第七章生物氧化

1、,第 七 章 新陈代谢总论与生物氧化 （metabolism & biological oxidation）,本章主要内容,一 新陈代谢的基本概念 1 新陈代谢的共同特点 2 生物体内能量代谢的基本规律 3 高能化合物与ATP的作用 二 生物氧化 1 生物氧化的概念和特点 2 电子传递和氧化呼吸链 3 呼吸链的组成 （1）呼吸链概念。 （2）电子传递链。 （3）电子呼吸链的抑制剂。,三 氧化磷酸化的概念。 1 氧化磷酸化 2 氧化磷酸化的机制： 3 ATP合成部位 4 ATP合成机制。,一 新陈代谢总论,（一）基本概念,新陈代谢：泛指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。 分解代谢/异化作用

2、（catabolism）：指细胞从环境中摄取或是本身所有的各种复杂的大分子降解为小的简单分子的过程，有化学能释放，如糖、脂肪、蛋白质降解为乳酸、CO2、氨、脲等。 合成代谢/同化作用（anabolism）：指从简单的生物小分子合成细胞的组成成分，需要吸收能量，如合成核酸、糖、脂、蛋白质等大分子。 物质代谢：指糖类、脂类、蛋白质、核酸等的合成和分解代谢。 能量代谢：伴随物质代谢产生的机械能、化学能、热能及光、 电能的相互转化。,自养生物（autotroph):从环境中获取CO2、H2O，利用太阳能合成有机物（糖类）的生物，如高等植物、光合细菌、蓝绿藻等。 异养生物（heterotroph）：依赖

3、自养生物所制造的有机物为碳源，利用复杂化合物分解释放的化学能维持生命的生物，如高等动物、人和大多数微生物。 代谢途径（metabolic pathway）：每一种物质的分解合成代谢所经历的一系列酶促反应的总过程。 中间代谢（intermediary metabolism）：指代谢途径中的一系列酶促反应。 代谢物（metabolite）：指代谢反应中的任一个反应物，中间物或产物。,新陈代谢的共同特点,1 代谢途径是由一系列酶促反应驱动 反应链的形式：线性反应途径、环状反应途径、螺旋形反应途径 多酶系统：溶解状多酶体系 多酶复合物（如：脂肪酸合成酶系） 膜结合酶系（如：电子传递酶系）,2 代谢步骤

4、复杂，相互配合，有条不紊彼此协调，具有严格的顺序性 分解代谢：蛋白质、多糖、脂类等生物大分子降解为主要 构件分子（阶段1）。 如：多糖戊糖或己糖，脂肪甘油、脂肪酸 构件分子降解为更小、更简单的中间物（阶段2） 。 如：戊糖、己糖、甘油丙酮酸乙酰CoA 中间产物最终降解为CO2、H2O、NH3等（阶段3）。 如：乙酰CoA 三羧酸循环 CO2、H2O 释放能量,合成代谢：利用分解代谢产生的小分子为合成原料（阶段1） 合成各种生物大分子的构件单元（阶段2）。 从构件分子合成大分子化合物（阶段3）。 如：乙酰CoA 脂肪酸 脂类 需要能量,3 细胞代谢是一个经济的、精密的调节过程,表：某些重要代谢途

5、径的关键酶（限速酶）,糖原降解 磷酸化酶 糖原合成 糖原合酶 糖酵解 己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶 糖有氧氧化 丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶 糖异生 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、果糖1，6二磷酸酶 脂肪酸合成 乙酰辅酶A羧化酶 胆固醇合成 HMG辅酶A还原酶,（二）新陈代谢的研究方法,1 1 活体内与活体外实验 in vivo 活体内： 接近正常条件下，研究物质代谢情况。 in vitro 活体外：组织切片，组织培养，细胞或细胞器的提取液研究物质代谢情况。 2 同位素示踪法 同位素示踪法特异性强，灵敏度高，测定方法简便，是现代生物学研究中，经常采用的方法。使用过程中

6、要注意安全防止研究人员受到伤害和环境污染。,（三）生物体内能量代谢的基本规律,1、热力学第一定律：在一定状态下系统中的能量可以从 一种形式转变成另一种形式，但总能量保持不变。 2、热力学第二定律：任何一个自发进行的过程总是趋向使其无序程度（熵值）增加，直到平衡。 S总 S 系 S 环 S总 0 一切自发过程总的熵变为正值 S总 0 非自发过程总的熵变为负值 S总 0 平衡过程，可逆过程,3、自由能：某一系统总能量中，能在恒定压力和温度下 做功的能量。 GHTS H：热焓变化，代表总能量的变化 G0：反应不可能自发进行（ S 0） 吸（耗）能过程 G0：反应处于平衡状态（ S0） G0：反应自发

