简明生物化学原理 课件 第8章 代谢总论与生物氧化2

MetabolismOverviewandBiologicalOxidation简明生物化学原理第8章代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论二、生物能学三、生物氧化四、氧化磷酸化本章内容第Ⅰ阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。第Ⅱ阶段，小的燃料分子分解为几种常见的中间物，主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。第Ⅲ阶段，有一条途径组成，即Krebs循环，又叫柠檬酸循环或三羧酸(TCA)循环。中间物被完全氧化成CO2，生成的电子传递给NAD+或FAD并释放少量能量，其中的中间物又可作为生物合成的原料。第Ⅳ阶段，包括电子传递和氧化磷酸化，电子传递给O2，H2O生成，释放的大量能量用于ATP的生成。所有有机物都有共同的代谢过程-CH→H(载体）→H2O细胞需要持续不断的能量供应NADH,NADPH和ATPATP–通用的能量货币NADPH–生物还原剂葡萄糖-->NADH-->ATP葡萄糖-->NADPH-->生物合成

代谢中的能量考虑（一）生物氧化的方式及特点一、生物氧化的概念

有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程如葡萄糖——

6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）

碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能三、生物氧化生物氧化的特点：1、氧化的本质是电子转移(1)直接进行电子转移Fe2+Cu2++Fe3++Cu+(2)氢原子的转移AH2B+A+BH2(3)有机还原剂直接加氧RHO2+ROH+H2O+2H++2e2、在细胞中进行；3、在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行；4、能量的释放也是逐步进行的，且转移到一些高能化合物中去；5、生物氧化的部位：在真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内进行，在原核生物中，生物氧化在细胞膜上进行。线粒体的基本结构电子传递链：在线粒体内膜上，由递氢体和递电子体组成的、按一定顺序排列的、与细胞利用氧密切相关的链式反应体系，称为呼吸链。又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。递氢体：呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基递电子体：呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基（二）线粒体的电子传递链反应部位：真核生物：存在于线粒体内膜上

原核生物：质膜线粒体的电子传递链递氢体递电子体：

1.呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）利用电子传递抑制剂选择性阻断；3）拆开和重组4）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定（1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序（2）电子传递链的体外重组实验证明电子传递链有顺序，不能越位进行（3）电子传递抑制剂试验ReducedOxidizedReducedOxidizedReduced（4）还原状态呼吸链缓慢给氧利用呼吸链各组分特有的吸收光谱：离体线粒体，无氧而有过量底物（还原状态），缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。分类NADH途径

FADH2途径

2.电子传递链分类根据H的最初受体NADH呼吸链：NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2FADH2呼吸链FADH2CoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2CoQ是电子传递链的枢纽（四）电子传递链组分和作用电子传递链的组成NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体Ⅰ）（1）复合物I：NADH到泛醌 也称NADH：泛醌氧化还原酶，是一个大的酶复合物，由46条不同的多肽链组成，包括含FMN黄素蛋白（辅基）和多个铁硫中心（辅基）。高分辨率电子显微镜显示复合物I为L形，L的一个臂在膜内，另一臂伸展到基质中。(跨膜蛋白)

复合物I催化两个同时发生的偶联过程：

（1）NADH+H++QNAD++QH2

（2）4个质子由基质转到内膜外

因此，复合物I是由电子转移能所驱动的质子泵，结果内膜基质面变负，内膜外侧变正。1.组成呼吸链的成员电子在复合体I上的传递辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，电子传递链上唯一的非蛋白质成分，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。人类为Q10，聚异戊二烯侧链使CoQ成为脂溶性化合物，可以在线立体内膜迅速扩散。泛醌将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。辅酶Q的氧化还原2.复合物Ⅱ：琥珀酸到泛醌

也称琥珀酸脱氢酶，是TCA循环中唯一的一个线粒体内膜(标志酶)结合的酶，膜内侧的嵌入蛋白，含有两类辅基（FAD及Fe-S中心）。电子由琥珀酸流向FAD，然后通过Fe-S中心到泛醌。无质子泵功能。呼吸链上还有其他底物的电子流经Q，但不经过复合物II：如脂酰CoA脱氢酶、3-磷酸甘油脱氢酶,往往将这些由FAD作为辅基的脱氢酶统称为琥珀酸脱氢酶类。复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）FAD;Fe-S1;

b560;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸→→CoQ琥珀酸脱氢酶+3×(Fe-S)+Cytb5603.复合物Ⅲ：泛醌到Cytc又称细胞色素bc1复合物：细胞色素c氧化还原酶。作用：偶联催化电子由氢醌到Cytc的转移和质子由膜内基质向膜外空间的运输。质子泵功能：4个质子由基质转到内膜外。

Q循环（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给CytcCytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，是唯一能溶于水的细胞色素，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta·a3。Cytc2e-内膜外内4、复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：

a·a3是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。将电子从细胞色素c传递给氧，同时每传递2个电子，泵出2个H+到线粒体内膜外组成：Cyta、Cyta3、Cu，没有铁硫蛋白2H+内膜外内

