生物氧化0.ppt

6生物氧化 Biologicaloxidation 6 1生物氧化概述6 2电子传递链 呼吸链 6 3氧化磷酸化6 4其它末端氧化系统 6 1生物氧化概述6 1 1生物氧化的概念6 1 1 1生物氧化的主要内容生物氧化 biologicaloxidation 是生物细胞将糖 脂和蛋白质等有机物进行氧化分解 最终生成CO2和H2O并释放能量的过程 也称为细胞呼吸 cellularrespiration 代谢物在体内的氧化可以分为3个阶段 糖 脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基 乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢 生成CO2并使NAD和FAD还原成NADH FADH2 NADH和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水 氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成 6 1 1 2生物氧化的特点 生物氧化中底物是在酶的催化下 经一系列连续的化学反应逐步氧化分解的 氧化过程产生的能量也是逐步释放的 生物氧化产生的能量部分可转变成生命活动能够利用的形式 即合成ATP 不是全以热的形式释放 生物氧化是在常温 常压 近中性pH的环境中进行 在真核细胞内 生物氧化主要是在线粒体中进行 原核细胞内生物氧化是在细胞质膜上进行 6 1 1 3生物氧化中CO2和H2O的生成 CO2的生成代谢底物在酶的作用下经一系列脱氢 加水等反应 转变为含羧基的化合物 经脱羧反应生成CO2 H2O的生成生物氧化中底物脱下的氢经过传递体的传递与氧结合生成水 6 1 2高能磷酸化合物生物氧化释放的能量一般先贮藏在高能化合物中 机体用于做功的能量来自高能化合物水解反应 这样 高能化合物就成为放能反应与吸能反应之间的能量传递者 高能化合物中含有高能键 高能键是指具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酯键 高能键是不稳定的键 ATP是最重要的高能化合物 6 1 3ATP的结构及其在能量转换中的作用1作为能量货币 2作为磷酸基团转移反应的中间载体 6 2呼吸链 电子传递链 6 2 1线粒体线粒线体外膜平滑 内膜是能量转换的重要部位 电子传递链和氧化磷酸化有关的组分都存在于此 原核细胞没有线粒体结构 它的部分质膜起着这种作用 内膜约含80 的蛋白质 包括电子传递链和氧化磷酸化的有关组分 是线粒体功能的主要担负者 线粒体的内腔充满半流动的基质 衬质 其中包含大量的酶类以及线粒体DNA和核糖体 线粒体基质酶类包括TCA酶类 脂肪酸 氧化酶类和氨基酸分解代谢酶类 线粒体内膜的内表面有一层排列规则的球形颗粒 通过一个细柄与构成嵴的内膜相连接 这就是ATP合酶 偶联因子F1 F0 6 2 2电子传递链 electrontransferchain ETC 电子传递链 呼吸链respiratorychain 是一系列电子载体按氧化还原电位梯度排列的电子传递系统 它将代谢物脱下的电子传递给氧生成水 同时有ATP生成 6 2 2 1电子传递链的组成电子传递链的组分包括递氢体 hydrogentransfer 和递电子体 eletrontransfer 递氢体和递电子体是传递氢原子或电子的载体 递氢体和递电子体的本质是酶 辅酶 辅基或辅因子 黄素蛋白 flavoproteins 与电子传递链有关的黄素蛋白有两种 分别以FMN和FAD为辅基 FAD FMN分子可进行可逆的脱氢加氢反应 氧化型黄素辅基从NADH接受两个电子和一个质子 或从底物 如琥珀酸 接受两个电子和两个质子而还原 NADH H FMN NAD FMNH2琥珀酸 FAD 延胡索酸 FADH2 很多黄素蛋白参与呼吸链组成 与电子转移有关 如NADH脱氢酶以FMN为辅基 是呼吸链的组分之一 介于NADH与其它电子传递体之间 琥珀酸脱氢酶 线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为FAD 它们可直接从作用物转移H e到呼吸链 脂肪酰CoA脱氢酶 FAD为辅基 与琥珀酸脱氢酶相似 也能将氢从作用物传递进入呼吸链 铁硫蛋白 ironsulfurproteins Fe S 是含铁硫络合物的蛋白质 又称非血红素铁蛋白 或铁硫中心 其特点是含铁原子 铁与无机S原子或与肽链上Cys残基的硫结合 铁硫蛋白在氧化态时两个铁均为Fe3 在还原态时变为Fe2 由于铁的氧化 还原而达到传递电子作用 泛醌 ubiquinone UQ或Q 也称辅酶Q coenzymeQ 为一脂溶性苯醌 带有一很长的脂肪族侧链 易结合到膜上或与膜脂混溶 UQ由多个异戊二烯单位构成 不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同 