生物化学第八章生物氧化.ppt

1、第八章 生物氧化,第一节 新陈代谢与生物氧化概述 第二节 电子传递链 第三节 氧化磷酸化 第四节 其它的末端氧化酶 第五节 小 结,第一节 新陈代谢与生物氧化概述,新陈代谢 生物氧化的概念和特点 自由能和氧化还原电位 高能磷酸化合物 生物氧化的生物学意义,新陈代谢简述,新陈代谢的概念 新陈代谢的研究方法,新陈代谢,概念：生物能从自己周围的环境摄取适当的物质，把它同化，而体内的其他比较老的部分则被分解、排泄掉，这个过程即是新陈代谢。包括合成代谢和分解代谢两个过程。 各种生物都有各自特异的新陈代谢类型，此特异类型决定于遗传，环境条件也有一定的影响。,合成代谢与分解代谢,分解代谢：有机营养物，不管是

2、从外界环境获得的，还是自身贮存的，通过一系列反应步骤转变成为较小的、较简单的物质的过程叫做分解代谢（catabolism）。 合成代谢：是生物体利用小分子或者大分子的结构元件建造成自身大分子的过程叫做合成代谢（anabolism）。 生物体内合成代谢和分解代谢不是采用同一途径完成的，他们之间可能有部分的共同途径，但是不会完全采用同一途径；在真核细胞中，这两个过程不只是采用不同途径，甚至同一物质的两个过程在细胞的不同部位进行。,新陈代谢的研究方法,活体内和活体外实验：活体内实验(in vivo)代表生物体在正常生理条件下，在神经、体液等调节机制下的整体代谢情况，比较接近生物体的实际情况；活体外实

3、验(in vitro)是用生物体分离出来的组织切片等物质研究代谢过程。 同位素示踪法：特异性强、灵敏度高，但是容易造成污染。 代谢途径阻断法：利用抗代谢物或酶的抑制剂来阻抑中间代谢的某一环节，观察这些反应被阻断后的结果，推测代谢情况。 此外还有利用遗传缺陷症进行研究或者采用核磁共振波谱法进行研究的新研究方法出现。,生物氧化的概念和特点,生物氧化概念：生物氧化也叫做细胞氧化，是指糖、脂肪、蛋白质等有机化合物在活细胞内氧化分解，产生二氧化碳和水并释放能量的过程。 生物氧化的特点 生物氧化的方式 生物氧化的关键所在,生物氧化的特点,在细胞内进行，是在常温、常压近于中性的水环境中进行的； 在一系列酶、

4、辅酶和中间产物传递体的作用下逐步进行的； 体内氧化所产生的能量是逐步发生、分次释放的； 释放的能量先转化成高能中间产物，再由其转移给需要的部位。,生物氧化的方式,加氧：在物质分子中直接加入氧； 脱氢：加水脱氢、直接脱氢； 脱电子：通过电子传递链脱电子。,生物氧化的关键所在,代谢物分子中的碳如何转化成为CO2，通过2种方式（直接脱羧和氧化脱羧）； 代谢物分子中的氢如何与分子氧结合生成水，是与呼吸作用中氧气结合，通过电子传递链达到形成水的过程。,自由能和氧化还原电位,自由能 氧化还原电位：氧化还原电位是指一个氧化还原对失去电子或者得到电子的倾向；一般规定标准氢电极电位为零。 生物体内则取酸碱度中性

5、条件下的标准条件为界定下的标准氧化还原电位为EO 电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。,高能磷酸化合物,概念 种类 ATP在能量转化中的作用,概 念,生物体内有一些磷酸化合物随着磷酸基团的水解和转移，可以释放出大量的自由能，这类物质就叫做高能磷酸化合物。 凡是随着高能磷酸化合物水解或基团转移时释放出大量自由能的键，叫做高能键，用“”表示。,种 类,磷氧键型：氨甲酰磷酸、磷酸希醇式丙酮酸、三磷酸腺苷等； 磷氮键型：磷酸肌酸； 硫碳键型：乙酰辅酶A、S-腺苷甲硫氨酸等,ATP在能量转化中的作用,由于ADP结构中某些电子所处的位置正是其具有最小能量的构象，因此ATP在水解成ADP时释放的能

