代谢总论与生物氧化21课件

第五章新陈代谢总论与生物氧化 第一节新陈代谢总论 第二节生物氧化 高能化合物与ATP的作用 高能化合物 磷酸化合物 非磷酸化合物 磷氧型 磷氮型 硫酯键化合物 甲硫键化合物 烯醇磷酸化合物 酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物 一般将水解时能够释放21kJ mol 5kCal mol 以上自由能 G 21kJ mol 的化合物称为高能化合物 1 烯醇式磷酸化合物 例 磷氧型高能磷酸化合物 61 9kJ mol 2 酰基磷酸化合物 例 42 3kJ mol 3 焦磷酸化合物 例 磷氮型高能磷酸化合物 43 1kJ mol 1 硫酯键型高能化合物 例 非磷酸高能化合物 乙酰辅酶A 31 4kJ mol 2 甲硫型高能化合物 例 41 8kJ mol O N N N N NH2 H H OH H O O P O O OO P O P O CH2 O O OH ATP的特殊作用 作用 是能量的携带者或传递者 而非贮存者 是能量货币 ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂 ATP H2O ADP Pi其 G0 30 51kJ mo1 当ADP Pi ATP时 也需吸收30 51kJ mol的自由能 第二节生物氧化 有机物质在细胞内的氧化作用 又称组织呼吸或细胞呼吸 在整个生物氧化过程中 有机物质最终被氧化成CO2和H2O 并释放出能量形成ATP 一 生物氧化的特点 一 氧化还原的本质 电子转移电子转移的主要形式 1 直接的电子转移Fe2 Cu2 Fe3 Cu 1 直接脱羧 2 氧化脱羧 在脱羧过程中伴随着氧化 脱氢 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 二 生物氧化中CO2的生成 三 生物氧化中H2O的生成 生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的 代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水 在生物氧化中 碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的 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 HOOCCH2CHOHCOOH NADP NADPH H O 苹果酸 CH3CCOOH CO2 1 概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后 经一系列传递体 最后 将质子和电子 传递给氧而生成水的全部体系 称呼吸链 respiratorychain 此体系也称电子传递体系或电子传递链 electrontransferchain 由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜 原核细胞膜 真核线粒体内膜 上一个接一个地构成了链状反应 故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链 一 呼吸链 2 呼吸链种类根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同 在具有线粒体的生物中 典型的呼吸链有2种 NADH呼吸链 绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成FADH2呼吸链 只能催化某些代谢物脱氢 不能使NADH或NADPH脱氢 在电子传递过程中释放出大量的自由能 使ADP磷酸化生成ATP 这是生物合成ATP的基本途径之一 实际上 生物体中能量获得的本质正是氢的氧化 组成 F0 疏水部分 F1 亲水部分 寡霉素敏感蛋白 oscp F0 镶嵌在线粒体内膜中的质子通道F1 3 3 催化生成ATP 5 复合物 ATP合成酶 四 氧化磷酸化 OxidativePhosphorylation 作用 伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化 ADP Pi 能量 ATP AMP PPi 能量 ATP 一 ATP的生成 1 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 电子传递体系磷酸化 底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布 形成了某些高能磷酸化合物的中间产物 通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用 底物水平磷酸化反应举例 X ADP ATP X P 2 电子传递体系磷酸化 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 这一全过程称为电子传递体系磷酸化 底物水平磷酸化是捕获能量的一种方式 在发酵作用 无氧呼吸 中是进行生物氧化取得能量的唯一方式 底物水平磷酸化和氧的存在与否无关 在ATP生成中没有氧分子参与 也不经过电子传递链传递电子 1 概念 1 2 P O比和由ADP生成ATP的数目 电子传递体系磷酸化是需氧生物获得ATP的一种主要方式 是生物体内能量转移的主要环节 需要氧分子的参与 真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行 原核生物在细胞质膜上进行 P O比 是指物质氧化时 每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数 或ADP摩尔数 即生成ATP的摩尔数 NADH呼吸链 P O比值接近3 FADH2呼吸链 P O比值接近2 故推断从NADH到分子氧 FADH2到分子氧的呼吸链中 可分别合成3个 2个ATP 可见 当一对电子相继经过复合物 和 时 每一步都释放出足以合成一分子ATP的自由能 但当一对电子经过复合物 