第六章 生物氧化2.ppt

第七章生物氧化 生物氧化概念生物氧化的特点生物氧化的本质及过程NADH和FADH2的彻底氧化 一 生物氧化概念有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能 呼吸作用 O2 CO2 H2O 细胞呼吸 微生物 ATP 二 生物氧化的特点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 氧化进行过程中 必然伴随生物还原反应的发生 在生物氧化中 碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的 氧化过程中脱下来的氢质子和电子 通常由各种载体 如NADH等传递到氧并生成水 4 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 5 生物氧化是一个分步进行的过程 每一步都由特殊的酶催化 每一步反应的产物都可以分离出来 这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量 提高能量利用率 1概念及位置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 三 呼吸链respiratorychain 电子传递链electrontransportchain NADH呼吸链 H2O O2 FMN FMNH2 CoQH2 CoQ NAD NADH H 2Fe2 2Fe3 细胞色素b c c1 aa3 2H 2 组成 呼吸链中电子传递时自由能的下降 FADH2 2e NADH 各组分在链上的位置次序与其得失电子趋势的强度有关 电子总是从低氧化还原电位向高的电位上流动的 氧化还原电位E o的数值愈低 即供电子的倾向愈大 愈易成为还原剂 而处在呼吸链的前面 标准氧化还原电位Eo在pH7 0时用E o表示 因此按呼吸链中各组分的E o而决定其顺序与方向 NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化 总反应 NADH H 1 2O2 NAD H2O G nF E 2 96 5 0 82 0 32 220 07千焦 mol 1 NADH 还原型它是由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 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NADH Q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 铁硫蛋白 简写为NADH Q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 NADH Q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 NADH Q还原酶NADH Q H NAD QH2 NADH 泛醌还原酶 NADH 泛醌还原酶 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 泛醌 泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌 再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌 后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌 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 泛醌 细胞色素c还原酶 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 细胞色素 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 细胞色素c cyt c 简写为cytC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 细胞色素氧化酶 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 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 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 琥珀酸 Q还原酶 3 作用呼吸链的作用是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 在生物氧化过程中 氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生 偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应 这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联 称为氧化磷酸化作用 根据生物氧化方式 可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化 3 氧化磷酸化oxidatirephosphorylation 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 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 研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P O比值和电化学实验 P O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数 根据所消耗的无机磷酸摩尔数 可间接测出ATP生成量 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 1 ATP产生的数量 线粒体离体实验测得的一些底物的P O比值 ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方 例如 NADH呼吸链生成ATP的三个部位是 E0 值在此三个部位有大的 跳动 都在0 2伏以上 2 ATP产生的部位 氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚 目前主要有三个学说 化学耦联学说 结构耦联学说与化学渗透学说 化学渗透学说的主要论点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 以此储存能量当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 3 ATP产生的机理 电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路 每个回路均有质子泵的作用 首先由NADH提供1个H 和2个e 加上线粒体基质内1个H 使FMN还原成FMNH2 FMNH2向内膜胞液侧释出2个H 将2个e还原铁硫簇 Fe S 第二个回路开始时Fe S放出2个e重新被氧化 将2个e加上基质内的2个H 传递给泛醌 使泛醌还原成QH2 QH2移至内膜胞液侧释出2个H 而将2个e交给Cytb Cytb是跨膜蛋白 1条多肽链上结合2个辅基 b566和b562 还原型Cytb将2个e交还给泛醌 加上基质内的2个H 又使泛醌还原成QH2 QH2将2个H 从胞液侧释出 2个e依次通过Fe S C1 C a a3传递给氧 并与基质内的2个H 生成H2O 线粒体ATP酶 该酶主要由F0 疏水部分 和F1 亲水部分 组成 F1主要由 3 3 亚基组成 其功能是催化生成ATP 催化部位在 亚基中 但 亚基必须与 亚基结合才有活性 F0是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道 当H 顺浓度递度经F0回流时 F1催化ADP和Pi 生成并释放ATP 此外 在F0和F1之间的柄部还有其他亚基存在 其中一个称之为寡霉素敏感蛋白 oligomycin sensitivity conferringprotein OSCP 使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP 抑制剂电子传递链抑制ATP合成 4 氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂 电子传递抑制剂 NADH FMN CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 Fe S FMN Fe S 琥珀酸 复合物II 复合物IV 复合物I 复合物III 使电子不能传给氧 因此此类抑制剂可使细胞内呼吸停止 与此相关的细胞生命活动停止 引起机体迅速死亡 解偶联剂 uncouplers 2 4 二硝基苯酚 2 4 dinitrophenolDNP 其基本作用机制是使呼吸链传递电子过程中泵出的H 不经ATP合酶的F0质子通道回流 而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基质 从而破坏了内膜两侧的电化学梯度 使ATP的生成受到抑制 由电化学梯度储存的能量以热能形式释放 离子载体抑制剂 一类脂溶性物质 位于脂双层中 能结合质子之外的其他一价阳离子 K Na 等 从而破坏膜两侧的电位梯度 最终破坏氧化磷酸化 氧化磷酸化抑制剂 这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用 例如 寡霉素 oligomycin 可与ATP合酶F1和F0之间柄部的寡霉