7、进行（ S0） 放能过程 （1） G是状态函数，与变化途径、反映机理无关，仅 决定于起始反应物和终产物浓度和性质。 （2） G与反应速度无关,4、反应的标准自由能变化与反应的平衡常数的关系： A B C D CD GG RTln AB R = 8.3110-3kJ/K.mol=1.9810-3kcal/K.mol 气体常数 G：pH7,25情况下的标准自由能变化 当达到平衡时： C平衡D 平衡 0G RTln A 平衡B 平衡,或 G- RTln Keq = -2.303RTlog Keq (Keq：平衡常数) Keq G 反应方向 1 0 自发进行 1 0 反向进行 =1 =0 达到平衡,（

8、四）高能化合物与ATP的作用,高能化合物 1、定义：指含有高能键的化合物，该键水解时释放出大量的自由能（20.92kJ），用表示。 2、类型： （1）磷氧键型（-O-P-）：如乙酰磷酸、 1，3-二磷酸甘油酸、氨甲酰磷酸、 焦磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸 （2）氮磷键型：如磷酸肌酸、 磷酸精氨酸 （3）硫酯键型：如酰基辅酶A （4）甲硫键型：如S-腺苷甲硫氨酸,3、ATP,ATP在细胞内的功能 （1）作为磷酸基团共同中间传递体 （2）驱动合成反应（化学能） （3）细胞运动或肌肉收缩（运动） （4）跨膜逆浓度梯度主动转运营养物质（渗透能） （5） 电能、热能和光能,分解代谢过程中放出的能量转化为ATP

9、，在合成代谢，生物运动等过程中消耗。 ATP将生物体内的放能过程和吸能过程偶联起来。,其它高能化合物的能量可以与ATP的合成耦联,动物肌肉细胞中的磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物） ，在激酶的催化下磷酰基团可以从这种高能分子转移到ADP上，形成ATP。,（一）生物氧化的概念和特点,氧化还原反应包括：1 电子转移。 得到电子物质为氧化剂； 失去电子物质为还原剂； 2 直接与氢结合为还原。 3 直接与氧结合为氧化 生物氧化：糖，脂，蛋白质等燃料分子在细胞中逐步氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。 生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化

10、或细胞呼吸。,二 生物氧化,生物氧化特点： 1 反应条件温和，逐步氧化，逐步放能。 2 分步进行，多种酶和电子传递体参与氧化过程，释放的能量以ATP形式储存起来。 3 真核生物的生物氧化在线粒体的内膜上进行，原核生物在细胞膜的内侧进行。,（二）二氧化碳的生成 糖、脂类和蛋白质等生物大分子分解生成有机酸和氨基酸脱羧，放出二氧化碳。 脱羧过程有直接脱羧和氧化脱羧两种类型。,(1）直接脱羧作用 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。,（2）氧化脱羧作用 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，也发生氧化（脱氢）作用。例如丙

11、酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA。,丙酮酸,乙酰CoA +CO2,（三）生物氧化中水的生成 水的生成是氧与氢的结合，氢不能与氧直接结合，代谢物脱下的氢必须通过一系列的传递体，才能与氧结合生成水。,在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以H形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。 在电子传递过程伴随有H的结合和释放，形成跨膜的质子浓度梯度和跨膜的电化学梯度，推动ATP的形成（氧化磷酸化） 电子传递链在原核生物中位于质膜上，在真核生物中位于线粒体内膜上。,1 呼吸链 ：由NADH、FADH2到O2的电子传递链主要包括4个酶复合体、两种游离电子

12、载体。,M-2H,M,氧化型,还原型,一个或多个传递体,H2O, O2,复合体IV：细胞色素氧化酶 细胞色素c氧化酶 细胞色素aa3复合体,复合体I： NADH-Q还原酶， NADH脱氢酶,复合体II： 琥珀酸-Q还原酶,复合体III：细胞色素还原酶 辅酶Q-细胞色素c还原酶 细胞色素bc1复合体,两种游离电子载体：CoQ（ubiquinone)、cyt c,2 呼吸链的组成,电子传递链各个成员,（1）NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体I）,两种辅基：FMN、Fe-S 聚簇 一种辅酶：辅酶Q,铁硫中心:铁硫聚簇（iron-sulfur clustur，Fe-S) 铁硫蛋白 非血红素蛋白

