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生物化学 第六章生物氧化 BiologicalOxidation 生成ATP的氧化磷酸化体系 其他不生成ATP的氧化体系 概述 一 掌握氧化磷酸化的概念及偶联部位 熟悉氧化磷酸偶联部位确定的实验及数据 P O比值的定义及意义 了解氧化磷酸化的偶联机制 熟悉ATP合酶组成及作用 二 熟悉抑制剂 ADP 甲状腺素对氧化磷酸化的影响 了解线粒体DNA突变对氧化磷酸化的影响 三 掌握体内能量的储存和利用形式 ATP的生成和利用 熟悉高能键与高能化合物的概念 常见的高能化合物 四 掌握胞液中NADH转运进入线粒体氧化的机制 了解腺苷酸载体及线粒体蛋白的跨膜转运 五 了解其他氧化体系 目的要求 物质在生物体内进行氧化称生物氧化 主要指糖 脂肪 蛋白质等在体内分解时逐步释放能量 最终生成CO2和H2O的过程 CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 热能 一 生物氧化 BiologicalOxidation 的概念 此过程需耗氧 排出CO2 又在活细胞内进行 故又称细胞呼吸 乙酰CoA 电子传递 H2O ADP Pi ATP CO2 生物氧化的一般过程 2H TAC 1 物质氧化方式 加氧 脱氢 失电子 2 物质氧化时消耗的氧量 得到的产物和能量相同 1 相同点 二 生物氧化的特点 2 不同点 体内氧化体外氧化 1 反应条件 温和剧烈 2 反应过程 分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放 3 产物生成 间接生成直接生成 4 能量形式 热能 ATP热能 光能 Section1TheOxidationSystemofProducingATP 第一节生成ATP的氧化磷酸化体系 电子如何传递 水如何生成 呼吸链 一氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分 真核生物生物氧化发生的场所 线粒体 原核生物生物氧化发生的场所 细胞质膜 部位 营养物质代谢脱下的成对氢原子 2H 以还原当量形式存在 再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递 最终与氧结合生成水 逐步释放的能量可驱动ATP生成 这包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链 oxidativerespiratorychain 又称电子传递链 electrontransferchain 呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基 呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基 2H 2H 2e 一 氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成 呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成 电子传递过程释放的能量驱动H 移出线粒体内膜 转变为跨内膜H 梯度的能量 再用于ATP的生物合成 组成 四种酶复合体 复合体I IV两个可灵活移动的成分 泛醌 Q 和细胞色素C 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 泛醌和Cytc不包含在上述四种复合体中 人线粒体呼吸链复合体 复合体 又称NADH 泛醌还原酶 复合体 电子传递 NADH FMN Fe S CoQ Fe S CoQ每传递2个电子可将4个H 从内膜基质侧泵到胞浆侧 复合体 有质子泵功能 1 复合体 作用是将NADH H 中的电子传递给泛醌 ubiquinone 黄素蛋白 辅基为FMN或FAD 铁硫蛋白 辅基为Fe S 1 NAD 和NADP 的结构 R H NAD R H2PO3 NADP 2 尼克酰胺核苷酸的作用原理 2H 双电子传递体 FMN称为黄素单核苷酸 是黄素蛋白 酶 的辅基 发挥功能的部位是异咯嗪环 氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH FMNH 复合体 成分1FMN 递氢体 铁硫簇 Fe S 是铁硫蛋白 酶 中辅基 含有等量铁原子和硫原子 其中铁原子可进行Fe2 Fe3 e反应传递电子 复合体 成分2Fe S 单电子传递体 铁硫蛋白中辅基铁硫中心 Fe S 含有等量铁原子和硫原子 其中一个铁原子可进行Fe2 Fe3 e反应传递电子 属于单电子传递体 表示无机硫 泛醌 ubiquinone Q 亦称辅酶Q CoenzymeQ CoQ 人体中 CoQ10 1 结构1 含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2 脂溶性3 是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体 无蛋白 2 作用 电子和质子的传递体在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子 在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用 3 泛醌的作用机理 复合体 电子传递 NADH FMN Fe S CoQ Fe S CoQ M MH2 M 4H 2e 2e 2e 2e 代谢物 2 复合体 琥珀酸 泛醌还原酶 功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体 没有H 泵的功能 递氢体 1 黄素核苷酸的作用原理 琥珀酸FADH2Fe SCoQ 3 复合体 泛醌 细胞色素c还原酶 功能 将电子从泛醌传递给细胞色素c b562 b566是吸收波长不同的两个细胞色素 b562电位较高 又称bH b566电位较低 又称bL 细胞色素b c1复合体 细胞色素体系 cytochrome Cyt 1 Cyt的本质 细胞色素 酶蛋白 血红素 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类 2 Cyt的功能 3 Cyt的分类 30多种 a类 a a1 a2 a3 b类 b b1 7 P450 c类 c c1 c2 c3 