能量代谢与生物能的利用

1、第八章第八章 能量代谢与生物能的利用能量代谢与生物能的利用化学与生物工程学院主讲：冉秀芝Tel-mail：本章教学内容本章教学内容w 概 述w 线粒体氧化体系w 能量代谢中生物能的产生、转移和储存w 生物能的利用w 高能化合物的制备本章教学目的要求w 1.掌握：掌握：（1）氧化磷酸化及底物水平磷酸化的概念；（2）氧化磷酸化偶联部位及影响因素；（3）呼吸链的概念、组成及主要呼吸链的排列顺序。w 2.熟悉：熟悉：（1）ATP与能量转换和利用。（2）胞液中NADH的氧化过程。（3）-磷酸甘油及苹果酸-天冬氨酸穿梭机制。w 3.了解：了解：（1）体内外生物氧化异同点。（2）氧

2、化磷酸化的偶联机制。（3）线粒体内膜物质转运及其他氧化体系的特点、作用。第一节第一节 概概 述述w 一、生物氧化的方式和特点一、生物氧化的方式和特点w 生物氧化是在一系列氧化生物氧化是在一系列氧化- -还原酶催化下还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。几种氧化方式。1 1 脱氢脱氢生物氧化的主要方式生物氧化的主要方式w （1 1）脱氢）脱氢w 在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。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。它是许多有机物

3、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。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。烷基烷基脂肪酸脱氢脂肪酸脱氢脱氢烯脱氢烯 w 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢+2H+ 2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH醛酮脱氢醛酮脱氢w 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶CH3CHCOOHOHNAD+ NADHCH3CCOOHO（2 2）加水脱氢）加水脱氢w 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH2 2 氧直接参加的氧化反应氧直接参加的氧化反应w 这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化这类反应

4、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。的生成水的反应。w 加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如，w 甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶 CHCH4 4 + NADH + O + NADH + O2 2 CH CH3 3-OH + NAD-OH + NAD+ + + H + H2 2O Ow 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反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，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。最后都是以这种形式进行氧化

5、的。3 3 生成二氧化碳的氧化反应生成二氧化碳的氧化反应w （1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用w 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。w （2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用w 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点w 1.1.生物氧化

6、是在生物细胞内进行的酶促氧化过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，程，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。w 2.2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。发生。w 3.3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水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。脱氢作用直接参予了氧化反应。w 4.4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同在生物氧化中，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，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，如通常由各种

7、载体，如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。w 5.5.生物氧化是一个分步进行的过程。每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。量，提高能量利用率。w 6.6.生物氧化释放的能量，通过与生物氧化释放的能量，通过与ATPATP合成合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能生物能ATPATP。第二节第二节 线粒体氧化体系线粒体氧化

8、体系w 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要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。组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。w 由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化由供氢体、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。原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。SH2SNAD+NADH+ HFMNH2Fe SFMNFe SCoQCoQH2 Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2

9、Cyt-Fe3+O212O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2 复合物I（NADH-泛醌还原酶） 复合物III（泛醌细胞色素c还原酶） 复合物IV（细胞色素c氧化酶） 复合物II（琥珀酸脱氢酶） NADHNADH：还原型辅酶还原型辅酶w 它是由它是由NADNAD+ +接受多种代谢产物

10、脱氢得到的产物。接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADHNADH所携带的高能电子所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电是线粒体呼吸链主要电子供体之一子供体之一。w NADHNADH Q Q还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有质复合物。最少含有1616个多肽亚基。它的活性个多肽亚基。它的活性部分含有辅基部分含有辅基FMNFMN和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。w FMNFMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型形成还原型FMNHFMNH2 2。还原型还原型FMNHFMNH2 2可以进一步将电可以进一步将电子转

11、移给子转移给Q Q。铁硫蛋白铁硫蛋白w 铁硫蛋白铁硫蛋白( (简写为简写为Fe-S)Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白是一种与电子传递有关的蛋白质，它与质，它与NADHNADH Q Q还原酶的其它蛋白质组分结合成复合还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) (4Fe-4S) 形式形式存在。存在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过铁硫蛋白通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 变化起变化起传递电子的作用传递电子的作用半胱半胱

12、S S SFe FeS S S半胱半胱 NADHNADH 泛醌还原酶泛醌还原酶w简写为简写为NADHNADH Q Q还原酶还原酶, , 即复合物即复合物I I，它它的作用是的作用是催化催化NADHNADH的氧化脱氢以及的氧化脱氢以及Q Q的的还原还原。所以它既是一种脱氢酶，也是。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。一种还原酶。 w NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2NADH Q还原酶还原酶 泛醌泛醌w （简写为（简写为Q Q）或辅酶或辅酶-Q-Q（CoQCoQ）：）：它是电子传递链中唯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。一的非蛋白电子载体。为一种脂