13、（nonheme iron proteins),广泛参与生物氧化还原反应：铁硫中心铁的价态变化（Fe3+Fe2+）可以将电子从FMN辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶Q上,2Fe-2S和4Fe-4S两种类型铁-硫簇的结构,（2）辅酶Q（泛醌）,脂溶性醌类化合物，作为复合体I、II、III的辅酶，但结合非常疏松，可以沿线粒体内膜的脂双层扩散。 辅酶Q可以接受NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、脂酰-CoA等黄素酶类脱下的电子和氢原子。,复合体I将来自NADH的电子传递给泛醌 复合体I NADH-泛醌氧化还原酶（也称之NADH脱氢酶）催化NADH的两个电子转移给泛醌。复合体I是个非常复杂的酶，下图给出了在复

14、合体I中依次进行的反应。,复合体I中电子转移和质子流,（3）琥珀酸-Q还原酶（复合体II）,4亚单位：包括 琥珀酸脱氢酶 辅基：FAD、Fe-S 辅酶：CoQ,复合体II将电子由琥珀酸转移到泛醌 复合体II琥珀酸-泛醌氧化还原酶（也称之琥珀酸脱氢酶复合体）接受来自琥珀酸的电子，同时也象复合体I一样催化Q还原为QH2。琥珀酸脱氢酶，它催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。 来自琥珀酸的两个电子转移给Q。由复合体II催化的反应中释放的自由能很少，它的主要作用是将来自琥珀酸氧化的电子引入到电子传递链中。Q可以接受来自复合体I或II的电子，然后再将电子传给复合体III。,通过复合体II的电子流,（4）细胞色素还

15、原酶（复合体III）,CoQ-细胞色素c还原酶、细胞色素bc1复合体 辅基：血红素b562、b566，血红素c1、Fe-S 辅酶： CoQ,复合体IV中电子传递和质子流动,细胞色素,细胞色素是含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称 根据还原型细胞色素的可见吸收光谱的不同有a、b、c三大类 每一个大类中因为血红素分子所处的环境不同，其吸收光谱又略有差异，又分为小类，如细胞色素c还原酶中的b562、b566等，,（5）细胞色素c,一条肽链 细胞溶胶侧（跨膜） 接受细胞色素c还原酶（复合体III）中cyt c1的电子，并传递到细胞色素c氧化酶中的cyt a-CuA,（6）细胞色素c氧化酶（复合体IV）,

16、10个亚基 辅基：血红素a、血红素a3、CuA、CuB,3 、呼吸链的排列顺序,一些重要物质的标准氧化还原电势。 呼吸链各组分在链上的位置次序与其得失电子的趋势强度有关。电子从低氧化还原电位向高氧化还原电位移动。氧化还原电位越低失去电子的倾向越大，反之氧化还原电位越高得到电子的倾向越大。换句话说，还原剂的还原性越强，其氧化还原电位越低,4、 电子传递的抑制剂 阻断呼吸链中某一部位的电子传递。 1、 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 作用于NADH脱氢酶，可阻断电子在NADH-CoQ还原酶内的传递。 2、 抗霉素A 作用于细胞色素c还原酶，抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递 3、 氰化物、硫化氢、

17、叠氮化物、CO等。 作用于细胞色素c氧化酶，阻断电子从细胞色素aa3 向O2传递,（四） 氧化磷酸化作用 1 ATP的生成 （1） 底物水平磷酸化作用：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。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。 （2） 氧化磷酸化作用：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。 电子传递与ATP形成耦联,（2）电子传递系统的氧化磷酸化 1 计算各阶段释放的自由能 G0 = -nFE0 n:电子数 ：96.5 KJ/mol NADHCoQ E0

18、= 0.36V G0 = - 69.5kJ/mol CoQCytc E0 = 0.19V G0 = -34.7 kJ/mol Cytaa3O2 E0 =0.53V G0 = - 102.3 kJ/mol FADH2 CoQ E0 =0.1V G0 = -20 kJ/mol NADH链： 2.5ATP FADH2链：1.5ATP 2 P/O比值测定 通过测定氧化磷酸化过程中氧的消耗与无机磷酸消耗的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。,丙酮酸乙酰辅酶A P：O=2.5， 苹果酸草酰乙酸 P：O=2.5， -酮戊二酸琥珀酸 P：O=3.5 异柠檬酸-酮戊二酸 P：O=2.5,P

