食药用菌菌种生产

生物氧化与氧化磷酸化 第一节生物氧化概述 一 生物氧化的概念二 生物氧化的特点三 氧化还原电位与自由能四 高能化合物 一切生命活动都需要能量 维持生命活动的能量主要有两个来源 光能 太阳能 光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能 植物和某些藻类 化学能 异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质 主要是各种光合作用产物 氧化分解 使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能 ATP直接用于需要能量的各种生命活动 一 生物氧化 糖 脂 蛋白质等有机物在细胞内氧化分解 最终生成CO2和水并释放能量的过程 又称细胞氧化或细胞呼吸 1 CO2的生成 2 水的生成在脱氢酶 传递体 氧化酶组成的体系催化下生成 3 能量的生成当有机物被氧化成C2O和H2O时 释放的能量怎样转化成ATP主要是通过呼吸链 底物水平磷酸化氧化磷酸化 生物氧化的一般过程 TCA 二 生物氧化的特点 1 酶的催化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 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 能量通过逐步氧化释放 不会引起体温的突然升高 而且可使放出的能量得到最有效的利用 6 生物氧化释放的能量一般都贮存于一些特殊的化合物中 主要是ATP 生物氧化和有机物在体外氧化 燃烧 的实质相同 都是脱氢 失电子或与氧结合 消耗氧气 都生成CO2和H2O 所释放的能量也相同 但二者进行的方式和历程却不同 生物氧化体外燃烧1 细胞内温和条件高温或高压 干燥条 常温 常压 中性pH 水溶液 2 一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能 能量利用率高能量爆发释放3 释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热 散失 三 自由能与氧化还原电位 一 自由能 G 1878 指在一个体系的总能量中 在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量 用符号G表示 二 生化标准自由能变化 G0 指在标准条件下 即温度为25 参加反应的物质浓度为1mol L 若有气体 则为1个大气压 pH为7时 测定的自由能变化 单位为J mol KJ mol 四 高能化合物 1 高能化合物的概念在标准条件下 pH7 25 1mol L 发生水解时 可释放出大量自由能的化合物 称为高能化合物 习惯上把 大量 定为5kcal mol 即20 92KJ mol 以上 在高能化合物分子中 释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键 用表示 但须注意 释放的能量并非集中在这个键上 而是与分子结构和水解反应有关 生化上的 高能键 涵义不同于普通化学上的 键能 不能把 高能键 理解为 能键高 2 高能化合物的类型按其分子结构特点及所含高能键的特征分 磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型 1 磷氧键型 O P A 酰基磷酸化合物 1 3 二磷酸甘油酸 乙酰磷酸 氨甲酰磷酸 酰基腺苷酸 氨酰基腺苷酸 B 焦磷酸化合物 ATP 三磷酸腺苷 焦磷酸 7 3千卡 摩尔 C 烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14 8千卡 摩尔 2 氮磷键型 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 10 3千卡 摩尔 7 7千卡 摩尔 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用 3 磷酸腺苷 5 磷酸硫酸 酰基辅酶A 3 硫酯键型 S 腺苷甲硫氨酸 4 甲硫键型 3 最重要的高能化合物ATP 三磷酸腺苷 ADP ATP AMP ATP的特殊作用ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用 在细胞的细胞核 细胞质和线粒体中都有ATP存在 ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义 它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个 共同中间体 ATP是生物体通用的能量货币 ATP是能量的携带者和转运者 但并不能量的贮存者 起贮存能量作用的物质称为磷酸原 在脊推动物中是磷酸肌酸 ATP是磷酸基团转移反应的中间载体磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移 磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的 G0 ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图 第二节电子传递链 一 电子传递链的概念二 电子传递链的组成三 电子传递链的电子传递顺序四 呼吸链的电子传递抑制剂 一 电子传递链的概念 1 概念 在生物氧化过程中 代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递 最后传递给分子氧并生成水 这种氢和电子的传递体系称为电子传递链 又称呼吸链 典型的呼吸链 FAD呼吸链NADH呼吸链 2 电子传递链分布 原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上 二 电子传递链的组成 由NADH到O2的电子传递链主要包括 FMN 辅酶Q CoQ 细胞色素b c1 c a a3以及一些铁硫蛋白 这些电子传递体传递电子的顺序 按照它们的还原电势大小可排成序列 它们对电子亲和力的不断增加 推动电子从NADH向O2传递 电子传递中有四个复合体参与 NADH Q还原酶 复合体I 琥珀酸 Q还原酶 复合体 细胞色素还原酶 复合体III 细胞色素氧化酶 复合体 NADH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 烟酰胺脱氢酶类以NAD NADP为辅酶 氧化还原反应发生时 变化发生在五价氮和三价氮之间 电子传递中的四个复合体 