13、溶性醌类化合物。Q Q ( (醌型结构醌型结构) ) 很容易接受电子和质子，还原成很容易接受电子和质子，还原成QHQH2 2（还还原型）；原型）；QHQH2 2也容易给出电子和质子，重新氧化成也容易给出电子和质子，重新氧化成Q Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。电子和质子的传递体。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10 泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶w 简写为简写为QHQH2 2-cyt. c-cyt. c还原酶还原酶, , 即复合物即复合物III, III, 它是它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合

14、物，其作用线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型是催化还原型QHQH2 2的氧化和细胞色素的氧化和细胞色素c c（cytcyt. c. c）的还原。的还原。w QHQH2 2-cyt-cytc c 还原酶还原酶w QHQH2 2 + 2+ 2cytcytc (Fec (Fe3+3+) = Q + 2 ) = Q + 2 cytcytc c (Fe (Fe2+2+) + 2H) + 2H+ +w QH QH2 2-cyt-cytc c还原酶由还原酶由9 9个多肽亚基组成。活性部分个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素主要包括细胞色素b b 和和c c1 1，以及铁硫蛋白以及铁硫蛋

15、白（2Fe-2S2Fe-2S）。）。细胞色素细胞色素w （简写为（简写为cytcyt. . ）是含铁的是含铁的电子传递体电子传递体，辅基为，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，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同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c a, b, c 和和c c1 1等，组成它们的辅基分别为血红素等，组成它们的辅基分别为血红素A A、B B和和C C。细胞色素细胞色素a, b, ca, b, c可以通过它们的紫外可以通过它们的紫外- -可见吸

16、可见吸收光谱来鉴别。收光谱来鉴别。w 细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ 的互变起传的互变起传递电子的作用的。递电子的作用的。 细胞色素细胞色素c c（cytcytc c）w 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于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。它与细线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素胞色素c c1 1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。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，在电子传递过程中，cyt.ccyt.c通过通过FeFe3+3+ Fe Fe2+2

17、+ 的互变起的互变起电子传递中间体作用。电子传递中间体作用。w 由于由于QHQH2 2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分它组分( (如如cyt.ccyt.c) )都是单电子传递体，所以，实际反应都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。情况比较复杂。QHQH2 2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给白，传递给cyt.ccyt.c，本身形成半醌自由基（本身形成半醌自由基（QHQH ）；）；另另一个电子则传递给一个电子则传递给cyt.bcyt.b。还原型还原型cyt.bcyt.b可以将可以将QHQH 还还原成

18、原成QHQH2 2。其结果是通过一个循环，其结果是通过一个循环，QHQH2 2将其中的一个电将其中的一个电子传递给子传递给cytcyt. c. c。 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶w 简写为简写为cyt.ccyt.c 氧化酶，即复合物氧化酶，即复合物IVIV，它是位于它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由1212个多肽个多肽亚基组成。活性部分主要包括亚基组成。活性部分主要包括cyt.acyt.a和和a a3 3。cytcyt. . a a和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。含有铜原子。cyt.

19、acyt.a a a3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受体。w 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生CuCu+ + Cu Cu2+2+ 的互变，将的互变，将cyt.ccyt.c所携带的电子传所携带的电子传递给递给O O2 2。琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶w 琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸物，它在琥珀酸-Q-Q还原酶（复合物还原酶（复合物IIII）催化下，将两个催化下，将两个高能电子传递给高能电子传递给Q Q。再通过再通过QHQH2 2-cyt.c

20、-cyt.c还原酶、还原酶、cyt.ccyt.c和和cyt.ccyt.c氧化酶将电子传递到氧化酶将电子传递到O O2 2。 w 琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, , 它比它比NADH-QNADH-Q还原酶的结构简单，由还原酶的结构简单，由4 4个不同的多肽亚基个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基组成。其活性部分含有辅基FADFAD和铁硫蛋白。和铁硫蛋白。w 琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q Q的的还原还原。第三节第三节 能量代谢中生物能的产生、转移和储存能量代

21、谢中生物能的产生、转移和储存w 在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物( (氧化剂）接受电子。氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从在线粒体呼吸链中，推动电子从NADHNADH传递到传递到O O2 2的力，是由于的力，是由于NADNAD+ + / NADH + H / NADH + H+ + 和和1/2 O1/2 O2 2 / H/ H2 2O O两个半反应之间存在很大的电势差。两个半反应之间存在很大的电势差。w (a) (a) O O2

22、 2 + 2 H + 2 H+ + + 2 e + 2 e- - H H2 2O EO E0 0 = +0.82 V = +0.82 Vw (b) NAD(b) NAD+ + + H + H+ + + 2 e + 2 e- - NADH E NADH E0 0 = -0.322 V = -0.322 V w 将将 (a) (a) 减去减去 (b)(b)，即得即得 (c) (c) 式：式：w (c)(c) O O2 2 + NADH + 2H + NADH + 2H+ + H H2 2O + NADO + NAD+ + E E0 0 = +1.14 V = +1.14 Vw G G =- =-n

