第22章-生物氧化-扬州大学《生物化学》.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二十四章 生物氧化,Wall Piece#IV(1985),a kinetic sculpture by George Rhoads.This complex mechanical artform can be viewed as a metaphor for the molecular apparatus underlying electron transport and ATP synthesis by oxidative phoshorylation.(1985 by George Rhoads),维持生命活动的能量来源,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。,化学能：,动物和多数微生物，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（ATP传递）。,ATP生成,形式,光合磷酸化,非氧化磷酸化（,底物水平磷酸化）,氧化磷酸化（,呼吸链氧化磷酸化,）,生物氧化（biological oxidation）,有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程，笼统称为生物氧化,有机物质在,生物体内,的氧化作用,在,组织细胞中,进行,通常需要消耗氧，生成CO,2,呼吸作用,有机物质最终被氧化成CO,2,和水,释放出能量,生物氧化的特点,1、酶促氧化过程、反应条件温和,2、氧化与还原相偶联,3、质子和电子由载体传递到氧生成水,4、分步进行：有利于提高能量利用率,5、氧化磷酸化,产生ATP,源于有机酸的脱羧作用（、-脱羧）,单纯脱羧：有机酸不经氧化作用,氨基酸,胺 +,CO,2,脱羧酶,生物氧化中CO,2,的生成方式,-单纯脱羧,-氧化脱羧,异柠檬酸氧化形成酮戊二酸,Oxidation of Isocitrate to-Ketoglutarate and CO2,（1）代谢脱下的成对氢原子,（2H）,通过多种,酶和辅酶,所催化的连锁反应逐步传递，最终与,氧,结合生成,水，在此过程中有ATP的产生（狭义的生物氧化）；,（2）,酶和辅酶按一定顺序排列在,线粒体,内膜；,传递氢的酶和辅酶递氢体,传递电子的酶和辅酶递电子体,（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为,呼吸链,。,递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称,电,子传递体,。,由呼吸链生成水,琥珀酸脱氢,乳酸脱氢酶,加水脱氢方式为代谢物提供了更多的脱氢机会，使生物获取更多的能量。,C,6,H,12,O,6,脱6次,每2个氢原子氧化成水生成2.5分子ATP,糖代谢生成30/32个ATP,包括：加氧酶催化的加氧反应,氧化酶催化的生成水的反应,加氧酶催化氧分子直接加入到有机分子中,如：甲烷单加氧酶,CH,4,+NADH+H,+,+O,2,CH,3,-OH+NAD,+,+H,2,O,氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水,脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后以这种形式进行氧化。,氧直接参加的氧化反应,只要有电子得失的反应，也是氧化还原反应,1、,脱氢酶,使代谢物的氢活化、脱落，,传递给受氢体或中间传递体,显著特点,：体外实验中以,甲烯蓝,为受氢体,氧化型甲烯蓝：兰色,还原型甲烯蓝：无色,参与生物氧化的酶类,根据脱氢酶所含辅助因子的不同分为：,（1）以,黄素核苷酸,为辅助因子的脱氢酶,（又称为黄素酶）,根据受氢体不同又分为,需氧黄酶：以氧为直接受氢体生成H,2,O,2,不需氧黄酶：氢先传递给中间传递体，,最后才给分子氧生成H,2,O,代谢物-2H FMN H,2,O,2,FAD,代谢物 FMNH,2,O,2,FADH,2,2H,2H,需氧黄酶：,代谢物-2H FMN 传递体-2H 1/2O,2,FAD,代谢物 FMNH,2,传递体 H,2,O,FADH,2,2H,2H,2H,不需氧黄酶,（2）,以烟酰胺核苷酸为辅助因子的脱氢酶,NAD（Co）、NADP（Co）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,2、氧化酶：以氧为直接受氢体，一般含Cu,3、加氧酶：催化加氧反应,4、传递体：传递H或电子,递氢体、递电子体,不能使底物脱氢，,也不能使氧活化。