能量代谢生物氧化

1、第八章 生物氧化,主要内容：介绍生物氧化的概念。重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。,返回,思考,目录,第一节 生物氧化的特点和方式 第二节 电子传递和氧化磷酸化 第三节 其它氧化体系（自学）,第一节 生物氧化的特点和方式,一、生物氧化的特点 二、生物氧化过程中CO2的生成 三、生物氧化过程中H2O的生成 四、有机物在体内氧化释能的三个阶段,糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反

2、应过程。,生物氧化的特点,在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体

3、传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,小分子化合物分解成共同的中间产物(如乙酰CoA),共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物体内能量产生的三个阶段,第二节 电子传递和氧化磷酸化,一、生物体电子传递的方式与电子载体 二、线粒体呼吸链及其组成 三、氧化磷酸化作用 四、氧化磷酸化的调节及抑制,生物体电子传递的方式,呼吸

4、链及其组成,一、呼吸链的概念 二、呼吸链的组成 三、呼吸链中传递体排列顺序的确定 四、呼吸链电子传递过程自由能计算,呼吸链的电子载体,1、以NAD(P)为辅酶的脱氢酶 2. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 3. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 4. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 5. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（F AD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,以

5、NAD或NADP为辅酶的脱氢酶,特点：不以氧为直接受氢体，存在于线粒体、基质或胞液中，以NAD+ 或NADP+为递氢辅酶。,传递氢机理:,黄素蛋白酶类,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,铁硫蛋白的结构及递电子机理,S Fe,1Fe 0S2- 4Cys,2Fe 2S2- 4Cys,4Fe 4S2- 4Cys,特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在(Fe2S2, Fe4S4 )，构成Fe-S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋

6、白质相连结。,CoQ （ubiquinone）,特点：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。,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH2,细胞色素(cytochromes),特点：以血红素(heme)为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。 类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,细胞色素血红素的结构,线粒体呼吸链,线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物

7、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（eclctron transfer chain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,呼吸链的组成,复合物 II,琥珀酸-辅酶Q还原酶,辅酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,NADH,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH-辅酶Q还原酶,细胞色素bc1复合物,

8、细胞色素c氧化酶,II,III,IV,I,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,2e,NADH-辅酶Q还原酶,复合物 I,琥珀酸-辅酶Q还原酶,复合物 II,复合物III 细胞色素bc1复合物,QH2+ Q- +2H+ (内侧) + Cyt C1(氧化型) QH2+2H+ (外侧) +Cyt C1(还原型),QH2+Cyt C1(氧化型) Q-+2H+ (外侧) +Cyt C1(还原型),CoQ在呼吸链电子传递的

9、作用1,FMN Fe-S,QH2,Cyt b Cyt C1(Fe-S),Cyt aa3 ( 2Fe2+,2Cu+),III,IV,FAD Fe-S,e-,Complex I,Complex II,2e-,(线粒体内膜外側),(线粒体内膜内側),NADH,琥珀酸,2H,2H,2H,呼吸链电子传递的Q循环,FMN Fe-S,QH2,Cyt b565 Cyt b562 Cyt C1(Fe-S),Cyt aa3 ( 2Fe2+,2Cu+),III,IV,FAD Fe-S,e-,Complex I,Complex II,(线粒体内膜外側),(线粒体内膜内側),NADH,琥珀酸,2H,2H,2e-,复合物

10、IV细胞色素c氧化酶,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,电子传递链标准氧化还原自由能变化,利用电子传递抑制剂确定呼吸链中电子传递体排列顺序图解,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G= -nFE = -296.50.82-(-0.32) = -220.07千焦mol-1,三、氧化磷酸化作用,1、 氧化磷酸化的概念 2、氧化磷酸化的偶联机理 3、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,氧化磷酸化,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

11、化磷酸化。,类别： 底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,2、氧化磷酸化的偶联机理,(1)线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase） (2)能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说,(3) ATP合成的机制旋转催化理论 (4) P/O比和氧化磷酸化效率,Mitchell 1978年获诺贝尔化学奖,线粒体ATP合酶,ATP合酶结构示意图,定子,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,基质表面,外表面,DCCD二环己基碳二亚胺,OSCP寡霉

12、素敏感性付与蛋白,氧化磷酸化重建示意图,呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，这种电化学梯度转变为质子驱动力，驱使H+返回线粒体基质。由于线粒体内膜对H+的不通透性，H+只能通过内膜上的质子通道F0返回，这样H+驱动力为ATP的合成提供了能量。,化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis),化学渗透假说模型,线粒体外间隙,基质,琥珀酸,延胡索酸,ADP+Pi,ATP,NADH+H+ NAD+,4H+,2H+,4H+,内侧呈碱性pH产生化学能,质子迁移驱动ATP合成,内侧呈负电性产生电极电势,Boye

13、r和Walker的工作,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,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合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,ATPase的旋转

14、催化模型,旋转催化理论认为当质子流通过Fo单元返回基质时，触发了C亚基的旋转， C亚基带动、以至()3复合物一起旋转,使 和亚基发生构象变化，从而导致ATP的合成。亚基的中心 -螺旋被认为是转子, a、b与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,ATP酶作用机理,ATP,有于ADP与Pi结合的构象,有于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,H2O,2H+,Cytc,Cytc,Cytc,Q,FMN,FeS,FeS,Cytc1,CytbK,Cytbr,Cyta,FeS,Cyta3,2e-,2e-,NADH+H+,NAD+,O2 +2H+ H2O,4H+,4H+,2H+,磷氧比(P

15、/O)指每消耗1摩尔原子氧使无机磷酸（Pi）渗入到ATP中的摩尔数,或指每对电子经呼吸链传递给氧原子所产生的ATP分子数。一对电子从NADH或从FADH2传递到氧,分别有10个或6个电子传递到膜外侧,已知每形成一个ATP需要消耗4个质子,合成一个ATP分子是由3个H+通过ATP合酶所驱动,多余的一个H+ ,可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。故NADH呼吸链的磷氧比为2.5, FADH2呼吸链为1.5.,(4)磷氧比(P/O)和氧化磷酸化效率,FAD,FeS,琥珀酸,延胡索酸,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程

16、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 ，因此测定P/O可推测一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,3、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用, 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸天冬氨酸穿梭系统,-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,

17、NAD+,线粒体基质,NADH+H+,谷草转氨酶,谷草转氨酶,（、 、 、 为膜上的转运载体）,呼吸链,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：30 ATP 或 32 ATP,葡萄糖彻底氧化生成ATP的总结算,葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环形成的ATP或GTP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确，因为质子泵、 ATP的合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要是固定值，根据当前最新测定， H+经NADH-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体内膜基质泵出到膜外的细胞液侧时，一对电子泵出的质子数依次为4、2和4。合成一个ATP分

18、子是由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的一个H+ ，可能用于将ATP从基质运往膜外细胞溶胶。因此一对电子从NADH传至02，所产生的 ATP分子数是2.5个。在细胞色素还原酶的水平进人电子传递链的电子，如琥珀酸，或细胞液中的NADH，它们的电子对只产生1.5个ATP分子。这样，当一分于葡萄糖彻底氧化为CO2和水所得到的ATP分子数和过去传统的统计数(36个ATP)少了6个ATP分子，成为30个。,四、氧化磷酸化的调节及抑制,1、能荷对氧化磷酸化的调节作用 2、电子传递抑制剂 3、氧化磷酸化的解偶联剂 4、氧化磷酸化抑制剂,能 荷,意义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