23、FnF E E0 0 =-2 =-2 96500 96500 1.14 = -220 kJ / 1.14 = -220 kJ / molmol一、氧化还原与自由能的变化二、电子传递和二、电子传递和ATP的合成的合成w NADHNADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到粒体呼吸链传递到O O2 2的过程中，释放出大的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与反应与ADPADP和磷酸合成和磷酸合成ATPATP的需能反应相偶的需能反应相偶联，是联，是ATPATP形成的基本机制。形成的基本机制。（1 1）AT

24、PATP酶复合体酶复合体w 线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为球状颗粒，称为ATPATP酶复合体，是酶复合体，是ATPATP合成的场合成的场所。所。w ATPATP酶，含有酶，含有5 5种不同的亚基（按种不同的亚基（按3 3 、3 3 、1 1 、1 1 和和1 1 的比例结合）。的比例结合）。OSCPOSCP为一个蛋白，是能为一个蛋白，是能量转换的通道。量转换的通道。F F0 0为一个疏水蛋白，是与线粒为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。体电子传递系统连接的部位。w 线粒体呼吸链的电子传递过程是在内膜上线粒体呼吸链的电

25、子传递过程是在内膜上进行的。进行的。（2 2）ATPATP合成反应合成反应- -氧化磷酸化氧化磷酸化w 生物氧化的释能反应与生物氧化的释能反应与ADPADP的磷酰化反应偶联合成的磷酰化反应偶联合成ATPATP的的过程，称为氧化磷酸化。过程，称为氧化磷酸化。w 根据氧化根据氧化- -还原电势与自由能变化关系式，计算出在还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADHNADH氧化过程中，有三个反应的氧化过程中，有三个反应的 G G -30.5 kJ / -30.5 kJ / molmol。 w FMNHFMNH2 2 Q Q cytcyt. b . b cytcyt. c. c1 1 cytcyt.

26、a a. a a3 3 O O2 2w G G -55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moLw 这三个反应分别与这三个反应分别与ADPADP的磷酰化反应偶联，产生的磷酰化反应偶联，产生3 3个个ATPATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。这些反应称为呼吸链的偶联部位。w 从琥珀酸从琥珀酸 O O2 2只产生只产生2 2个个ATP.ATP.三三 胞液中胞液中NADPH和和NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化NADPH + H+NADP+异柠檬酸线粒体内膜异柠檬酸穿梭作用异柠檬酸穿梭作用异柠檬酸NA

27、D +-酮戊二酸NADH + H+呼吸链(3ATP)-酮戊二酸NADH + H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-磷酸线粒体内膜甘油甘油-磷酸穿梭作用磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2(2ATP)酵解酵解NADH草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸草酰乙酸NADH天冬氨酸天冬氨酸NADH呼吸链呼吸链(3ATP)苹果酸苹果酸-天冬氨酸转运天冬氨酸转运NADH系统系统3. 氧化磷酸化作用机理氧化磷酸化作用机理化学渗透学说化学渗透学说 氧化磷酸化作用的关键因素是质子（氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和

28、完整梯度和完整的线粒体内膜。的线粒体内膜。化学偶联学说化学偶联学说(高能中间产物高能中间产物学说学说) )形成高能中间产物，促使形成高能中间产物，促使ATP生成。生成。结构结构(构象）偶联学说构象）偶联学说Ared + Box 2eA*ox +BredA*ox + ADP +Pi Aox + ATP1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。n 化学渗透学说 四、非线粒体氧化体系四、非线粒体氧化体系与与ATP合成无关，但具有重要生理功能。合成无关，但具有重要生理功能。1 微粒体氧化体系微粒体氧化体系催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。催化分子氧中二

29、个氧原子分别进行不同的反应。一个一个O加到底物分子上，另一个加到底物分子上，另一个O则与则与NADPH上的二个上的二个H作用形成作用形成H2O，不生成不生成ATP。加单氧酶加单氧酶。生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。RH + O2 + NADPH + H+ ROH + NADP + H2O2 过氧化物酶体系过氧化物酶体系氧是维持生命必需的物质氧是维持生命必需的物质,但也有毒性但也有毒性,机体长时间在纯氧中机体长时间在纯氧中呼吸可致呼吸紊

30、乱呼吸可致呼吸紊乱,乃至死亡乃至死亡.这与生物氧化过程中大量产生这与生物氧化过程中大量产生过氧化氢等有关过氧化氢等有关.H2O2的功用：参与甲状腺中活性碘的生成；在中性粒细胞的功用：参与甲状腺中活性碘的生成；在中性粒细胞中可杀死被吞噬进的细菌；使过氧化物（中可杀死被吞噬进的细菌；使过氧化物（ROOH）转变为转变为无毒的醇类。无毒的醇类。H2O2的毒性：使酶失活；损伤膜功能；生成脂褐素颗粒。的毒性：使酶失活；损伤膜功能；生成脂褐素颗粒。第四节、生物能的利用第四节、生物能的利用w 一、生物能和一、生物能和ATPATPw 1. ATP1. ATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式w ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形是能够被生物细胞直接利用的能量形式。式。w 2. 2. 生物化学反应的自由能变化生物化学反应的自由能变化w 生物化学反应与普通的化学反应一样生物