,狭义的生物氧化过程是氢和电子等传递的一系列的氧化还原反应，且是放能的氧化还原反应。,0,=,E,0正极,E,0负极,电动势=正负极电极势之差,标准氢电极,的电极势为0,25、一大气压氢压力、,H,+,活度为1M、pH=0,标准电动势,0,：反应中,各种物质,的活度,均为1质量摩尔浓度时的电动势。,0,标准电极势,E,0,：电解质溶液活度为1,质量摩尔浓度时的电极势。,每个电极都有自己的标准电极势，,有的为正，有的为负。,锌电极为-0.76,铜电极为 +0.34,氧化还原反应中，失去电子的物质称为还原剂，得到电子的物质称为氧化剂。还原剂失去电子的倾向（或氧化剂得到电子的倾向）称为氧化还原电势。,将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起，都有氧化还原电位的产生。如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池，即可测出氧化还原电势。标准氧化还原电势用E,表示。E,值愈大，获得电子的倾向愈大；E,愈小，失去电子的倾向愈大,化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：,G=nFE,E,=,E,0正极,E,0负极,n为氧化-还原反应中传递的电子数目，F为法拉第常数,NADH+H,+,+1/2O,2,=NAD,+,+H,2,O,正极反应：1/2O,2,+2H,+,+2e,H,2,O,E,+,0.82,负极反应：NAD,+,+H,+,+2e,NADH,E,-,-0.3,G,-nFE,-2964850.82-(-0.32),-220 KJmol,-1,二、电子传递和氧化呼吸链,（一）电子传递过程,按照电子的亲和力,递增,的顺序传递,电子的传递仅发生在,相邻,传递体之间,E,0,决定电子流动方向,（二）呼吸链,由,供氢体、传递体、受氢体,以及相应的酶催化系统组成的代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为,呼吸链,。,（三）电子传递链（呼吸链）,NADH-Q还原酶,琥珀酸-Q还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,（四）电子传递链的组成成分,1、,NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶、复合体）,电子传递：NADH FMN Fe-S,CoQ,铁硫蛋白,（,Fe-S）（非血红素蛋白）,与电子传递有关,与其他递氢体或电子传递体结合成复合物存在,铁硫蛋白,通过Fe,3+,Fe,2+,变化起传递电子的作用,Different types of iron-sulfur centers,Iron atoms cycle between,Fe,2+,(reduced),and,Fe,3+,(oxidized).,（四）电子传递链的组成成分,2、,辅酶Q,（CoQ、Q、泛醌）,不同种类CoQ侧链异戊二烯基数目不同,脂溶性辅酶、可在脂双层中扩散,与蛋白质结合不紧密,灵活的电子载体,辅酶-Q的功能,还原成QH,2,氧化成Q,电子和质子的传递体,CoQ和电子传递体的碰撞是电子传递的前提和条件,（四）电子传递链的组成成分,3、,琥珀酸Q还原酶（复合体）,嵌在线粒体内膜（包括琥珀酸脱氢酶）,电子传递：FADH,2,Fe-S CoQ,Ubiquinone(Q),accepts electrons,from both NADH,and FADH,2,in the,respiratory chain,（四）电子传递链的组成成分,4、,细胞色素,还原酶（复合体）,cytochrome,Cyt,是含铁的Pr,以血红素为辅基,电子传递蛋白,还原型Cyt有光谱吸收现象,通过Fe,3+,Fe,2+,互变起传递电子的作用,电子传递：CoQ Cytc,Cyta：辅基是血红素A,Cytb：-B,Cytc：-C,卟啉的侧链基团不同,Cyt的,铁,卟啉一般以非共价键与酶蛋白结合,Cytc例外，以硫醚键共价结合,Reduced cytochromes,has three absorption,bands in the visible,wavelengths,Cyt,a,:600 nm,Cyt,b,:560 nm,Cyt,c,:550 nm,细胞色素还原酶（CoQ-细胞色素c还原酶）,Cytb,562,/b,H,Cytb,566,/b,L,Cytc,1,Cytb,硫醚键,c型Cyt,b型Cyt为乙烯基,所处多肽环境不同,Cytochrome,bc,1,complex(complex III),（四）电子传递链的组成成分,5、,细胞色素c（cytc）,单一多肽链,易溶于水（唯一能溶于水的Cyt）,与Cytc,1,含相同辅基，但蛋白组成不同,无血红素,Cyt c（细胞溶胶）,内外膜间隙（Cytc合成酶）,成熟Cytc,（构象变化）,线粒体外膜通道,Cytc功能：传递电子,复合体 复合体,Q循环,总的来说，Q循环就是，两个QH,2,参与电子传递，使两个细胞色素c还原，经过全过程又产生了一个QH,2,分子。