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 一 NADH Q还原酶 复合体1 由FMN 铁硫蛋白 功能 先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上 使NADH氧化 并使FMN还原 1 黄素蛋白以FMN FAD为辅酶 FMN结构中含核黄素 发挥功能的部位是异咯嗪 氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 2 铁硫蛋白类 Fe S 表示无机硫原子 铁硫聚簇有几种不同的类型 有的只含有一个铁原子 FeS 有的只含有两个铁原子 2Fe 2S 有的含有4个铁原子 4Fe 4S 铁硫蛋白类 2 辅酶Q CoQ 辅酶Q CoQ 又称泛醌 有时简称Q 是脂溶性辅酶 在线粒体内膜中是一种均一的流动库 可以结合到膜上 也可以游离状态存在 CoQ和FMN都是NADH Q还原酶的辅酶 CoQ和FMN一样 都能够接受或给出一个或两个电子 因为它们都有稳定的半醌形式 3 琥珀酸 Q还原酶 复合体 琥珀酸脱氢酶 它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白 也是此复合体的一部分 其辅基包括FAD和Fe S聚簇 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸 同时其辅基FAD还原为FADH2 然后FADH2又将电子传递给Fe S聚簇 最后电子由Fe S聚簇传递给琥珀酸 Q还原酶的辅酶CoQ 这一步不能形成的ATP 功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌 4 细胞色素还原酶 复合体 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称 有颜色 根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a b c三类 细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子 在电子传递中发生可逆的Fe3 Fe2 的互变起传递电子的作用 一个细胞色素每次传递一个电子 功能 将电子从泛醌传递给细胞色素C 5 细胞色素c 是唯一能溶于水的细胞色素 总的说来 两个QH2参与电子传递 使两个细胞色素C还原 经过全过程又产生了一个QH2分子 因此从化学反应计算是一个QH2分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素C 这种通过辅Q的电子传递方式称为Q循环 通过上述方式使电子由携带两个电子的载体 QH2转移给携带一个电子的载体 细胞色素C 这有利于电子的有效利用 6 细胞色素氧化酶 复合体 10个亚基的多聚蛋白 功能 将电子从细胞色素C传递给O2 其中cyta3与CuB形成的活性部位将电子传递给O2 NADH氧化呼吸链 NADH 复合体I 复合体II Q 复合体 cytC 复合体 O2 FADH2氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 FADH2 Q 复合体 cytC 复合体 O2 三 电子传递链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的 在线粒体内膜上主要有两条呼吸链 电子传递链 四 呼吸链的电子传递抑制剂 1 概念能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂 利用专一性电子传递抑制剂选择性的阻断呼吸链中某个传递步骤 再测定链中各组分的氧化 还原状态情况 是研究电子传递中电子传递体顺序的一种重要方法 2 常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位 1 鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素 其作用是阻断电子在NADH Q还原酶内的传递 所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递 2 抗霉素A 它是由链酶素分离出的抗生素 有干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素bH的传递作用 从而抑制电子从还原型QH2向cytC1的传递作用 3 氰化物 CN 叠氮化物 N3 一氧化碳 CO 等 其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递 即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递 鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素 抗霉素A 氰化物一氧化碳硫化氢叠氮化合物 呼吸链的电子传递抑制剂图示 第三节氧化磷酸化 一 氧化磷酸化的概念二 氧化磷酸化的作用机制三 质子梯度的形成四 ATP合成机制五 氧化磷酸化的解偶联和抑制六 线粒体穿梭系统七 能荷 一 氧化磷酸化的概念 概念伴随电子从底物到氧的传递 ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用 根据生物氧化方式 可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化 底物水平磷酸化 ATP的形成直接由一个代谢中间产物 如磷酸烯醇式丙酮酸 上的磷酸基团转移到ADP分子上的作用 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 二 氧化磷酸化的作用机制 1 ATP产生的数量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 又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数 实验表明 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 2 ATP产生的部位 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 3 能量偶联假说 氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚 目前主要有三个学说 