6、量较多； 严格意义上ATP仅仅是能量的携带者。 磷酸原的概念：以高能磷酸形式贮存能量的物质，统称为磷酸原（phosphagens），包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸等。,生物氧化的生物学意义,所有生物必须通过生物氧化释放能量； 生物氧化产生大量中间产物用于生物体内的其他的代谢途径。,第二节 电子传递链,电子传递链的概念 线粒体 电子传递链的组成 电子传递过程 电子传递链 电子传递链的抑制剂 电子传递链的图示,电子传递链的概念,在生物氧化过程中，从代谢物上脱离下来的氢，经过一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系叫做呼吸链。 在传递过程中，在很多部位氢原子实际上是以质子氢的形式进入基质，仅仅发生电

7、子转移，因此也把呼吸链叫做电子传递链。 包括NADH电子传递链和FADH2电子传递链。 生物体内也有其他形式的电子传递链。,线粒体,线粒体（mitochondria）是真核生物氧化代谢的部位。线粒体内含有丙酮酸脱氢酶、柠檬酸循环酶系、催化脂肪氧化的酶系、电子传递和氧化磷酸化的酶系等。,线粒体的形状、大小因来源和代谢状态不同而有差异。,内膜将线粒体划分为两个部分，膜间隙和内部基质，其中内膜蛋白质含量较高，并且是重要的代谢的场所。,电子传递链的组成,电子传递链是一系列电子传递体按对电子的亲和力逐渐上升的顺序组成的电子传递系统。 NAD+和NADP+：是许多酶的辅酶，其中NAD+比较常见； 黄素蛋白

8、（FAD或者FMN）：多为酶的辅基； 铁硫蛋白（Fe-S）：利用铁的化合价的改变传递电子； 泛醌（辅酶Q）：是电子传递链中唯一的非蛋白质组分； 细胞色素（Cyt）：通过其中铁化合价的改变进行电子传递，包括很多种，a、a3、b、c、c1。,铁硫蛋白,铁硫蛋白主要有两种类型：表示为2Fe-2S簇和4Fe-4S簇。他们含有数量相同的铁原子和硫离子，并且都与4个蛋白质半胱氨酸的巯基配位。 铁-硫簇可以进行单电子的氧化和还原。,细胞色素,细胞色素的种类很多，b、c、c1都是以血红素作为辅基，而aa3是以血红素A为辅基。细胞色素几乎存在于所有的生物体内，只有少数专性厌氧微生物没有。,电子传递过程,电子的传

9、递发生在相邻的传递体之间，它的传递方向取决于每个电子具有的电化学势能的大小，同时还伴随着H+的结合与释放，通过这种步骤使H+能够定向转移，通过H+的定向转移维持质子的跨膜电势，从而推动ATP的合成。,电子传递链,从电子传递链的几个复合体来理解电子传递链,电子传递链中的复合体,NADH-Q还原酶 辅酶Q 琥珀酸-Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素C 细胞色素氧化酶 复合体表格,NADH-Q还原酶,也叫做NADH-Q脱氢酶，称为复合体，含有43条肽链，总相对分子质量850kDa，电子传递链中3个质子泵中的第一个；含有1分子FMN和至少6个铁硫中心。,作用：首先与NADH结合，将2个高势能电子转移到

10、FMN辅基上，使NADH氧化，反应过程如下：NADH+H+FMNNAD+FMNH2 其次，FMNH2继续将电子转移到Fe-S蛋白中，使Fe的价态发生改变：FMNH2 Fe-S（Fe 3+ Fe 2+）,辅酶Q （Ubiquinone）,在线粒体中，辅酶Q是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以以游离状态存在； 辅酶Q和FMN都是NADH-Q脱氢酶的辅酶； 作用：氧化性CoQ（醌型）半醌中间体还原型CoQ（QH2），是一个接受电子和氢的过程。,氧化型,还原型,半醌,底物到辅酶Q的流动情况,醌形态的转变,辅酶Q的变化,由于辅酶Q含有很长的脂肪族侧链，所以容易结合到膜上或与膜脂混溶,琥珀酸-Q还原