因此，从化学计算来说是QH,2,分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素c,（四）电子传递链的组成成分,6、,细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶、复合体）,位于线粒体呼吸链,末端,的蛋白复合物,活性部分主要包括,cyta,和,a,3,Cytaa,3,复合体(,细胞色素c氧化酶,),除含2个铁,卟啉，还含2个铜原子(,Cu,+,Cu,2+,),a-Cu,A,聚族,a,3,-Cu,B,聚族,2H,+,4H,+,（五）电子传递抑制剂,阻断呼吸链中某部位电子传递的物质；,氧化作用受阻、能量释放减少,鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素,阻断电子由,NADH向CoQ,的传递；,抗霉素A抑制电子从,Cytb到Cytc,1,的传递；,氰化物、叠氮化物、CO等,阻断电子由,Cytaa,3,传递到氧,Oxidized,Reduced,Reduced,Oxidized,Reduced,三、氧化磷酸化作用,代谢物的氧化（脱氢）作用与ADP的磷酸化反应偶联生成ATP的过程。,部位：线粒体内膜（真核）,胞浆膜（原核细胞）,线粒体的数目、形状因细胞而异,（一）,线粒体膜的结构特点,两层膜结构：外膜和内膜,外,膜平滑、有弹性,内,膜有许多向内折叠的突起（,嵴,）,外,膜脂质多、密度,小,内,膜Pr含量高、密度稍,大,对代谢物的通透性不同、酶的分布不同,（二）,氧化磷酸化的偶联机制,1、ATP的合成部位,NADH氧化过程中有三个反应,G,值大于30.5kJ/mol,NADH,FMN,cytb,cytc,1,cytaa,3,O,2,-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/mol,复合物,Cytc氧化酶,复合物,泛醌,Cytc还原酶,复合物,NADH脱氢酶,NADH+H,+,+O,2,H,2,O+NAD,+,G=-220kJ/mol,电子通过线粒体呼吸链传递到O,2,的过程中，释放出大量能量；,这种电子传递过程的,释能反应,与ADP和磷酸合成ATP的,需能反应,相偶联，是ATP形成的基本机制。,从NADH,O,2,产生,2.5,个ATP,从FADH,2,O,2,产生,1.5,个ATP,P/O比值,消耗1摩尔氧有多少无机磷转化为有机磷,一对电子经呼吸链传至氧所产生的ATP分子数,反映氧化磷酸化的效率,三、氧化磷酸化作用的机理,1、有关氧化磷酸化机理的几种假说,化学偶联假说,构象偶联假说,化学渗透假说,（1）化学偶联假说（1953年）,（掌握要点）,chemical coupling hypothesis,认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成,高能共价中间物,，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。,AH,2,+B+,I,-OH A,I,+BH,2,+OH,-,A,I,+,X,-H+OH,-,X,I,+A+H,2,O,X I,+,P,-OH,X P,+,I,-OH,X P,+ADP ATP+,X,-H,AH,2,+B+ADP+P-OH A+BH,2,+ATP+H,2,O,（2）构象偶联假说（1964）,conformational,coupling hypothesis,认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的,蛋白质组分,发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。,迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。,2、化学渗透假说：,a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵,b.