在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二烯单位组成 UQ的功能基团是苯醌 泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌 再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌 后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌 细胞色素体系 1926年Keilin首次使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动时 发现有特殊的吸收光谱 因此把细胞内的吸光物质定名为细胞色素 细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色素蛋白 属于递电子体 线粒体内膜中有细胞色素b c1 c aa3 细胞色素c为一外周蛋白 位于线粒体内膜的外侧 细胞色素C比较容易分离提纯 细胞色素aa3可将电子直接传递给氧 因此又称为细胞色素氧化酶 细胞色素a和a3不易分开 统称为细胞色素aa3 和细胞色素P450 b c1 c不同 细胞色素aa3的辅基不是血红素 而是血红素A 细胞色素aa3可将电子直接传递给氧 因此又称为细胞色素氧化酶 电子传递链组分除泛醌和细胞色素c外 其余组分实际上形成嵌入内膜的结构化超分子复合物 用毛地黄皂苷 胆酸盐等去垢剂处理分离的线粒体时 可溶解外膜 并将内膜分裂成四种仍保存部分电子传递活性的复合物 复合物I NADH脱氢酶 相对分子质量约70万 90万 含有25种不同的蛋白质 包括以FMN为辅基的黄素蛋白和多种铁硫蛋白 催化电子从NADH转移到泛醌 复合物 琥珀酸脱氢酶 相对分子质量约14万 含有4 5种不同的蛋白质 包括以FAD为辅基的黄素蛋白 铁硫蛋白和细胞色素b560 催化电子从琥珀酸传递到泛醌 复合物 细胞色素bc1复合体 相对分子质量约25万 含有9 10种不同的蛋白质 包括细胞色素b cl和铁硫蛋白 催化电子从还原型泛醌转移到细胞色素c 复合物 细胞色素氧化酶 相对分子质量约16万 17万 哺乳动物线粒体细胞色素氧化酶至少含有13种不同的蛋白质 包括细胞色素aa3和含铜蛋白 催化电子从还原型细胞色素c传递给分子氧 6 2 2 2呼吸链中各种传递体的排列顺序 呼吸链中各种组分的排列顺序是由低氧化还原电位依次向高电位排列 即由电负性大的传递体向得电子能力强的电负性小的传递体 Fourmulti proteinComplexes I II III andIV TwomobileElectroncarriers I II III IV 6 2 3电子传递抑制剂电子传递抑制剂能够在呼吸链某一特定部位阻断电子传递 鱼藤酮 rotenone 鱼藤酮是一种极毒的植物毒素 用作杀虫剂 它抑制复合物 阻断电子由NADH CoQ的传递 但不影响FADH2 CoQ的氢传递 安密妥 amytal 杀粉蝶菌素A piericidinA 等与鱼藤酮作用位点相同 抗霉素A antimycinA 抗霉素A是从灰色链球菌分离出的一种抗菌素 抑制复合物 的电子传递作用 氰化物 叠氮化物 CO和H2S这些抑制剂均阻断细胞色素aa3至O2的电子传递 其中CN 和N3 与氧化型Cytaa3 Fe3 有高度亲和力 CO则与还原型Cytaa3 Fe2 形成复合物 6 3氧化磷酸化6 3 1氧化磷酸化的概念及类型生物体内通过生物氧化合成ATP的方式有底物水平磷酸化和氧化磷酸化 底物水平磷酸化 substratelevelphospharylation 底物分子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成ATP 这个过程称为底物水平磷酸化 氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 氧化磷酸化是需氧生物合成ATP的主要途径 电子从NADH或FADH2经电子传递链传递到分子氧形成水 同时偶联ADP磷酸化生成ATP 称为电子传递偶联的磷酸化或氧化磷酸化 6 3 2氧化磷酸化与电子传递的偶联6 3 2 1P O值测定P O是指每消耗一个氧原子 或每对电子通过呼吸链传递至氧 所产生的ATP分子数 NADH经呼吸链完全氧化时测得的P O比值为3 FADH2完全氧化时测得的P O比值为2 在一密闭的容器中加入氧化的底物 ADP Pi 氧饱和的缓冲液 再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行 反应终了时测定O2消耗量 可用氧电极法 和Pi消耗量 或ATP生成量 就可以计算出P O值了 通常测得的P O值为小数 由于线粒体的偶联作用在离体条件下不能完全发挥 可认为实际的ATP生成数是它们所接近的整数值 6 3 2 2呼吸链中电子传递和磷酸化的偶联部位 6 3 