第六章 生物氧化.ppt

第四章生物氧化 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存储的化学能释放出来 并转变成生物能 有机物质在生物体内的氧化作用 称为生物氧化 生物氧化通常需要消耗氧 所以又称为呼吸作用 在整个生物氧化过程中 有机物质最终被氧化成CO2和水 并释放出能量 第一节概述一 生物氧化的概念 二 生物氧化的特点 1 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 pH 7和常温 2 氧化进行过程中 必然伴随生物还原反应的发生 3 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 4 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 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 6 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 7 生物氧化过程产生的CO2是通过有机酸脱羧作用生成的 8 在真核生物中 生物氧化主要在线粒体中进行 在原核生物中 生物氧化主要在细胞膜上进行 二 生物氧化的特点 三 生物氧化的方式 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 在生物氧化过程中 主要包括如下几种氧化方式 这类反应包括 加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中 例如 甲烷单加氧酶CH4 NADH O2 CH3 OH NAD H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应 反应产物为水 在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子 最后都是以这种形式进行氧化的 1 加氧 氧直接参加的氧化反应 三 生物氧化的方式 2 脱氢在生物氧化中 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 生物氧化的方式以脱氢氧化为主 通常被氧化的物质叫供氢体 被还原的物质叫受氢体 三 生物氧化的方式 生物氧化体系有线粒体和非线粒体氧化体系两大类 线粒体氧化体系 主要产能途径 线粒体是主要场所 含许多酶类 在酶的作用下 代谢底物脱下的氢经一系列传递最终传给分子氧 非线粒体氧化体系 主要存在于微粒体和过氧化物中 代谢物脱下的氢在一些氧化酶的作用下 直接与氧结合成水 一般无能量生成 第二节生物氧化中二氧化碳的生成 一 直接脱羧 在脱羧反应中不伴有氧化 一 单纯 脱羧反应氨基酸脱羧酶RCHCOOHRCH2NH2 CO2NH2 二 单纯 脱羧反应丙酮酸羧化酶HOOCCOCH2COOHHOOCCOCH3 CO2 第二节生物氧化中二氧化碳的生成 二 氧化脱羧 在脱羧反应中伴有氧化 一 氧化脱羧反应丙酮酸脱氢酶系HOOCCOCH3 NAD HS CoACH3CO CoA CO2 NADH H 二 氧化脱羧反应苹果酸酶HOOCCH2CH OH COOH NADP CH3COCOOH CO2 NADPH H 第三节生物氧化中水的生成 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所 主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递 最终与氧结合生成水 由供氢体 传递体 受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种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 呼吸链的组成成分有20多种 依据功能不同可分为递氢体和递电子体 一 呼吸链的组成及作用机理 一 递氢体 1 NAD 和NADP 接受多种代谢产物脱氢得到NADH NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一 2 FAD和FMN FAD和FMN是黄素蛋白 又称黄素酶 类的辅基 它们也可以可逆地加氢和脱氢 NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 脂肪酰辅酶A脱氢酶等以它们为辅基 FAD 或FMN 2H FADH2 FMNH2 3 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 辅酶Q的功能 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 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 二 递电子体 1 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 铁硫蛋白 2 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 a 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 由于QH2是一个双电子载体 而参与上述反应过程的其它组分 如cyt c 都是单电子传递体 所以 实际反应情况比较复杂 QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白 传递给cyt c 本身形成半醌自由基 QH 