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1、第9章生物氧化 Biologicaloxidation 一生物氧化概述二呼吸链三ATP生成方式四其它生物氧化体系 本章主要内容 重点难点 呼吸链的组成及其传递过程 氧化磷酸化 生物体把能量用在生命活动的各个方面 一概述 物质在生物体内进行氧化 主要指糖 脂肪 蛋白质等在体内分解时逐步释放能量 最终生成CO2和H2O的过程 又称细胞呼吸或组织呼吸 1生物氧化 Biologicaloxidation 的概念 CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 热能 生物氧化发生的场所 线粒体 1948年 EugeneKennedy和AlbertLehninger发现 真核生物氧化的场所是线粒体原核生
2、物氧化的场所为细胞质膜 1 生物氧化过程中 代谢物脱氢生成的还原型辅酶 NADH和FADH2 如何经电子传递链被氧化 2生物氧化的关键两点 2 电子传递过程如何与ATP的生成相偶联 3生物氧化的特点 1 反应条件温和 2 氧化的方式是脱氢 3 需要酶和电子传递体参与 5 能量主要转化为ATP 4 能量是逐步释放的 乙酰CoA 2H 呼吸链 H2O ADP Pi ATP CO2 4生物氧化的一般过程 第二节呼吸链 respiratorychain 1 CO2和H2O的生成2 呼吸链的概念3 呼吸链的组成4 两条主要的呼吸链 脱羧 直接脱羧 R CH NH2 COOHRCH2NH2 CO2氨基酸氨
3、基酸脱羧酶胺 氧化脱羧CH3COCOOH NAD CoASHCH3COSCoA NADH H 丙酮酸丙酮酸脱氢酶系乙酰辅酶 1 CO2的生成 1生物氧化中CO2 H2O的生成 脱羧 直接脱羧 HOOCCO CH2COOHCH3COCOOH CO2草酰乙酸 丙酮酸羧化酶 丙酮酸 氧化脱羧HOOCCH2 CH OH COOH NADP 苹果酸 苹果酸脱羧酶 CH3COCOOH CO2 NADPH H 丙酮酸 2 H2O的生成 代谢物在酶的作用下 将脱下的氢经过氢传递体 传给氧生成水 底物上的H原子被脱氢酶激活脱落后 经一系列的电子载体 将电子和质子 H 最终传递给氧而生成水 由这一系列酶和电子载体
4、组成的多酶体系称为呼吸链或电子传递链 2呼吸链 RespiratoryChain 线粒体 呼吸链 呼吸链由四种复合物 细胞色素c和辅酶Q组成 辅酶Q和细胞色素c是独立存在的 四种复合物又都是由几种不同的蛋白组成的多蛋白复合体 2呼吸链的组成 氧化呼吸链的组成 1 复合体 NADH Q还原酶 NADH Q还原酶 FMN Fe SN 1a b Fe SN 2 Fe SN 3 Fe SN 4 NADH CoQ 两种辅基 FMN Fe S NADH还原酶催 NADH H 的脱氢反应 将2H传递给其辅基FMN 生成FMNH2 铁硫蛋白 iron sulfurprotein 铁硫蛋白通过Fe3 和Fe2
5、变化起传递电子的作用 辅酶Q CoQ 辅酶Q又称泛醌 ubiquinone 是脂溶性化合物 CoQ的功能是作为氢传递体 CoQ 2HCoQH2 辅酶Q既接受NADH脱氢酶的氢 还接受线粒体其他脱氢酶 琥珀酸 Q还原酶 脱下的氢 辅酶Q在电子传递链中处于中心地位 2 复合体 琥珀酸 Q还原酶 琥珀酸 Q还原酶 一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质 可分为三大类 Cyta a a3 Cytb Cytc c c1 细胞色素 Cytochrome Cyt 辅基3种 FAD FeS 细胞色素 铁卟啉辅基的分子结构 Fe原子处于血红素环中央 借助化学价的变化 Fe2 Fe3 传递电子 3 复合体 Q 细胞色素c
6、还原酶 辅基 Cyt Fe S 辅基 Cyt Cu2 4 复合体 细胞色素c氧化酶 1 NADH氧化呼吸链 2 FADH2氧化呼吸链 3线粒体内主要存在两条呼吸链 氧化呼吸链的排列顺序 FMN Fe S复合体 FAD Fe S Cytb复合体 Cytb Fe S Cytc1复合体 Cytaa3 Cu复合体 NADH呼吸链电子传递方向 NADH 复合体 Q 复合体 Cytc 复合体 O2 FADH2呼吸链电子传递方向 琥珀酸 复合体 Q 复合体 Cytc 复合体 O2 两条呼吸链的关系 4电子传递顺序的实验证据 1 根据标准氧还电位E0 的高低 0 32v 0 06v0 00v0 26v0 28
7、v0 82vNADHFe SCoQbc1caa3O2 2 利用阻断剂研究分析 5胞浆中NADH的氧化机制 胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体 再经呼吸链进行氧化磷酸化 1 苹果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle 2 磷酸甘油穿梭 glycerophosphateshuttle 1 苹果酸穿梭系统 主要存在于肝和心肌中 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体 经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化 可生成2 5分子ATP NADH H NAD 苹果酸 草酰乙酸 酮戊二酸 谷氨酸 天冬氨酸 苹果酸穿梭系统 2 磷酸甘油穿梭系统 主要存在于脑和骨骼肌中 NADH
8、通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体 由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化 产生1 5分子ATP 磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD FAD 磷酸二羟丙酮 磷酸甘油 NADH H 磷酸甘油脱氢酶 第三节ATP的生成方式 1底物磷酸化 substratelevelphosphorylation 2氧化磷酸化作用 Oxidationphosphorylation 1底物磷酸化 底物脱氢或脱水等作用 使能量在分子内部重新分配 形成高能磷酸化合物 然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程 3 磷酸甘油醛氧化成1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油醛 1 3 二磷酸甘油酸 磷酸甘油醛脱氢酶 1 3