11、酶,复合体，它是镶嵌在线粒体内膜上的膜蛋白，FADH2是该酶的辅基，含有柠檬酸循环酶-琥珀酸脱氢酶和其他3个小疏水亚基。在电子传递时不与酶分离，只是将电子和氢传递；氧化还原基团包括与其共价结合的FAD、一个4Fe-4S簇、2个2Fe-2S簇合1个细胞色素b560。 作用：FADH2+ 2Fe-S（Fe 3+）FAD+ 2Fe-S（Fe 2+）+2H+ 氧化型CoQ+2e+2H+ 还原型CoQ（QH2）,细胞色素还原酶,细胞色素还原酶由1个细胞色素c1、2个细胞色素b、1个2Fe-2S组成，名称多种多样，也叫做复合体、辅酶Q-细胞色素C还原酶等，是第二个质子泵位置； 细胞色素还原酶在线粒体内膜排

12、列不对称，细胞色素c1和Fe-S在内膜，细胞色素b贯穿整个线粒体内膜。 作用：复合体的功能是使1分子CoQH2还原两分子细胞色素c，它是通过两个意想不到的电子流分支，即电子从CoQH2分别流向细胞色素c1和细胞色素b来完成的，这就是所谓的Q循环，使复合体将质子由基质泵到膜间隙。,单体,二聚体,Q循环,A阶段：第一个QH2 将携带的一个高势能电子转移到Cyt还原酶中的Fe-S中，再经过Cytc1传递到Cytc，这时候QH2 变成半醌形式的阴离子Q- （1号），而Q- 中的电子很快转移到Cytb上，这个时候Q- 变成Q，而Cytb结合电子后与膜另一侧的游离Q结合生成Q- （2号）。 B阶段：第二个

13、QH2 将携带的一个高势能电子转移到Cyt还原酶中的Fe-S中，过程与A阶段相同，但是区别在于Cytb接受电子后没有将电子传递给游离的Q，而是A阶段生成的Q- （2号），让它变成QH2。 整个阶段消耗了两个QH2 和1个CoQ，生成1个QH2和两个氧化型的CoQ。,细胞色素C,相对分子量13000，是唯一溶于水的细胞色素，存在于线粒体内膜和外膜之间。细胞色素c的示意图 作用：与细胞色素还原酶中Cytc1和细胞色素氧化酶（复合体）接触，起到在二者之间传递电子。,细胞色素c,细胞色素c与蛋白质结合示意图,细胞色素氧化酶,复合体，哺乳动物中是一个二聚体，单体相对分子质量约200kDa，是嵌在线粒体内

14、膜的跨膜蛋白，13个亚基组成，其中12个为跨膜蛋白，活性中心为Cyta、Cyta3、CuA（一对）、CuB（一个），形成2个复合体Cyta- CuA和Cyta3-CuB，前者位于亚基2上，后者位于亚基1上，此外，还有一个镁离子和一个锌离子。 作用： 催化4个连续的还原态Cytc分子进行单电子氧化，同时伴随氧分子的4电子还原。电子传递是线性的，传递顺序是Cytc 到CuA 中心，然后到血红素A，最后到血红素a3和CuB，是第三个质子泵。,复合体,氧化的双 核复合物,半还原,还原双核 复合物,氧化合物,过氧化合物,高铁化合物,细胞色素C氧化酶的反应过程：外圈的箭头表示4个被氧化的细胞色素C，提供4

15、个电子，同时需要提供4个质子。,电子传递链复合体及质子走向,复合体表格,电子传递链的抑制剂,能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的物质叫做电子传递链抑制剂，常见的电子传递链抑制剂有： 鱼藤酮：专一性阻断NADHCoQ的传递，还有安密妥等也可以； 抗霉素A：专一性阻断Cyt b Cyt c； 氰化物、叠氮化物等：阻断Cytaa3 氧。 具体的抑制图可以看书p153。如图,氰化物,电子传递链的图示1,电子传递链的图示2,第三节 氧化磷酸化,概念和类型 氧化磷酸化的作用机制 化学渗透假说 腺苷酸转化 线粒体穿梭系统 能荷 氧化磷酸化解偶联剂和抑制剂,概念和类型,类别： 底物水平磷酸化：在底物氧化过程

16、中，形成某些高能中间产物或者某种高能状态，再通过酶作用促使其将能量转给ADP生成ATP的过程； 电子传递链的磷酸化：电子经过电子传递链传递给分子氧，将所释放的能量转移给ADP生成ATP。,氧化磷酸化的作用机制,磷氧比（P/O）：就是指一对电子通过呼吸链传递到达分子氧时所产生的ATP的个数 ATP合成部位 氧化磷酸化偶联部位测定 氧化磷酸化偶联机制,ATP合成部位,电子传递链将电子传递到分子氧，共3个释放自由能的部位：NADHCoQ、 CoQ Cytc、Cytaa3 O2； 这3个部位刚好是产生ATP的部位，ATP的生成与电子传递链完全不同，由ATP合酶催化，也叫做复合体。而电子传递链所释放的能