电子传递的顺序为：Cytc-CuA-a-a3-CuB-O2，每4e通过复合物时，酶从基质中消耗4个“底物”H+，生成2H2O，每通过1e，利用氧化还原反应的能量泵出1H+到内膜外空间。电子在复合体IV上的传递复合物Ⅳ的电子流向细胞色素CCuA血红素a血红素a3CuB，最后交给分子氧形成水Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。电子在各复合体和复合体之间的传递（五）电子传递链的抑制剂能够阻断呼吸链中某部位电子传递过程的药物或毒物称为电子传递抑制剂。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、杀粉蝶菌素、鱼藤酮、安密妥等；能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇；能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。几种呼吸链抑制剂的作用位点四、氧化磷酸化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)电子传递体系磷酸化(electrontransportphosphorylation)底物分子首先因脱氢、脱水等作用形成一种高能中间化合物;高能中间化合物是由于底物氧化时底物内分子重排形成的；高能键通过转磷酰基给ADP，转移时有非常大的平衡常数和一个大的ΔGº’

负值；一分子高能中间化合物只能形成一个ATP；基质水平磷酸化是酵解过程中获取能量的唯一方式。底物水平磷酸化

(SubstrateLevelPhosphorylation)（一）氧化磷酸化与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程

,又叫偶联磷酸化。

偶联部位:

电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP

（二）氧化磷酸化的偶联机理1、化学偶联假说

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FoF1-ATP酶分子使之发生构象变化，FoF1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。3、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

1961由PeterMitchell（1920-1992）（英国生化学家）提出。

完整的线粒体膜是氧化磷酸化必须的 线粒体内膜对H+等离子具不通透性实验证据电子传递时H+由内向外泵出 在ATP形成时，H+由外向内流动

解偶联剂解除H+不通透性，同时解除ATP合成

线粒体膜翻转后，H+由外向囊泡内流动化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。

当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶

利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。化学渗透学说要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—Fo复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。氧化和磷酸化的偶联泵出10个H需要200kJ/mol1997年诺贝尔化学奖ATP合酶

自然界最微小的轮轴系统4.ATP合酶由亲水部分F1和疏水部分Fo组成F1主要由α3β3γδε亚基组成

其功能是催化生成ATP，催化部位在β亚基中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。Fo是质子通道.

此外,在Fo和F1之间的柄部存在，其中一个称之为寡霉素敏感蛋白(OSCP)，使

ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。ATP合成的机制

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理，提出旋转催化假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T（tight）构象底物与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起;在O（open）构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。F1Fo-ATP合酶催化的反应的历程ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+

H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-5.ATP转运

线粒体利用质子推动力合成ATP，但ADP和Pi必须运到线粒体内，同时合成好的ATP必须能运出线粒体以便在胞质中提供能量。

腺苷酸转位酶是线粒体内膜上的酶，为逆反转运体，可以把ADP和Pi转运到线粒体内，也能把合成的ATP从线粒体运到胞液。腺苷酸和磷酸转位酶6.氧化磷酸化中的P/O比P/O值:代谢物脱下的一对氢和电子经呼吸链氧化生成水，这一过程中所产生的ATP分子的数目（即消耗1个O原子所产生ATP的数目）称为磷氧比（P/O）。

NADH呼吸链：P/O=2.5FADH呼吸链：P/O=1.5一个ATP需要3+1个H+

形成一个ATP需要的4个H+目前被广泛接受的观点是：ATP、ADP和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成1个ATP需要3个质子通过ATP合酶。与此同时，把一个ATP分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗1个质子，所以每形成1个分子的ATP就需要4个质子的流动。因此，如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出10个质子，则可形成2.5个分子ATP；如果一对电子通过FADH2电子传递链有6个质子泵出，则可形成1.5个ATP分子。每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP

底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.51P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主链产能部位:第一部位NADH------CoQ产生1个ATP，4个H+

第二部位CoQ-------CytC产生1个ATP，4个H+

第三部位CytC1--------O2产生1个ATP，2个H+

7.影响氧化磷酸化的因素（1）呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。如氰化物（2）解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：2，4-二硝基苯酚，解偶联蛋白（3）氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素抑制剂呼吸链电子传递抑制剂X氧化磷酸化抑制剂(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—Fo复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。内膜bdgebab内膜aadge2H+2H+2H+2H+2H+寡Fo中的一个亚基可结合寡霉素（oligomycin)，这也是Fo里o的来源，许多人误认为是0氧化磷酸化抑制剂X这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。

解偶联蛋白（uncouplingprotein）是存在于某些生物细胞线粒体内膜上的蛋白质，为天然的解偶联剂。如动物的褐色脂肪组织的线粒体内膜上分布有解偶联蛋白，这种蛋白构成质子通道，让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，抑制ATP合成而产生热量以增加体温。新生儿的棕色脂肪组织（也称为褐色脂肪组织，其中含有较多的线粒体、细胞色素，血液供应也较多，比白色脂肪组织易分解供能）

解偶联蛋白主要存在于脑和骨骼肌中。涉及两个酶：胞液中的依赖于NAD+的甘油-3-磷酸脱氢酶

线粒体内膜上的甘油-3-磷酸脱氢酶复合物经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生1.5分子ATP。主要存在于肝和心肌中。涉及的酶及蛋白：苹果酸脱氢酶，谷草转氨酶，苹果酸-α-酮戊二酸转运蛋白，谷氨酸-天冬氨酸转运蛋白。经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成2.5分子ATP。该途径可逆，只有当胞液中的NADH/NAD+比基质高时，可转运NADH