第六章生物氧化

第六章生物氧化,要求掌握：生物氧化概念、特点与方式高能磷酸化合物的概念和类型ATP的作用。电子传递和氧化呼吸链的概念、组成。电子传递链（呼吸链）的类型及组成成员的排列顺序。氧化磷酸化作用定义以及解偶联和抑制。,一、生物氧化概念、特点与方式,1、概念：糖类、脂类和蛋白质等有机物质在体内经过一系列的氧化，最终生成CO2和H2O并释放出化学能量的生化过程。,2、生物氧化的化学本质和特点,化学本质：生物氧化反应与体外氧化反应的化学本质是相同的，都是脱氢，失去电子或直接与氧化合的过程，最终产物都是H2O和CO2，释放能量。,反应物丢失电子者被氧化，接受电子者被还原,生物氧化的特点：（1）反应条件温和，多步反应，逐步放能。（2）生物氧化在活细胞中进行，（3）pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。（3）真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。,3、生物氧化方式：有氧氧化和无氧氧化,（1）有氧氧化（也称有氧呼吸）,好气或兼性微生物，能利用空气中的O2来氧化底物，最终生成CO2和H2O。这种方式氧化彻底，释放能量多。,（2）无氧氧化,兼性厌气的微生物，利用机体内的有机物来氧化底物，最终生成氧化不完全的产物。厌气微生物能以无机物氧化底物。,（3）发酵,发酵工业上“发酵”的涵义是不论有氧或无氧的情况下，微生物进行的任何生物化学过程都称为发酵。如：酒精发酵（无氧）、谷氨酸发酵（有氧）,二、生物氧化的酶类,1、不需氧脱氢酶类,直接作用于底物，进行脱氢氧化，又不以氧作为直接受氢体的酶。,还原型底物SH2,氧化型底物S,氧化型辅酶+,还原型辅酶。2H,不需氧脱氢酶,还原型受体分子,氧化型受体分子,以NAD+或NADP+为辅酶的不需氧脱氢酶类,CH2-COOH,HO-CH-COOH,CH2-COOH,O=C-COOH,NAD+,NADH+H+,苹果酸脱氢酶,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸-D-核酮糖,NADP+,NADPH+H+,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,2H,2H,2、NADH脱氢酶以及其他黄素蛋白酶类（FMN或FAD为辅酶的不需氧脱氢酶类）,CH2-COOH,CH2-COOH,HC-COOH,HOOC-CH,FAD（FMN）,FADH2（FMNH2）,琥珀酸脱氢酶,2H,3、需氧脱氢酶类,SH2,S,FAD或FMN,FADH2或FMNH2,O2,O2-,需氧脱氢酶,2H,2e,H2O2,2H,2H2O2,过氧化氢酶,2H2O+O2,4、细胞色素氧化酶,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,2Fe2+,1/2O2,1/2O2-,2H,2e,2e,多酚氧化酶,HO-,-OH,+1/2O2,多酚氧化酶,O=,=O,5、加氧酶类,三、高能键及高能化合物,高能键含自由能很高的化学键，用表示。,高能化合物分子结构中含高能键的化合物。,如：高能的磷酸基团：ATP、UTP、GTP、ADP、UDP带硫酯键的SCoA基团。,超高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸、1、3-二磷酸甘油酸、磷酸肌酸等高能磷酸化合物，自由能变化比ATP高。称为超高能化合物。,ATP是细胞中重要的高能化合物，其重要性表现在：,ATP+H2OADP+Pi+能量,1是产能反应和需能反应之间的最重要能量介质。,ADP+H2OAMP+Pi+能量,2作为磷酸基团供体参与磷酸化反应,3ATP参加高能磷酸基团转移反应,生物体内有许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出20.92kJmol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物。按键型的特点可分为：1磷氧键型：焦磷酸化合物如腺三磷（ATP）是高能磷酸化合物的典型代表。ATP磷酸酐键水解时，释放出30.54kJmol能量，它有两个高能磷酸键，在能量转换中极为重要；酰基磷酸化合物如1,3二磷酸甘油酸以及烯醇式磷酸化合物如磷酸烯醇式丙酮酸都属此类。2磷键型化合物如磷酸肌酸、磷酸精氨酸。3酯键型化合物如乙酰辅酶A。4甲硫健型化合物如S-腺苷甲硫氨酸。,第二节呼吸链,一、呼吸链的概念、组成及其类型功能,1、概念,呼吸链又称电子传递链是以NAD为辅酶的不需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白FP，泛醌（UQ），细胞色素（Cytb、c1、c）及细胞色素氧化酶（Cyta、Cyta3）组成的体系，底物脱下来的氢不是直接交给氧，而是经由一系列传递体，最终传给氧的系统。,呼吸链的实质：底物脱下的氢能够完成从氢供体到分子氧而生成水的整个传递过程的电子传递链。,电子传递链在原核细胞存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体的内膜上。线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。即：典型的电子传递体（呼吸链）有两种，按接受底物脱下来的氢的初始体不同分为NAD链和FAD链。,2、类型,二线粒体电子传递体系线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。,3、电子传递体,在氧化还原反应过程中，起到传递电子作用的介质称为电子传递体,电子传递体包括NADH脱氢酶（辅基为FMN）、铁硫蛋白、辅酶Q（CoQ）、细胞色素类递体（Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3等）,NADH,SH2,S,NAD,FMNH2,FMN,CoQ,CoQH2,Cyt细胞色素酶类,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,2Fe2+,1/2O2,H2O,脱氢酶,黄素蛋白,辅酶Q,铁硫蛋白,2H,2H,2H,2H,2e,2e,2e,1）NAD传递链,SH2,S,NAD+,NADH2,FMNH2,FMNFe-S,CoQ,CoQH2,2Fe2+,2Fe3+,2Fe2+,2Fe2+,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,2Fe3+,NAD脱氢酶,脱氢酶,辅酶Q,细胞色素bFe-S,2Cytc1,2Cytc,Cytaa3,1/2O2,H2O,ATP,ATP,ATP,2H,2H,2H,2e,2e,2e,2e,2e,2）FAD传递链,SH2,FADFe-S,UQ,细胞色素b,细胞色素氧化酶,细胞色素c,细胞色素c1,1/2O2,H2O,2H,2H,2H,2e,2e,2e,注：NAD链与FAD链的区别,ATP,ATP,构成电子传递链的电子传递体成员分五类：（1）烟酰胺核苷酸（NAD）：多种底物脱氢酶以NAD为辅酶，接受底物上脱下的氢成为还原态的NADHH，是氢（H和e）传递体。