 NADH呼吸链 FADH2呼吸链 四 呼吸链的传递顺序 Sequencesoftransportersinrespiratorychain 1 依据 各传递体的Eo 复合体组成 链阻断试验 1 根据递氢体 递电子体的标准氧化还原电位 E0 的大小 E0 越小 给出电子的倾向越大 在呼吸链中的位置越是远离氧 E0 越大 接受电子的倾向越大 在呼吸链中越接近氧 体外将呼吸链拆开和重组可鉴定呼吸链四种复合体的组成和排列顺序 利用呼吸链特异抑制剂部分阻断电子传递 利用呼吸链各组分特有的吸收光谱 离体线粒体 无氧而有过量底物 还原状态 缓慢给氧 观察各组分被氧化的顺序 呼吸链各组分特有的吸收光谱NAD 260nmNADH340nm氧化型FP370和450nm还原型370nm氧化型cyt消失还原型cyt各有特殊吸收光谱 以3 磷酸甘油醛氧化成1 3 二磷酸甘油酸为例 1 脱氢 2 NADH被黄酶氧化 2 电子传递顺序 3 还原型黄酶 FP H2 释放出两个电子经铁 硫蛋白传递 传递给辅酶Q 4 辅酶Q接受铁 硫蛋白传递来的2个电子 吸收线粒体基质中的2个质子 H 成为还原型辅酶Q QH2 5 辅酶Q H2被细胞色素氧化 还原型辅酶Q H2被氧化型细胞色素氧化过程 QH2将电子传递给氧化型细胞色素b 使之成为还原型细胞色素b H 质子留在基质中 还原型细胞色素b将电子传递给铁 硫中心 再传递给细胞色素c和细胞色素aa3 细胞色素氧化酶 细胞色素c氧化酶 五 呼吸链中的4个复合物 ComplexII ComplexIIIComplexIV ComplexI S NADH FMN FeS CoQ Succinate FAD FeS cytb FeS cytc1 cytc cytaa3O2 Cu 2H H2O 1 复合体 NADH 辅酶Q还原酶 1 NADH脱氢酶 FMN氧化型黄素单核苷酸 2 辅基 FMNH23 2个 Fe S FMNH2还原型黄素单核苷酸 4 CoQ NADH H NAD 电子受体 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一 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中的电子通过向铁硫中心传递转移给辅酶Q 辅酶Q在接受电子的同时还从基质中吸取两个H 形成还原型辅酶Q CoQH2 复合物I的电子传递顺序 2 复合体 琥珀酸 泛醌还原酶 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 cytc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 复合体III 辅酶Q 细胞色素还原酶 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 2cyt c Fe3 Q 2cyt 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 细胞色素c cyt c 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 通过Fe3 Fe2 的互变起电子传递中间体作用 细胞色素 蛋白 a a3 b c c1共性 以卟啉铁为辅基 a类中的卟啉环 c类 b中的卟啉环 功能 电子传递体Fe3 eFe2 复合体IV 细胞色素c氧化酶 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 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 第三节氧化磷酸化oxidatirephosphorylation 生物体内的ATP是高能化合物 由ADP磷酸化生成 这种伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化称为 氧化磷酸化 即代谢物上的氧化 脱氢 作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程叫做 氧化磷酸化 一 氧化磷酸化概念及分类 根据生物氧化方式的不同将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化 通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化 底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用 即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 也即是直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键 琥珀酸 CoA GTP 底物水平磷酸化仅见于下列三个反应 1 3 二磷酸甘油酸 ADP 3 磷酸甘油酸 ATP PEP ATP 烯醇式丙酮酸 ADP 琥珀酰CoA H3PO4 GDP 琥珀酰硫激酶 丙酮酸激酶 电子传递体系磷酸化是指当电子从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的全过程 