[理学]生物氧化与氧化磷酸化

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1、第五章 生物氧化与氧化磷酸化 Biological oxidation and oxidative phosphorylation,维持生命活动的能量，主要有两个来源： 1、光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 2、化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。,第一节 生物氧化概述 （biological oxidation）,一、生物氧化的概念 1、概念：有机物在生物体内进行的氧化分解而生成CO2和H2O并释放能量的过程，又称“细胞呼吸”。,2、生物氧化的内容 主要包括三方面： CO2如何形成？ H2O如何形成？

2、能量如何产生？,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传递给氧而生成H2O 。,12 O2,电子传递链,H2O,O2-,2H+,NAD+,2e,例：,当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP能量如何产生？ 底物水平磷酸化 氧化磷酸化,ATP生成的产生,二、生物氧化的特点,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧

3、结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同。,生物氧化和体外氧化比较,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（如丙酮酸、乙酰CoA等）,中间物进入三羧酸循环氧化释放出大量能量，其中一部分储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,CoA,O2,ATP,ADP+Pi,2CO2,Stage ,Stage ,Stage ,丙酮酸,三、生物氧化方式（Oxidative and reductive reaction） 脱氢 COOH

4、 COOH O C C O + 2H CH3 CH3 脱电子 Fe2+ Fe3+ + e 加氧 RH + O2 + 2H+ ROH +H2O 上述反应总是氧化与还原反应偶联；需酶（需氧脱氢酶、不需氧脱氢酶、加氧酶等）催化。,四、 高能化合物 高能化合物：一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。,在高能化合物分子中，活泼共价键被水解断裂时释放大量自由能，这种化学键称为髙能键。常用符号表示。 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。,1、磷氧键型（-O-P),(1)酰基磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸

5、,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,（一） 高能化合物的类型,(1)酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔,焦磷酸,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,2、 氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,3、硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,4、甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,（二） ATP的特殊的作用 1、是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。 2、在磷酸基转移中的作用 。 例如： 已糖激酶催化：G+AT

6、PG-6-P+ADP。 甘油激酶：甘油+ATP3-磷酸甘油+ADP。,第二节 电子传递体系呼吸链,电子传递链概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种电子传递体系称为电子传递链（ETS） 。由于消耗氧，故也叫呼吸链。,电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。,一、线粒体呼吸链的组成,呼吸链的组成,1.烟酰胺脱氢酶类（NAD+） 2.黄素蛋白酶类 3. 铁-硫蛋白类 4. 辅酶（CoQ） 5. 细胞色素类,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt

7、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）,1、烟酰胺脱氢酶类 （nicotinamide dehydrogenases）,特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理:,2、黄素蛋白酶类 （flavoproteins，FP）,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白。,FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2,递氢机理：,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）,3、铁硫蛋白类 （i

8、ron-sulfur proteins）,+e 传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e,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残基的巯基与蛋白质相连结。,铁硫蛋白,4、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。,5、细胞色素,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)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，

9、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c氧化酶,二、呼吸链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链： NADH呼吸链和FADH2呼吸链,1、NADH呼吸链,2、FADH2呼吸链,电子传递链中各中间体的顺序,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶,辅酶Q-细胞色素还原酶,细胞色素C还原酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,F

10、e-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,第三节 氧化磷酸化,在生物氧化中，代谢物脱氢产生的NADH+H+化经呼吸链氧化生成水时，所释放的自由能用于ADP磷酸化形成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化作用。,进行部位：线粒体内膜（原核生物在细胞质膜进行）,生物细胞内，由ADP磷酸化形成ATP的方式有三种，分别是氧化磷酸化、底物水平磷酸化和光合磷酸化,底物水平磷酸化：底物氧化形成高能磷酸基因直接转移给ADP偶联生成ATP的过程。 光合磷酸化：光合过程中伴随ADP 偶联生成ATP的过程。,电子在呼吸链中按顺序逐步传递同时释放自由能，其中

11、释放自由能较多足以用来形成ATP的电子传递部位称为偶联部位（coupling site）。,一、 氧化磷酸化的偶联部位与磷氧比（P/O）,实验证明，呼吸链四个复合物中，复合物、是偶联部位，复合物不是偶联部位。,电子传递 链偶联部位,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,因此，NADH经呼吸链氧化产生3ATP；FADH2产生2ATP。,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

12、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P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,例 实测得NADH呼吸链： P/O 3,NADH,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,二、氧化磷酸化的机理 氧化磷酸化的全过程至今也没有完全搞清楚。 偶联机理目前有三种假说: (1)化学偶联假说:认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应,而形成一个高能共价中间物,这个中间物在电子传递中形成,随后又裂解将其能量供给ATP的形成。 没发现这种中间物！,(2) 构象偶联假说: 认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜上某种蛋白质组分发生了构象变化

13、，当此构象再复原时,释放能量促使ATP的生成。 也没有试验证据！,(3)化学渗透假说:目前普遍接受，称为学说。,三、化学渗透假说的内容,化学渗透假说的要点是： 1、呼吸链中电子传递体有序地定位于完整的线粒体内膜上，使氧化还原反应定向进行。,2、氢和电子在呼吸链中交替传递，使质子（H+)定向从线粒体内膜的内侧转移到外侧。,3、由于质子（H+ ）的定向转移，而质子又不能自由返回膜内（膜对H + 是不通透的），因此形成了线粒体膜两侧的跨膜质子梯度 (pH) （膜内浓度低，膜外浓度高）和电位梯度（）（膜内带负电，膜外带正电）。,4、内膜上嵌有FoF1-ATP酶,它有特殊的质子通道，当膜外侧的H+经此道

14、流回基质时FoF1-ATP酶则利用电化学势能释放的自由能驱动ADP和Pi合成ATP。,ATP合酶复合体：含有5种不同的亚基（按3、3、1、1 和1 的比例结合）。F0为一个疏水蛋白，是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ADP和Pi合成ATP的部位。,化学渗透假说示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 （一）解偶联剂和解偶联作用 某些化合物能使电子传递过程和ATP形成过程相分离，

15、电子传递仍可进行，但不能形成ATP。这类化合物称为解偶联剂。这种作用称为解偶联作用。,分为三类： 1、化学解偶联剂：如2，4-二硝基苯酚 2、离子载体：一类能与K+、Na+等阳离子结合的抗菌素。如缬氨霉素。 3、解偶联蛋白。,（二） 氧化磷酸化抑制剂： 抑制O2的利用和ATP的形成。 不同于电子传递抑制剂，也不同于解偶联剂，它主要是指直接作用于ATP合酶复合体而抑制ATP合成的一类化合物。如寡霉素。,四、 线粒体穿梭系统,穿梭作用： 不能跨膜运输的物质通过转化为可跨膜物质进行跨膜运输的作用。 如NADH就不能穿过线粒体内膜。,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（

16、衬质）,线粒体内膜,细胞液,膜内空间,外膜,线粒体,胞液中的NADH在酶的催化下，以3-磷酸甘油作为还原当量（2H+，即2e-）的载体穿梭往返于胞液和线粒体之间，间接转变为线粒体内膜上的FADH2而进入呼吸链，这种过程称为磷酸甘油穿梭（glycerol-3-phosphate shuttle）。 因此胞液NADH经过呼吸链氧化，P/O比为2，生成2ATP。,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,细胞液,线粒体内膜体,线粒体基质,（、 、 、 为膜上的转运载体）,胞液中的NADH在酶的催化下，以苹果酸作为还原当量（2H+，即2e-）的载体穿梭往返于胞液和线粒体之间，间接转变为线粒体衬质中的NADH进入呼吸链，这种过程称为苹