3氧化磷酸化的机理50年代Slater及Lehninger提出了化学偶联学说 但都缺乏实验依据 而多数人支持英国生化学家P Mitchell于1961年提出的化学渗透学说 chemiosmotichypothesis 1966年完善了这一学说 因此而获得1978年的诺贝尔化学奖 6 3 3 1线粒体偶联因子F1 F0 ATP合酶 ATP是由位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化合成的 ATP合酶可利用电子传递的高能状态将ADP和Pi合成为ATP 在电镜下可见到线粒体内膜基质侧有许多的球状颗粒化偶联因子 即ATP合酶系统 ATP合酶是一个膜蛋白质复合体 主要由疏水的F0和亲水的F1组成 又称F1 F0 ATPase复合物或ATP合酶 F1是它的球形头部 伸入到线粒体基质中 由五种亚基组成 3 3 是合成ATP的催化部分 F0横贯线粒体内膜 主要构成质子通道 由十多种亚基组成 位于F1与F0之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白 OSCP 参与调控F1 F0的功能 6 3 3 2化学渗透学说 chemiosmotichypothesis 化学渗透学说认为在电子传递与ATP合成之间起偶联作用的是质子电化学梯度 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 递氢体和电子传递体是间隔交替排列的 催化反应是定向的 即在传递电子过程中释放的能量不断将线粒体基质内的H 逆浓度梯度泵出线粒体内膜 电子传递过程中复合物I 和 中的递氢体起质子泵的作用 将H 从线粒体内膜基质侧定向地泵至内膜外侧空间 而将电子 2e 传给其后的电子传递体 线粒体内膜对质子透性很低 使泵到内膜外侧的H 积累 造成线粒体内膜两侧的质子梯度 即跨膜电位 由于线粒体内膜两侧H 浓度不同 在内膜两侧形成跨膜电位 底物氧化过程中释放的自由能就储存于跨膜电位中 这种跨膜的质子电化学梯度就是推动ATP合成的动力 称为质子推动力 当有足够高的跨膜质子电化学梯度时 强大的H 流通过F1 F0 ATPase进入线粒体基质时 释放的能量推动ATP合成 因此 化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是H 的跨膜梯度 每对H 通过F1 F0 ATPase回到线粒体基质中可以生成1分子ATP 以NADH作底物 生成3分子ATP 以FADH2为底物 其电子沿琥珀酸氧化呼吸链传递给氧 所以生成2个ATP分子 6 3 3 3氧化磷酸化的重建E Racker等用重组实验证明了氧化磷酸化的偶联机制 用超声波处理线粒体制备亚线粒体泡 使原来朝向基质一侧的内膜翻转朝外 但仍保留了进行氧化磷酸化的功能 膜囊泡保留了传递电子的功能但不能使ADP磷酸化 若将可溶性的F1再加回到只有F0的膜囊泡中 氧化磷酸化作用又行恢复 氧化磷酸化重建实验证明了呼吸链和F1 F0 ATPase的结构与作用机理 6 3 3 4ATP酶的旋转催化理论化学渗透学说并没有解决ATP合酶如何利用质子推动力催化ADP与Pi形成ATP 美国人Boyer P D 发现ATP合酶上ADP Pi生成ATP无须消耗能量 而从酶上将ATP释放出来要消耗能量 因此于1964年提出 构象偶联假说 经过20多年的充实修正 创立了 旋转催化 模型 得到许多实验证据的有力支持 基本上阐明了ATP合酶的催化机制 Walker研究了ATP头部的精细结构 支持了Boyer的模型 二人因此获得1997年诺贝尔化学奖 旋转催化 认为 F1 F0 ATPase头部 3 3构成3个催化部位 中部的 亚基在质子推动力驱动下相对于 3 3作旋转运动 由于3个 亚基与 亚基的不对称接触 从而使其分别处于不同的状态 即无核苷酸结合的空置状态 O 结合ADP Pi的松散结合状态 L 和结合ATP的紧密结合状态 T 当质子推动力驱使H 经F0质子通道进入时 F0组分质子化而发生构象改变 积累足够的扭矩力推动 相对于 3 3旋转120 使处于T态的催化部位释放ATP变为O态 同时L态催化部位上生成ATP变为T态 O态结合ADP Pi变为L态 质子流通过F0引起亚基 寡聚体和 亚基一起转动 这种旋转配置 亚基之间的不对称的相互作用 引起催化位点性质的转变 亚基的中心 螺旋是转子 亚基I和 与 亚基合在一起组成定子 它压住 异质六聚体 b ATP b ADP b empty Thebinding changeModelproposedbyPaulBoyer g g g 6 3 3 5腺苷酸的转运氧化磷酸化进行的条件是有氧 ADP 底物和电子传递 通常细胞中有足够的Pi 因此ADP通常就成为控制细胞氧化磷酸化的限制因素 细胞内的ATP主要在线粒体内生成 ATP在线粒体外被利用后又变为ADP 由于ADP和ATP都不能自由地穿过线粒体内膜 因而必须有一种机制将线粒体外的ADP运入 同时把ATP运到线粒体外 