19、/O：每消耗1mol原子氧时ADP磷酸化摄取无机磷酸的摩尔数(即合成ATP的摩尔数)。,3 氧化磷酸化作用机制 （1） ATP生成部位： 三个部位: NADHCoQ ；CoQCytc；Cytaa3O2。 由三个酶复合体催化： 部位：NADP与CoQ之间，NADH脱氢酶。 部位：CoQ与CytC之间，CytC还原酶。 部位：Cyta与O2之间，CytC氧化酶。,电子传递链标准氧还原电势自由能变化,呼吸链中电子传递的方向,电子传递过程自由能下降,电子传递与ATP形成耦联,2 细胞质中的NADH氧化磷酸化 细胞质中的NADH不能穿过线粒体内膜，通过呼吸链进行彻底氧化，有两种途径解决这个问题。,（1）

20、 磷酸甘油穿梭机制：肌肉、神经 。 3-磷酸甘油进入线粒体，将2H交给FAD而生成FADH2，FADH2可传递给辅酶Q，进入呼吸链，产生1.5ATP。 （2）、 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制：心、肝 。 胞液中NADH使草酰乙酸还原成苹果酸，通过苹果酸-酮戊二酸载体转运，进入线粒体，由线粒体内苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH进入呼吸链氧化，生成2.5ATP,甘油磷酸穿梭机制,苹 果 酸 -天 冬 氨 酸 穿 梭 机 制,3 氧化磷酸化作用的机制：电子传递释放出的能量如何通过一个中间载体到另一个中间物载体的过程，促使ADP磷酸化，还有许多未完全阐明的问题。 （1）化学偶联假说：19

21、53年E.Slater最先提出。他认为，电子传递过程产生一种不稳定的高能共价中间物，随后裂解驱动氧化磷酸化。 （2）构象偶联假说：1964年美国科学家P.Boyer最先提出出。他认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生变化，形成一种高能形式，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。,（3）化学渗透假说： 1961年英国科学家P.Mitchell最先提出。他认为电子传递释放出的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联。 多年来由于化学偶联假说和构象偶联假说没有找到有力的实验证据。越来越多的研究提供的实验证据支持化学渗透假说。但是ATP合成的过程中，仍可能包含不同

22、形式的构象偶联,P.Mitchell 英国科学家化学渗透学说的创始人,电子传递释放出的自由能驱动质子从线粒体的基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度（electrochemical H+ gradient）。这个梯度的电化学势（ electrochemical potential , 用H+表示），驱动ATP合成。,3 质子梯度的形成,质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原电势来完成。 每传递一对电子，就可向膜间腔释放10个质子。 复合物泵出4个质子、复合物泵出4个质子、复合物泵出2个质子。 1 质子泵出是需要消耗能量的过程。 2 质子转移的机制

23、：有两种假设。 （1） 氧化还原回路机制 （2） 质子泵机制 （3） 合成一个ATP需要23个跨膜质子,线粒体的结构：内膜内陷为嵴。,ATP合酶的分子结构,质子由线粒体内部被泵到内膜与外膜之间的空间，外膜通透性强，内膜具有选择性透性。,5 腺苷酸的转运： ATP在线粒体内生成，在线粒体外分解利用生成ADP和Pi，ATP和ADP都不能直接穿过线粒体的内膜，因此必须有一种机制将ATP转运到线粒体外，同时将ADP转运到线粒体内。 已经证明在线粒体内膜上的腺苷酸载体能够承担ATP和ADP的跨膜转运，这种转运蛋白称为ATP/ADP交换体。 ATP/ADP交换体以二聚体的形式镶嵌在线粒体内膜上，具有高度的

24、专一性，也就是说ATP/ADP交换体在跨膜电位的推动下只能把ADP转运到细胞质中，同时将ATP转运到线粒体内。腺苷酸载体二聚体面向外侧结合ADP，面向内侧结合ATP。,药物和毒物： （1）解偶联剂： 不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。如2,4-二硝基酚。 （2）氧化磷酸化的抑制剂： 对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂，如寡霉素。 （3）离子载体抑制剂 : 能量用于转运一价阳离子进入线粒体内膜基质而降低内膜内外的电势差及离子剃度,减弱ATP形成的质子推动力,抑制氧化磷酸化.如缬氨霉素、短杆菌肽。,（七）氧化磷酸化的调控,电子传递与ATP形成的偶联关系相辅相成： ADP/ATP之比对电子传递和还原型辅酶的积累氧化起关键调空作用 呼吸控制：ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。 P/O比：一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。NADH2.5ATP，FA