通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化 二 电子传递和ATP生成 1940年 OchoaS等测定呼吸过程中O2消耗和ATP生成的关系 利用放射性同位素标记 根据所消耗的无机磷酸摩尔数 可间接测出ATP生成量 实验证明 每消耗1分子的O2约生成3分子的ATP P O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数 1 实验证据 P O值 实验指明NADH呼吸链的P O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 O值是2 即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP P O值也可以看作当一对电子由呼吸链传送至氧的过程中释放ATP的分子数 合成1molATP时 需要提供的能量至少 G0 30 5kJ mol 2 ATP合成部位 G0 71 5kJ mol G0 38 5kJ mol G0 110kJ mol ATP是由位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化ADP与Pi合成的 ATP合成酶是一个大的膜蛋白质复合体 分子量在48000kD 是由两个主要组成 或称因子 构成 一是疏水的F0 另一是亲水的F1 又称F0F1复合体 3 ATP合成的结构基础 ATP酶复合体 三 氧化磷酸化产生机理MechanismofOxidativephosphorylation 1 化学渗透学说2 化学偶联学说 高能中间产物 3 构象偶联学说 高能中间构像 呼吸链存在于线粒体内膜之上 当氧化进行时 呼吸链起质子泵作用 质子被泵出线粒体内膜之外侧 造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差 后者被膜上ATP合成酶所利用 使ADP与Pi合成ATP 化学渗透学说 因提出氧化磷酸化偶联机制 化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterDMitchell 4H 4H 4H 2H 2H 4H 4H 4H 根据最新测定 H 经NADH Q还原酶 细胞色素C还原酶和细胞色素C氧化酶从线粒体基质泵出到膜外的细胞溶胶测时 一对电子泵出的质子数依次为4 2 4 合成一个ATP分子需要消耗3个H 将ATP泵出膜外可能消耗一个H 故一对电子经NADH呼吸链产生2 5个ATP FADH2呼吸链产生1 5个ATP 化学渗透假说的要点 1 呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布 递氢体与递电子体是间隔交替排列的 催化反应是定向的 2 在电子 氢的传递中 复合物起着质子泵的作用 将H 从内膜内侧基质泵向内膜外侧 将 2e 电子传给其后的电子传递体 3 线粒体内膜对H 不透性形成质子浓度梯度 跨膜质子电化学梯度 使内膜内负外正 这种质子电化学梯度是推动ATP合成的原动力 内膜两侧产生 H 差 电位梯度 差 强大的质子流通过镶嵌在线粒体内膜上的F0F1ATP合成酶 三联体 进入基质时释放的自由能推动ATP合成 最新研究结果 H 经NADH Q还原酶 细胞色素C还原酶和细胞色素C氧化酶从线粒体基质泵出到膜外的细胞溶胶测时 一对电子泵出的质子数依次为4 2 4 合成一个ATP分子需要消耗3个H 将ATP泵出膜外可能消耗一个H 故一对电子经NADH呼吸链产生2 5个ATP FADH2呼吸链产生1 5个ATP 四 氧化磷酸化的抑制和解偶联 A 解偶联剂只抑制或破坏ATP生成 但不抑制电子传递过程 即泵出的H 经解偶联剂带回内侧 而不经ATP合成酶 无ATP形成 能量以热能形式散失 如 DNP 2 4二硝基 苯 酚 可作氢的载体 使H 返回内膜 电子传递可进行 但无ATP生成 即解偶联 B 呼吸链磷酸化的抑制剂直接抑制ATP生成 间接抑制电子传递 第一位点 第二位点 第三位点 抑制位点 抑制剂 安密妥杀粉蝶菌素鱼藤酮 抗霉素A二巯基丙醇 CN 和N3 阻断氧化型Cytaa3 Fe3 CO和H2S阻断还原型Cytaa3 Fe2 对身体危害极大 常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位 1 鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素 其作用是阻断电子在NADH Q还原酶内的传递 所以抑制了电子由NADH向CoQ的传递 2 抗霉素A 干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递 所以抑制电子由QH2向cytC1的传递 3 氰化物 CN 硫化氢 H2S 叠氮化物 N3 一氧化碳 CO 等 其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递 即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递 五 胞浆中NADH的转移 有不少