（2）黄素蛋白：黄素蛋白以FAD和FMN为辅基，接受NADHH或底物（如琥珀酸）上的质子和电子，形成FADH2或FMNH2，传递质子和电子。（3）铁硫蛋白或铁硫中心：也称非血红素蛋白，是单电子传递体，氧化态为Fe3，还原态为Fe2。（4）辅酶Q又称泛醌，是脂溶性化合物。它不仅能接受脱氢酶的氢，还能接受琥珀酸脱氢酶等的氢（He）。是处于电子传递链中心地位的载氢体。（5）细胞色素类是含铁的单电子传递载体。铁原子处于卟啉的中心，构成血红素。它是细胞色素类的辅基。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到氧的专一酶类。线粒体的电子至少含有5种不同的细胞色素（即b、c、c1、a、a3。通过实验证明，它们在电子传递链上电于传递的顺序是bc1caa3，细胞色素aa3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶。是电子传递链中最末端的载体，所以又称末端氧化酶。,第三节、氧化磷酸化,与生物氧化作用相伴而生的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。,氧化磷酸化是生物通过磷酸化作用，将化合物在氧化过程中放出的能量的一部分转移到ATP高能键上。,ADP+PiATP,AMP+PPiATP,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP），这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。氧化磷酸化种类有：底物水平磷酸化和电子传递水平磷酸化两种类型。,一、氧化磷酸化的概念及类型,1、底物水平磷酸化,1）底物脱氢而形成高能键,CHOCHOHCH2O-,+H3PO4,NAD+,NADH2,C-OCHOHCH2O-,PO3,PO3,=O,COOHCHOHCH2O,PO3,ATP,ADP,PO3,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。是指底物在氧化过程中，因为分子内部能量重新分布而形成一种高能磷酸化合物。这种高能磷酸化合物的磷酸基团及高能键可转移到ADP上生成ATP。,2）底物脱水而形成高能键,COOHCH-O-CH2OH,PO3,COOHC-OCH2,PO3,COOHC=OCH3,H2O,ADP,ATP,烯醇化酶,丙酮酸激酶,2、氧化磷酸化又称偶联磷酸化,在氧化磷酸化过程中，电子传递过程和磷酸化作用是相偶联的；在传递链中底物脱下的氢进入电子传递链体系，最后传给氧，同时驱动磷酸化偶联反应，利用ADP和无机鳞Pi合成ATP。是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。,磷氧比（P/O)是用来表示呼吸作用中每利用1个氧原子所生成的ATP的分子数。是指每两个电子通过电子传递链过程中，进行氧化磷酸化形成ATP的分子数。,磷氧比（P/O)：是指呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。NADH呼吸链：P/O3。FADH2呼吸链：P/O2。,二、氧化磷酸化的偶联部位与P/O比值,1、氧化磷酸化的偶联部位,NAD呼吸链在传递过程中有三个偶联部位，P/O比为3，产3个ATP。有的人认为只有2.5个ATP。,NADH,CoQ,Cytb,Cytc,Cytaa3,分子氧,FAD呼吸链比NAD链少NADHCoQ的偶联部位，P/O比为2，故产2个ATP。有的人认为只有1.5个ATP。,产2.5个ATP和1.5个ATP的原因：是电子穿梭系统要消耗0.5个ATP。,三、氧化磷酸化的偶联机理：1、化学偶联假说：认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。2、构象偶联假说：认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。3、化学渗透假说：认为电子传递的结果将H+从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧，于是在内膜内外两侧产生了H+的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能，该势能是H+返回内膜内侧的一种动力。H+通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。当H+返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。该假说目前得到较多人的支持。,电子传递与ATP合成概图,电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势驱动ATP的合成。,四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂,1、解偶联剂,（1）氧化磷酸化的解偶联作用：在完整线粒体内，电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开，只进行电子传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用。,（2）氧化磷酸化的解偶联剂：能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解偶联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度，只有电子传递而不产生ATP，使电子传递与ADP磷酸化过程分离。（3）解偶联剂种类：典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP），解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的，解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，抑制ATP的形成。抑制电子传递链磷酸化，不影响底物水平磷酸化。,2抑制剂能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。常用的抑制剂有：（1）鱼藤酮：阻断电子由NADH向CoQ的传递。它是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。（2）抗霉素A：能阻断电子从Cytb到Cytc1的传递。（3）氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO能阻断电子由Cytaa3到氧的传递。由于这三个部位的电子流被阻断，因此，也抑制了磷酸化的进行，即不能形成ATP。,五、有关氧化磷酸化物质的运输线粒体外NADH的氧化磷酸化作用，必须通过特殊的穿梭机制：（1）磷酸甘油穿梭系统（线粒体的穿梭系统）（2）