各种还原型细胞色素的主要光吸收峰 Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白 与线粒体内膜外表面疏松结合 不包含在复合体中 将获得的电子传递到复合体 电子传递过程 CoQH2 Cytb566 Cytb562 Fe S Cytc1 Cytc Q循环 复合体 每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H 复合体 也有质子泵作用 4H 4 复合体 细胞色素c氧化酶 功能 将电子从细胞色素c传递给氧 其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2 电子传递 Cytc CuA Cyta Cyta3 CuB O2 细胞色素c氧化酶CuB Cyta3中心使O2还原成水的过程 有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合 不会引起细胞损伤 2H 2H2O 3 利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态 1 测各组分氧化还原电位 E0 递增 研究方法 2 呼吸链复合物重组 4 利用呼吸链抑制剂 二 氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列 电子流动方向 总是由电负性较强的氧化还原对向具有更强电正性的氧化还原对流动 1 NADH氧化呼吸链NADH 复合体 Q 复合体 Cytc 复合体 O22 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸 复合体 Q 复合体 Cytc 复合体 O2 两条重要的呼吸链成分的排列顺序 NADH FMN Fe S CoQ CytbCytc1 Cytc Cytaa3 O2 琥珀酸 FAD Fe S NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 呼吸链传递顺序 细胞色素的传递方向 笔洗一洗AA散b c1 c aa3 洗一洗 两种呼吸链的比较 相同 1 将H传递给O2生成水 2 H和O2消耗 其它可反复使用 3 CoQ是两种呼吸链的汇合点 不同点 NADH呼吸链琥珀酸呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFADH2ATP2 51 5 ATP是如何生成 二 氧化磷酸化 定义氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化 生成ATP 又称为偶联磷酸化 底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 直接将代谢分子中的能量转移至ADP 或GDP 生成ATP 或GTP 的过程 底物水平磷酸化仅见于下列三个反应 糖酵解途径中 2个 三羧酸循环中 1个 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 磷酸甘油酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 丙酮酸激酶 49 概念 每消耗1mol氧原子 所消耗的无机磷摩尔数 一对电子通过呼吸链 P O比值 一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数 生成ATP的个数 1 根据P O比值推测生成ATP的偶联部位 一 氧化磷酸化偶联部位 是在复合体 P O比值 ATP数 50 利用P O比值推测氧化磷酸化偶联部位 因此 NADH Q存在偶联部位 抗坏血酸 P O 12e从Cytc到O2生成1个ATP 因此 Cytaa3 O2存在偶联部位 Q Cytc存在偶联部位 51 2020 3 16 52 可编辑 53 标准自由能 G nF E 2 根据自由能变化推测偶联部位 合成1molATP时 需提供的能量至少为 G0 30 5kJ mol 电子传递链自由能变化 54 氧化磷酸化偶联部位 结论 55 二 氧化磷酸化的偶联机理 1 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 电子经呼吸链传递时 可将质子 H 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧 产生膜内外质子电化学梯度储存能量 当质子顺浓度梯度回流时 其能量驱动ADP与Pi生成ATP 了解 56 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 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜 线粒体内膜对H OH K Cl 离子是不通透的 电子传递链可驱动质子移出线粒体 形成可测定的跨内膜电化学梯度 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成 而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度 结果电子虽可以传递 但ATP生成减少 化学渗透假说已经得到广泛的实验支持 化学渗透假说简单示意图 胞液侧 基质侧 电子传递过程复合体 4H 4H 和 2H 有质子泵功能 1 ATP合酶 ATP合酶结构模式图 催化亚基 三 质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成 F1 亲水部分组成 3 3 OSCP IF1亚基功能 催化ATP生成 F0 疏水部分组成 a b2 c9 12亚基功能 构成质子通道 将质子梯度产生的能量导向F1 ATP合酶组成可旋转的发动机样结构 F0的2个b亚基的一端锚定F1的 亚基 另一端通过 和 3 3稳固结合 使a b2和 3 3 亚基组成稳定的定子部分 部分 和 亚基共同形成穿过 3 3间中轴 还与1个 亚基疏松结合作用 下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合 c亚基环 和 亚基组成转子部分 质子顺梯度向基质回流时 转子部分相对定子部分旋转 使ATP合酶利用释放的能量合成ATP 寡霉素 柄部 存有其他亚基 其中一个称为寡霉素敏感蛋白 OSCP 在寡霉素存在时使ATP合酶不能合成ATP 