化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说 1 化学偶联假说 1953 认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物 它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用 2 构象偶联假说 1964 认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化 形成一种高能形式 这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象 3 化学渗透学说 1961 认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的 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 使ADP与Pi合成ATP 1 递H体与递e体交替排列2 递H体有H泵作用 将2H 泵出内膜 2e传给递电子体 整个过程共泵出3对H 3 线粒体膜对H 不通透 造成H 跨膜梯度4 H 通过ATP酶回流 生成ATP 质子的流向 电子的流向 ADP P ATP 化学渗透假说示意图 化学渗透假说 化学渗透假说详细示意图 三 质子梯度的形成 电子传递使复合体 和 推动H 跨过线粒体内膜到线粒体的间隙 线粒体间隙与细胞溶胶相接触 H 跨膜流动的结果造成线粒体内膜内部基质的H 离子浓度低于间隙 线粒体基质形成负电势 而间隙形成正电势 这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力势 其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力 质子转移的机制有两种假设 质子传递链的4种电子传递复合体中的3种复合体都和质子转移有密切关系 质子主动转移和电子传递产生的自由能相偶联的机制当前存在两种假说 氧化 还原回路机制质子泵机制 四 ATP合成机制 ATP的合成是由一个酶的复合体系完成的 这个复合体系称为ATP合酶由两个主要的单元构成 起质子通道作用的单元称为Fo单元和催化ATP合成的单元称为F1单元 因此 ATP合酶又称为FoF1 ATP酶 ATP合酶在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体 即ATP合酶 该酶主要由Fo 疏水部分 和F1 亲水部分 组成 F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起 它主要由 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 Fo镶嵌在线粒体内膜中 它由a1b2c9 12亚基组成 C亚基形成环状结构 a亚基位于环外侧 与c亚基之间形成质子通道 Fo与F1之间 其中心部位由 亚基相连 外侧由b2和 亚基相连 F1中的 3 3亚基间隔排列形成六聚体 部分 亚基插入六聚体中央 ATP合酶结构示意图 FoF1侧视图 由于3个 亚基与 亚基插入部分的不同部位相互作用 使每个 形成不同构象 当H 顺浓度递度经Fo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 紧密结合型 T 亚基变成开放型 O 释放ATP ADP和Pi与疏松型 L 亚基相结合 与紧密型 亚基结合的ADP和Pi生成ATP 因此 ATP在紧密结合型 亚基中生成 在开放型中被释放 化学计算估计每生成1分子ATP需3个H 从线粒体内膜外侧回流进入基质中 ATP合酶的工作机制 ATP合酶的工作机制 3个 亚基构象不同O开放型 T紧密结合型 L疏松型 五 氧化磷酸化的解偶联和抑制 不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同 根据它们不同的影响方式可分为三大类 1 解偶联剂 使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开 失掉它们的紧密联系 它只抑制ATP的形成 不抑制电子传递过程 使电子传递产生的自由能都变成热能 因为这种试剂使电子传递失去正常的控制 亦即不能形成离子梯度 造成过分地利用氧和燃料底物而能量得不到贮存 解偶联剂的作用只抑制氧化磷酸化的ATP形成 对底物水平的磷酸化没有影响 例 弱酸性亲脂试剂DNP 2 4 二硝基苯酚 原理 增加膜的通透性 破坏跨膜蛋白质化学梯度 H 梯度 酸性状态下为脂溶性物质 在线粒体内膜中可自由移动 进入基质侧时释出H 返回胞浆侧时结合H 从而破坏了电化学梯度 2 氧化磷酸化抑制剂抑制氧的利用和ATP形成 不直接稀缺电子传递 氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程 结果也使电子传递不能进行 例 寡霉素 与Fo的一个亚基结合而抑制合抑制F1DNP 解偶联剂 可解除它对氧的抑制作用 3 离子载体抑制剂生物膜上的脂溶性物质 与某些离子结合 并作为它们的载体 使这些离子能够穿过膜 破坏跨膜电化学梯度 从而破坏氧化磷酸化过程 与解偶联剂区别 H 离子以外的其它一价阳离子的载体 改变除H 以外的一价阳离子透性 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 六 线粒体穿梭系统 线粒体外膜通透性高 线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白对各种物质的转运 NADH脱氢酶位于线粒体内膜的内侧 只作用于线粒体内部 衬质 的NADH 而胞液中的NADH又不能直接穿赤线粒体内膜进入内部 这就需要通过一种间接途径 穿梭系统 不同真核生物细胞的胞液NADH进入线粒体呼吸链的途径有所不同 3 磷酸甘油穿梭系统苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 1 3 磷酸甘油穿梭系统 3 磷酸甘油穿梭机制 3 磷酸甘油脱氢酶 3 磷酸甘油脱氢酶 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 苹果酸 天冬氨酸穿梭机制 七 能荷 生物细胞通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成ATP 在需要能量的生化反应或生命活动中又分解ATP 使ATP转化为ADP和Pi 或转化为AMP和Pi 这样在细胞内存在着三种腺苷酸 ATP ADP和AMP 称为腺苷酸库 能荷 是细胞中高能磷酸状