17、量必须能够通过一种形式保存起来，这就是能量偶联或者能量转化，即氧化磷酸化的偶联。,ATP的产生部位,NADH + H+ + O2 H2O + NAD+ G = -220kJ/mol,氧化磷酸化偶联部位测定,用P/O比来测定：如果产生3个ATP那么就可以测到P/O比为3，当有抑制剂抑制的时候P/O比就会下降。 根据氧化还原电位差来判断：看课本P154。,氧化磷酸化偶联机制,化学偶联学说：1953年，Edward认为电子传递过程中产生一种活泼的高能共价中间物，它随后裂解驱动氧化磷酸化的作用； 构象偶联假说：1964年，Paul提出电子沿着电子传递链使线粒体内膜中蛋白质组分发生构象变化，形成一高能形

18、式，这种高能形式通过ATP的生成可以恢复； 化学渗透假说：1961年，Peter提出，获得诺贝尔奖，认为偶联与一种跨线粒体内膜质子梯度有关系，即电子传递链的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成H+ 电化学梯度，这种电化学电势驱动ATP合成。,（1）化学偶联假说（1953年）（掌握要点） chemical coupling hypothesis AH2+B+I-OH A I+BH2+OH- A I+X-H+OH- X I+A+H2O X I+P-OH X P+I-OH X P+ADP ATP+X-H AH2+B+ADP+P-OH A+BH2+ATP+H2O,化学渗透假说,化学渗

19、透假说的基本观点 化学渗透假说的实验证据 化学渗透假说可以解释很多关键现象 质子梯度的形成 ATP合成机制,化学渗透假说的基本观点,呼吸链中电子传递体在线粒体内膜中有特定的不对称分布，催化反应是定向的； 电子传递过程中，电子传递链复合体起质子泵作用，将H+从线粒体内膜泵到膜间隙； 线粒体对H+是不通透的，这样可以形成H+的浓度梯度，形成膜电位，推动ATP的合成； 线粒体F1-Fo-ATPase复合物在强大电子流作用下，可将H+进入膜内释放的自由能合成ATP； 整个电子传递过程中，10个（或者6个）H+泵到膜间，回到膜内会产生3个（或者2个）ATP。,化学渗透假说的示意图,化学渗透假说的实验证据

20、,将线粒体悬浮在无氧溶液中，通入氧气，每消耗一个分子的氧气，移出6分子的H+（NAD+），相对于FAD则移出4分子H+； 质子不能自由穿过线粒体内膜，氧化磷酸化作用要求线粒体内膜完整，凡是能破坏H+浓度梯度的试剂均能够破坏氧化磷酸化； 将内翻外的亚线粒体小泡悬浮在无氧缓冲液中时，通入氧时，介质的pH值上升； 将线粒体类囊体小泡悬浮在pH=4的溶液中，迅速改变pH值到8.5，加入ADP+Pi，可以生成ATP； 嗜热菌的体内的ATP酶系可以发现生成ATP。,实验证据,内膜外翻,氧化磷酸化恢复,pH值改变,化学渗透假说可以解释很多关键现象,氧化磷酸化作用的进行，需要封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H

21、+、OH-、K+、Cl-等都是不通透的； 破坏H+浓度梯度的形成，都必然破坏氧化磷酸化作用的进行； 线粒体电子传递形成的电子流能将H+从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙； 大量证据表明，膜表面不仅能够滞留大量的质子，而且在一定条件下，质子能沿着膜表面迅速的转移，其速度远远超过在水相中的速度。,质子梯度的形成,线粒体中电子传递使复合体推动H+跨过线粒体内膜到膜间隙，如P157图7-8。 质子的泵出是需要能量的； 质子的泵出有2种假说，包括氧化-还原回路机制和质子泵机制，但是2种机制都不能完全解释质子梯度的形成； 质子的跨膜运转和ATP的生成机制是复杂的，也可能在一条电子传递链的不同部位，质子的运转通