当H 顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时 亚基发生旋转 3个 亚基的构象发生改变 ATP合酶的工作机制 2 ATP合成的结合变构机制 bindingchangemechanism L结合ADP和Pi T合成ATP O释放ATP 三 氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响 一 有3类氧化磷酸化抑制剂 1 呼吸链抑制剂 复合体 抑制剂 鱼藤酮 rotenone 粉蝶霉素A piericidinA 及异戊巴比妥 amobarbital 等阻断传递电子到泛醌 复合体 的抑制剂 萎锈灵 carboxin 复合体 抑制剂 抗霉素A antimycinA 阻断CytbH传递电子到泛醌 QN 粘噻唑菌醇则作用QP位点 复合体 抑制剂 CN N3 紧密结合中氧化型Cyta3 阻断电子由Cyta到CuB Cyta3间传递 CO与还原型Cyta3结合 阻断电子传递给O2 作用 阻断电子传递 鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A二巯基丙醇 CO CN N3 及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点 呼吸链正常 2 解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 作用 使氧化过程与磷酸化过程脱节举例 2 4 二硝基苯酚 解偶联蛋白 解偶联蛋白作用机制 棕色脂肪组织线粒体 Q 胞液侧 基质侧 解偶联蛋白 硬肿症 寡霉素 可阻止质子从F0质子通道回流 抑制ATP生成 作用 抑制电子传递及氧化磷酸化过程举例 寡霉素 3 ATP合酶抑制剂 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 电子传递链及氧化磷酸化系统概貌 H 跨膜质子电化学梯度 H m内膜基质侧H H c内膜胞液侧H 化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响 ADP ATP 抑制氧化磷酸化 ATP生成 ADP ATP 促进氧化磷酸化 ATP生成 H2O NAD ADP Pi ATP 氧化磷酸化 二 ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素 三 甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加 Na K ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 四 线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能 四 ATP在能量的生成 利用 转移和储存中起核心作用 高能磷酸 水解时释放的能量大于21kJ mol的磷酸酯键 常表示为 P 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物 1 ATP分子中的高能磷酸基的来源 1 氧化磷酸化 主要来源 2 底物水平磷酸化 一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能 2 多磷酸核苷间的能量转移 肌酸激酶的作用 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式 3 ATP的生成和利用 ATP ADP 机械能 肌肉收缩 渗透能 物质主动转运 化学能 合成代谢 电能 生物电 热能 维持体温 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心 线粒体外NADH2的氧化 1 磷酸甘油穿梭 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭 二 两种穿梭系统的比较 五 线粒体内膜对各种物质进行选择性转运 一 胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链 1 磷酸甘油穿梭 1 特点 线粒体内外的 磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同胞液 NAD 线粒体 FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链1 5ATP主要存在于骨骼肌 脑 NADH H FADH2 NAD FAD 线粒体内膜 线粒体外膜 膜间隙 线粒体基质 磷酸二羟丙酮 磷酸甘油 2 过程 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 1 特点 苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD 通过NADH氧化呼吸链2 5ATP主要存在于肝 心肌组织中 NADH H NAD 谷氨酸 天冬氨酸转运体 苹果酸 酮戊二酸转运体 苹果酸 草酰乙酸 酮戊二酸 谷氨酸 胞液 线粒体内膜 基质 天冬氨酸 2 过程 氧化磷酸化 呼吸链 二 两种穿梭系统的比较 磷酸甘油穿梭 苹果酸 天冬氨酸穿梭 穿梭物质 磷酸甘油磷酸二羟丙酮 苹果酸 谷氨酸天冬aa 酮戊二酸 进入线粒体后转变成的物质 FADH2 NADH H 进入呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链 生成ATP数 1 5 2 5 存在组织 骨骼肌 神经组织 肝脏和心肌组织 相同点 将胞浆中NADH的还原当量转运到线粒体内 二 ATP ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联 ATP4 ADP3 H2PO4 二 ATP ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联 第二节其他不生成ATP的氧化体系 TheOthersOxidativeEnzymeSystemswithoutATPProducing 一 抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能 反应活性氧类 reactiveoxygenspecies ROS ROS主要来源