时 释放的能量不足以合成ATP 其作用仅仅是将电子由FADH2注入电子传递链 最近的研究表明 复合物 和 不能直接合成ATP 但能螯合通过电子传递所产生的自由能 从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙 形成跨膜的质子梯度 跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力 跨膜质子转移 二 胞液中NADH的氧化磷酸化 在细胞质中经糖酵解产生的NADH 不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化 只能通过两种精妙的 穿梭 系统解决NADH的再氧化问题 一种称为甘油 磷酸穿梭系统 另一种称为苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 NADH H 线粒体内膜 甘油 磷酸穿梭作用 甘油 磷酸 FAD 二羟丙酮磷酸 FADH2 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 胞液甘油 磷酸脱氢酶 线粒体甘油 磷酸脱氢酶 黄素蛋白脱氢酶 酵解 NADH 草酰乙酸 天冬氨酸 NAD 苹果酸 苹果酸 NAD 草酰乙酸 NADH 天冬氨酸 NADH呼吸链 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 转氨酶 转氨酶 细胞质 线粒体 细胞质苹果酸脱氢酶 线粒体苹果酸脱氢酶 线粒体内膜 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说 1 化学偶联假说 1953年EdwardSlater最先提出 认为电子传递产生一种高能共价中间物 它随后的裂解释放能量驱动ATP合成 但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物 三 氧化磷酸化作用机制 氧化作用 电子传递 与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问 但对二者究竟如何偶联 尚有许多未完全阐明的问题 共存在三种假说 2 构象偶联假说1964年PaulBoyer最先提出 认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化 而形成一种高能形式 这种高能形式通过将能量提供给ATP合成而恢复其原来的构象 但至今未能找到有力的实验证据 3 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 1961年英国生物化学家PeterMitchell首先提出 1978年获诺贝尔化学奖 基本要点 电子经呼吸链传递时释放出的自由能 可将质子 H 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧 产生膜内外质子电化学梯度 H 浓度梯度和跨膜电位差 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 化学渗透假说要点分述 1 呼吸链中递氢体和电子传递体在线粒体内膜中是间隔交替排列的 并且都有特定的位置 催化反应是定向的 2 递氢体有氢泵的作用 当递氢体从线粒体内膜内侧接受从NADH H 传来的氢后 可将其中的电子 2e 传给位于其后的电子传递体 而将两个H 质子从内膜泵出到膜外侧 在电子传递过程中 每传递一对电子就泵出6个H 质子 氧化磷酸化作用的关键因素是质子 H 梯度和完整的线粒体内膜 3 内膜对H 不能自由通过 泵出膜的外侧H 不能自由返回膜内侧 因而使线粒体内膜外侧的H 浓度高于内侧 造成H 浓度的跨膜梯度 此H 浓度差使外侧的pH较内侧的pH低1 0单位左右 并使原有的外正内负的跨膜电位增高 此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量 好象电池两极的离子浓度差造成电位差含有电能一样 这种H 质子梯度和电位梯度就是质子返回内膜的一种动力 G 2 3RT pH ZF pH pH 内 pH 外 Z是质子电荷 包括符号 F是法拉第常数 是膜电位差 4 利用线粒体内膜上的ATP合成酶的特点 将膜外侧的2H 转化成膜内侧的2H 与氧生成水 即H 通过ATP酶的特殊途径 返回到基质 使质子发生逆向回流 由于H 浓度梯度所释放的自由能 偶联ADP与无机磷酸合成ATP 质子的电化学梯度也随之消失 由上述分析可以看出 Mitchell的理论认为 电子传递释放的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的 生理物质的氧化在多个位点 复合物 和 为跨膜质子梯度做贡献 而该梯度只在一个部位即FoF1 ATP酶处消减 合成ATP 根据最新的进展情况 从呼吸链中电子传递的过程可以看出 每对电子通过复合物 和 可导致10个 4 4 2 质子从基质泵出 来自复合物 中的FADH2的电子绕过复合物 进入电子传递链只能导致6个 4 2 质子跨膜移动 大多数实验测量表明 每合成1分子ATP大约需要3个质子通过FoF1 ATP酶 同时 从细胞质转运合成ATP所需的Pi至线粒体基质要消耗1个质子 故每合成1个ATP需消耗4个质子 因此 1对H 即2e 经NADH呼吸链生成2 5个ATP 经FADH2呼吸链生成1 5个ATP 生物的一切活动都需要能量 能量来自体内有机物的氧化作用 生物氧化 生物能学的基础概念 符合自然界中普遍的运动规律 即能量守恒与转化定律 物质中储存能量的释放主要通过代谢物脱下2H 经呼吸链中多种酶和辅酶逐步传递最终与O2结合生成H2O完成的 体内存在两条典型的呼吸链 NADH呼吸链和FADH2呼吸链 提要 从线粒体内膜的呼吸链可分离得到四种功能复合物 NADH Q还原酶 I 琥珀酸 Q还原酶 II QH2 Cytc还原酶 III Cytc氧化酶 IV CoQ和Cytc不包含在这些复合物中 呼吸链电子传递过程中释放的能量 大约有40 可使ADP磷酸化生成ATP