电子由,高能,状态传递到,低能,状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H,+,迁移到膜外侧（,内膜对H,+,是不通透的,），在膜内外侧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（,ATP合酶,组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP,2H,+,4H,+,超声波处理,嵴重新封闭,形成亚线粒体泡,内膜外翻,尿素 胰蛋白酶,保留电子传递功能,丧失合成ATP功能,氧化磷酸化恢复,线粒体内膜组份完整,质子梯度破坏引起氧化磷酸化解偶联,支持化学渗透假说的实验证据：,氧化磷酸化作用的进行需要封闭的,线粒体内膜存在。,线粒体内,膜对,H,+,OH,-,K,+,Cl,-,都是不通透的。,破坏,H,+,浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。,线粒体的电子传递所形成的电子流能够,将,H,+,从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。,大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。,迄今未能在电子传递过程中分离出一个,与,ATP,形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。,H,+,如何通过电子传递链“泵”出的？,（四）,ATP合成机制,ATP酶复合体,线粒体内膜表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为,ATP酶复合体/ATP合酶,，是ATP合成的场所。,结构：,头部：ATP合酶（F1）,柄部：棒状Pr，对寡霉素敏感（OSCP）,基底部：疏水Pr，与内膜连接,（F,O,）,头部含,5,种不同的亚基,（,3,、,3,、,1,、,1,、,1,）,OSCP,是能量转换通道,F,0,与线粒体电子传递系统连接（质子通道）,无质子梯度,质子梯度的作用：,不是形成ATP；,而是使ATP从酶分子释放,结合变化机制（binding-change mechanism）,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,Rotation of the,g,subunit and the,ring of c subunits,in the F,o,F,1,complex,was observed by,in vitro,studies,using fluorescence,microscopy,线粒体ATP酶,(五),线粒体两条呼吸链,NADH氧化呼吸链,细胞内主要的呼吸链,FADH,2,氧化呼吸链,由,琥珀酸脱氢酶复合体,、CoQ和Cyt组成,FAD、Fe-S、Cytb,558,需要氧的参与；,消耗氧、ADP和无机磷酸生成ATP；,电子传递水平的磷酸化,线粒体呼吸链,1、解偶联剂（uncoupler）,使电子传递和ATP形成两个过程分离；,不抑制电子传递，只抑制,ATP形成,；,使电子传递所产生的自由能变为,热能,；,对,底物水平磷酸化,没有影响,2,4-二硝基苯酚、双香豆素,（六）,氧化磷酸化的解偶联与抑制,pH=7 脂不溶,脂溶性,增加膜对质子的通透性,2、离子载体抑制剂,与氢离子外的其他,一价阳离子,结合,形成脂溶性复合物，使其跨膜转移。,缬氨霉素（K,+,）、短杆菌肽（K,+,/Na,+,等）,3、氧化磷酸化抑制剂,既抑制氧的利用，又抑制ATP的形成,但不抑制电子传递过程,寡霉素,Heat is generated inBrown fat through theaction of thermogenin,an uncoupling protein,.,褐色脂肪的产热机制,氧化磷酸化解偶联,产热素,（七）,胞浆NADH的再氧化（穿梭系统）,NADH不能穿过线粒体内膜,1、甘油-3-磷酸穿梭途径,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,（心脏、肝脏细胞）,胞浆中,甘油-3-磷酸脱氢酶,甘油-3-磷酸,磷酸二羟丙酮,线粒体中,甘油-3-磷酸脱氢酶,NADH逆浓度梯度进入呼吸链,容易逆转,（八）,氧化磷酸化的调控,ATP的生成以电子传递为前提,ATP的生成推动电子的传递,呼吸控制,：ADP对氧化磷酸化作用的调节,ADP ATP,利用 磷酸受体 氧化磷酸化,氧化磷酸化作用与细胞对ATP的需求相适应,