9、二磷酸甘油酸生成3 磷酸甘油酸 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 磷酸甘油酸激酶 生产1分子ATP 底物水平磷酸化 2氧化磷酸化作用 电子沿着呼吸链的传递过程中 伴随将ADP磷酸化而形成ATP的过程 即电子传递与ATP形成相偶联的机制 氧化磷酸化作用 ATP的生成与呼吸链电子传递相偶联的磷酸化作用 区别 底物水平磷酸化作用 通过酶的催化 能量在分子内重排 形成的高能磷酸基团直接转移生成ATP 每消耗1mol原子氧时 1对H原子与1个O原子 ADP磷酸化摄取无机磷 酸 的mol数 生成ATP的mol数 NADH 2 5分子Pi和ADP生成2 5分子ATP P O 2 5 1 FMN 1 5分
10、子Pi和ADP生成1 5分子ATP P O 1 5 1 1 P O比值 2 氧化磷酸化的偶联部位 当电子从一个氧化还原电位较低的还原型递体转移到较高电位的氧化型递体时 就有负自由能变化 即能量的释放 G 50 24kJ mol G 41 87kJ mol G 100 48kJ mol 推动ADP磷酸化形成ATP所需的标准自由能大约在 30 56kJ mol ADP形成ATP的部位 部位I NADH和辅酶Q之间部位II 辅酶Q和cyt c1之间部位III cyt a和O2之间 3 氧化磷酸化的偶联机理 电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应形成一个高能共价中间物 这个中间物随后又裂
11、解将其能量供给ATP的合成 化学偶联假说 chemicalcouplinghypothesis 电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化而形成一种高能形式 构象偶联假说 conformationalcouplinghyopthesis 电子经呼吸链传递时 可将H 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧 产生膜内外质子电化学梯度储存能量 质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 支持这一假说的证据 A直至现在并没有发现任何一种介于电子传递和ATP形成的高能中间物 B氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒体内膜存在 C线粒体内膜
12、对H OH K Cl 等离子都是不通透的 D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 E线粒体电子传递所形成的电子流能够从线粒体内膜逐出H 离子 化学渗透假说简单示意图 胞液侧 基质侧 化学渗透假说详细示意图 ATP酶复合体 催化ATP Cyt还原酶 Cyt氧化酶 AH 和电子的传递体按一定的顺序排列在线粒体内膜上 氧化磷酸化作用的进行需有完整的线粒体 化学渗透假说的要点是 B电子传递链中 释放出来的能量 用于驱动膜内侧的H 迁移到膜外侧 膜对H 是不通透的 在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度和电位梯度 C在膜内外势能差的驱动下 膜外高能质子沿着一个特殊通道 跨膜回到膜内侧 质子
13、跨膜过程中释放的能量 直接驱动ADP和磷酸合成ATP FOF1 ATP合酶 膜外质子返回膜内的通道 催化ATP合成的部位 4 影响氧化磷酸化的因素 抑制剂的调节 ADP的调节 甲状腺素的调节 线粒体DNA突变 抑制剂 呼吸链抑制 NADHFMNQbc1caa3O2Fe S 阿米妥抗霉素ACN N3 鱼藤酮CO H2S 机理 阻断氢与电子的传递 FAD Fe S 解偶联剂 使电子传递和ATP形成两个过程分离 特点是抑制ATP形成 但不抑制电子传递过程 使电子产生的自由能转变为热能 如2 4 二硝基苯酚和其他的一些芳香族化合物 解偶联剂 ADP的调节 ADP ATP 氧化磷酸化 ADP ATP 氧
14、化磷酸化 线粒体DNA突变 mtDNA编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质 mtDNA突变 影响氧化磷酸化 ATP生成减少 mtDNA病 聋 盲 痴呆 肌无力 糖尿病 1需氧脱氢酶 第5节其它生物氧化体系 在有氧条件下才脱氢 脱下的氢立即交给分子氧 生成H2O2 大多以FAD FMN为辅基的酶类 黄嘌呤氧化酶氨基酸氧化酶等 2不需氧脱氢酶底物脱的H通过呼吸链与氧结合 以NAD NADP和FAD为辅酶 丙酮酸脱氢酶 3 磷酸甘油醛脱氢酶等 3氧化酶细胞色素氧化酶 将电子传递给氧 生产O2 与H 生产水 可被CN 和CO抑制 4过氧化物酶体中的酶类 1 过氧化氢酶 catalase 谷胱甘肽过氧化物酶
15、 H2O2 ROOH H2O ROH H2O 2G SH G S S G NADP NADPH H 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽还原酶 2 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 GSSG 氧化型谷胱甘肽GSH 还原型谷胱甘肽 催化超氧离子 O2 H2O2 羟自由基 OH 的反应 3 超氧化物歧化酶 superoxidedismutaseSOD 2O2 2H SOD H2O2 O2 H2O O2 过氧化氢酶 4微粒体中的酶类 1 加单氧酶 monoxygenase RH NADPH H O2 ROH NADP H2O 又或羟化酶 hydroxylase 主要作用在药物的代谢中 形成极性比药物本身更大的代谢物排出体外 2 加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上 例如 思考题 1呼吸链及其组成 2两条主要的呼吸链及其传递方向 3呼吸链中ATP生成及抑制剂作用部位 4两种穿梭作用 5底物磷酸化和氧化磷酸化 6化学渗透学说的内容