另一个电子则传递给cyt b 还原型cyt b可以将QH 还原成QH2 其结果是通过一个循环 QH2将其中的一个电子传递给cyt c a 细胞色素c cyt c b 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 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 细胞色素c氧化酶 2H 二 动物体内重要的呼吸链 一 NADH呼吸链 细胞内主要呼吸链 NADH FMN Q Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 1 2O2 二 动物体内重要的呼吸链 二 FAD呼吸链 FAD呼吸链与NADH呼吸链的区别是底物脱下的氢不经过NAD 这个环节 直接传递给FAD生成FADH2 而以下的氧化过程与NADH呼吸链相同 FADH2 Q Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 1 2O2 线粒体呼吸链 线粒体呼吸链 三 胞液中NADH的氧化 一 苹果酸穿梭机制 主要存在于肝脏和心脏组织 苹果酸 草酰乙酸 天冬氨酸 谷氨酸 酮戊二酸 NADH H NAD 呼吸链 酮戊二酸 谷氨酸 天冬氨酸 草酰乙酸 苹果酸 NAD NADH H 胞液线粒体内膜线粒体 二 磷酸甘油穿梭机制 存在于哺乳动物骨骼肌和大脑等组织 NADH NAD 磷酸二羟丙酮 磷酸甘油 磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 FAD FADH2 线粒体内膜 第四节生物氧化中能量的产生和利用 一 高能键和高能化合物一般将水解或基团转移时能够释放20kJ mol 5千卡 mol 以上自由能的化学键称为高能键 用 表示 凡是含有高能键的化合物称高能化合物 生物体内常见的高能化合物主要有两类 即高能磷酯类化合物和高能硫酯类化合物 一 焦磷酸酐键 ATP 三磷酸腺苷 焦磷酸 二 混合酸酐键 氨甲酰磷酸 酰基腺苷酸 氨酰基腺苷酸 三 烯醇磷酸酯键 磷酸烯醇式丙酮酸 四 胍基磷酸酯键 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 五 高能硫酯键 酰基辅酶A 3 磷酸腺苷 5 磷酸硫酸 二 ATP的合成 一 底物水平磷酸化 代谢物在脱氢或分子重排时 使能量集中而形成高能磷酸键 并直接转移给ADP生成ATP 这个过程称为底物水平磷酸化 如 1 3 二磷酸甘油酸 ADP3 磷酸甘油酸 ATP 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸 ADP丙酮酸 ATP 二 氧化磷酸化 生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程 称为氧化磷酸化 氧化磷酸化在线粒体中进行 是需氧生物体中ATP的主要来源 1 氧化磷酸化的偶联部位 根据氧化 还原电势与自由能变化关系式 计算出在NADH氧化过程中 有三个反应 FMNH2 Q cytb cytc1 cytaa3 O2 可释放出足够的能量 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联 产生3个ATP 这些反应称为呼吸链的偶联部位 在FADH呼吸链中只存在后两个偶联部位 所以只产生2个ATP 2 氧化磷酸化的作用机制 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 3 影响氧化磷酸化的因素 1 ADP ATP比值的调节 基本因素线粒体内膜上存在ATP ADP转运载体 其作用是将胞液中的ADP Pi转运到线粒体基质 同时将ATP转运至线粒体外 当细胞内能量供应缺乏即ATP减少 ADP增加 ADP ATP比值增大 ADP进入线粒体 氧化磷酸化速率加快 反之 ADP ATP比值减小 氧化磷酸化速率减慢 2 激素的调节 甲状腺素是调节氧化磷酸化的重要激素 目前公认甲状腺素能诱导细胞膜上Na K ATP酶生成 使ATP分解为ADP的速度加快 线粒体中ADP ATP比值增大 导致氧化磷酸化加强 由于ATP的合成和分解都增加 使机体耗氧量和产热量都增加 甲状腺功能亢进患者常出现基础代谢速率增高 产热量也增加 3 抑制剂的作用 a 呼吸链抑制剂 可阻断电子传递链上某一环节的电子传递 由于电子传递受阻 磷酸化反应也无法正常进行 鱼藤酮 阿密妥粉蝶霉素A NADH CoQ Cytc O2 FMN Fe S Cytb Cytc1 Cytaa3 FAD Fe S 抗霉素A CN N3 CO 3 抑制剂的作用 b 解偶联剂 它们不影响呼吸链的电子传递 而是解除氧化与磷酸化的偶联作用 使氧化过程产生的能量不能生成ATP 而是以热能的形式散发 感冒或患某些传染性疾病时体温升高 就是由于细菌或病毒产生的解偶链剂所导致 c 离子载体抑制 主要是一些脂溶性物质进入线粒体内膜脂质双层 与某些离子结合 破坏了膜两侧的电位梯度 导致氧化磷酸化难以进行 三 高能磷酸键的转移 贮存和利用 一 高能磷酸键的转移 高能磷酸键的转移主要通过三种方式进行 即核苷磷酸之间的转移 ADP和ATP之间的转移 一般的高能磷酸化合物和ATP之间的转移 如 ATP UDP ADP UTP 糖原合成 ATP GTP ADP GTP 蛋白质生物合成 ATP CTP ADP CTP 磷脂合成 ADP ADP ATP AMPNMP ATP ADP NDP 二 高能键的贮存 ATP是动物体能量的直接供应者 但是ATP在动物机体内不贮存 当机体内能量供大于求时 磷酸肌酸激酶可催化ATP将所含能量转移给肌酸 C 以磷酸肌酸 C P 的形式贮存起来 因此