线粒体内膜上的腺苷酸载体进行ADP ATP的双向运输 又称ADP ATP交换体 ADP ATP交换体是高度选择性的传递蛋白 以二聚体的形式嵌入内膜 在跨膜电位 外正 内负 的推动下把ADP运入基质 同时将ATP运到膜外侧 腺苷酸载体二聚体只有一个腺苷酸结合位点 面向膜外侧时结合位点对ADP有高亲和力 对苍术苷的抑制敏感 面向膜内侧的位点对ATP有高亲和力 对米酵霉酸的抑制敏感 Theproton motiveforceisusedforactivetransportthroughtheinnermembraneofthemitochondria 6 3 4氧化磷酸化的解偶联和抑制在研究氧化磷酸化中间步骤时 可利用某些物质将氧化磷酸化过程分解成若干个反应阶段 根据这些物质的作用方式不同分为3类 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂 6 3 4 1解偶联剂 uncoupler 解偶联剂可使电子传递与ADP磷酸化两个过程分离 它只抑制ATP的形成过程 而不抑制电子传递过程 使电子传递所产生的自由能以热的形式耗散 解偶联剂使电子传递失去正常的控制 造成过分的氧和底物消耗 而能量却得不到贮存 解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H 的通透性 消除H 的跨膜梯度 因而无ATP生成 2 4 二硝基苯酚 dinitrophenol DNP 在pH7的环境中以解离形式存在 不能透过线粒体膜 在酸性环境中 解离的DNP质子化 变为脂溶性的非解离形式 因而容易透过膜 同时将一个质子从膜外侧带入膜内 这样就破坏了电子传递形成的跨膜的质子电化学梯度 抑制了ATP的形成 解偶联剂只抑制电子传递链磷酸化 不影响底物水平磷酸化 6 3 4 2氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂同时抑制氧的吸收利用和ATP的形成 却不直接抑制电子传递链上载体的作用 这种抑制剂的作用方式是直接干扰ATP的生成过程 即干扰由电子传递的高能状态形成ATP的过程 结果也使电子传递不能进行 寡霉素 oligomycin 可与F1的OSCP结合 阻塞氢离子通道 从而抑制ATP合成 二环己基碳二亚胺 dicyclohexylcarbodiimide DCC 可与F0的DCC结合蛋白结合 阻断H 通道 抑制ATP合成 栎皮酮 quercetin 直接抑制ATP合成酶 6 3 4 3离子载体抑制剂 ionophore 离子载体抑制剂是一类脂溶性物质 能插入线粒体内膜的脂双层 又能与某些离子相结合 并作为离子的载体使这些离子能够穿过膜 它们与解偶联剂的区别在于所结合的是质子以外的其他一价阳离子 例如缬氨霉素结合K 短杆菌肽可使K Na 及其他一些一价阳离子穿过膜 而解偶联剂2 4 二硝基苯酚则是一种质子载体 离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性 从而破坏了膜两侧的电势梯度 最终破坏了氧化磷酸化 6 3 5能荷 energycharge 生物体不断合成ATP 也不断消耗利用ATP ATP ADP AMP在某一时间的相对数量控制着细胞的代谢活动 为了从量上表示细胞内ATP ADP AMP的存在状况 Atkinson 1968 提出了能荷的概念 能荷是在总的腺苷酸系统中 即ATP ADP和AMP浓度之和 所负荷的高能磷酸基数量 能荷的大小决定于ATP和ADP的多少 当细胞内全部腺苷酸均以ATP形式存在时 能荷最大 能荷值为1 0 全以AMP形式存在时 能荷值为零 当全以ADP形式存在时 能荷值为0 5 由于AMP激酶催化两分子ADP转化为1分子ATP和1分子AMP 所以 ADP只相当于0 5ATP 三者并存时 能荷随三者的比例而变化 范围为0 1 0 通常细胞内处于0 8的能荷状况 在某些条件下 能荷值可作为细胞产能和需能代谢过程间变构调节的信号 能荷高时 抑制生物体内ATP的生成 但促进ATP的利用 能荷低时 生成ATP的速率高 生物可以通过有机物的分解代谢产生能量 当能荷增高时 生成ATP的速率下降 即分解代谢减弱 说明生物体内ATP的利用和形成可以自我调节与控制 根据测定 大多数细胞中的能荷在0 8 0 9之间 即两条曲线交点之左右 能荷调节是通过ATP ADP AMP作为代谢中某些酶分子的效应物进行变构调节 例如 在糖酵解中的磷酸果糖激酶 TCA中的柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶等 它们均受到ATP的抑制 但被AMP和ADP所激活 这样既可避免浪费呼吸底物 又可保证细胞获得必需的ATP供应 使ATP的产生途径和利用途径平衡发展 6 4其它末端氧化酶系统末端氧化酶是位于电子传递链的最末端 直接催化将电子传递给氧的酶 细胞色素系统是生物最主要的氧化系统 催化Cyta的电子传递给O2 占耗氧的80 它与A