22、过都有不同的机制； 合成1个ATP需要2-3个跨膜质子。,ATP合成机制,ATP合成酶的结构 ATP合成酶结合变化机制,ATP合成酶,ATP合成酶也叫做质子泵ATP合酶或者F1Fo-ATP酶，是一种多亚基跨膜蛋白，Racker发现线粒体ATP合酶由两个功能单位F1Fo组成 线粒体显微照片中ATP合酶分子遍布膜表面，F1成分通过一个柄与嵌入膜内的Fo成分相连，使得F1亚基呈现棒棒糖样的形状。 图示ATP合酶 Fo亚基 F1亚基,ATP合酶的形式,酵母,Fo亚基,Fo亚基结构知道的并不详细，是一种疏水性跨膜质子通道，至少含有8种不同的亚基，二环己基碳二亚胺（DCCD）是一种脂溶性羧基试剂，通过与F

23、o上一个亚基的谷氨酸残基反应抑制哺乳动物质子传递。哺乳动物的Fo亚基含有6个相同的DCDD结合蛋白，形成一个包埋有谷氨酸的极性质子通道。另外，抗生素寡霉素B也可以结合该亚基，抑制质子回到基质内。,F1亚基,F1亚基具有5种亚基，是一种水溶性外周膜蛋白。33是亚基的成分。 在这些亚基中，不同亚基的作用不同， 亚基可以与ATP结合，但是结合效果不如亚基强，因此是由亚基来参与催化ATP合成反应。,ATP合成酶结合变化机制,通过质子泵ATP合酶催化的ATP合成机制（结合变化机制）可以分为3个阶段： 由Fo亚基进行质子移位； 由F1亚基催化形成ATP的磷酸酐键 由Fo和F1亚基相互作用导致质子梯度消减与

24、ATP合成偶联。 图示ATP合酶结构变化,ATP合酶结构改变,O：开放形式，对底物亲和力极低 L：与底物结合松弛，无催化能力 T：与底物结合紧密，有催化活性,腺苷酸转化,ADP/ATP交换体，是一种具有高度选择性的传递蛋白，能负责双向转移，多数氧化磷酸化的控制过程是通过ADP的量来决定的，而ADP/ATP交换体就是负责这个功能的蛋白质。 另外，ATP可以在核苷二磷酸激酶的作用下，转化成为其他形式的核苷三磷酸（NTP），同时转化成为ADP。,线粒体穿梭系统,3-磷酸甘油穿梭系统：主要存在于肌肉组织中，磷酸二羟基丙酮接受NADH的质子，然后变成3-磷酸甘油，3-磷酸甘油将H转移给内膜上的FAD，通

25、过呼吸链进行氧化，同时生成PEP，参与下次转移。示意图 苹果酸穿梭系统：主要存在于肝细胞内，OAA接受NADH的H变成苹果酸，穿过线粒体膜，在基质里面变成OAA，将H交给基质里面的NAD+，OAA与谷氨酸转化成为天冬氨酸，穿过线粒体膜，在谷草转氨酶的作用下，生成OAA，完成穿梭过程。示意图,3-磷酸甘油穿梭,苹果酸穿梭系统,苹果酸穿梭示意图,能 荷,定义：在总的腺苷酸系统中（ATP、ADP和AMP浓度之和），所负荷的高能磷酸基数量。 能荷作用：协调ATP的生成和分解。全是ATP的时候能荷为1，全是ADP的时候为0.5，一般生物体能荷在0.8左右。,氧化磷酸化解偶联剂和抑制剂,解偶联剂：作用是使电子传递链过程与ATP合成过程分离，只抑制ATP的合成，不抑制电子传递链，使自由能以热的形式释放。如24-二硝基苯酚（DNP）； 氧化磷酸化抑制剂：对氧的消耗和ATP的合成都有抑制作用，但对电子传递链无直接作用，作用原理是抑制由电子传递链产生高能状态而形成ATP的过程，结果是使电子不能传递，例如寡霉素； 离子载体抑制剂：破坏了膜对1价离子的通透性，如短杆菌肽。与解偶联剂的区别是，它作为H+以外的其他阳离子的载体。,第四节 其它的末端氧化酶,其他末端氧化酶是非线粒体体系的氧化体系，与能量的生成无关，但是与生物体内其他的生物功能有很大的关系。 多酚氧化酶 抗坏血酸氧化酶 黄素蛋