生物化学-第9章 生物氧化.pdf

第九章生物氧化bioenergetics内容提要第一节概述 第二节生物氧化体系及有关的酶类 第三节呼吸链及氧化磷酸化第一节概述、生物氧化的概念 h能源物质（糖、脂、蛋白质等有机物）在活细胞内氧 化分解，产生CO2和心0,释放化学能并转化为生物能 M生佗过程称为生物氧化（生物能学bioenergetics）。高等动物通过肺进行呼吸，吸入氧气、排出CO2。吸入的。2用以氧化摄入体内的营养物质，获得能量，所 以生物氧化又称呼吸作用（aerobic respiration）。由于微生物是以细胞直接进行呼吸，故又称为细胞呼吸 或细胞氧化。Wires(ch a in of electron ca rriers)Ba tteryi two ch emica l species of d if f erent red uction potentia l)Motor(energy tra nsd ucer)Interlocking gea rs(coupling d evice)Weigh t being lif ted(mech a nica l work)Food(red uced compound s)Mitoch ond rion(electroch emica l tra nsd ucer)O2(h igh red uction potentia l)I+PiCh a in of electron ca rriers in membra neMuscle contra ction(mech a nica l work)、生物氧化的方式-I生物氧化在有氧和无氧的条件下都能进行，故生物氧化可分为两类：r有氧氧化：利用。2分子来氧化底物，最终生 成C()2和a0。这种方式的氧化彻底，释放的能量多。、无氧氧化：是指以非分子氧氧化的方式。以氧化型物质作为电子受体，这种氧化不完全、产能少。无氧氧化可分为丫以有机物为受氢体进行的氧化。、以无机物为受电子体进行的氧化生物体内氧化反应有：失电子氧化（如：氢在呼吸链中的氧化）1加氧氧化（如：氨基酸氧化酶催化的氧化脱氨）脱氢氧化（如：琥珀脱氢酶催化的反应）、加水脱氢氧化（如：TCA循环中，延胡索酸到草 酰乙酸的氧化）在生物体中，脱氢氧化和加水脱氢氧化是能 源物质氧化的主要反应形式。三、生物氧化的特点：1、是在酶催化下进行的，反应条件温和。w I I 卜一 一十十一十十一;卜十一十十一十十+十2、底物的氧化是分阶段进行的。能量也是逐步 释放的。这样不会因氧化过程中能量骤然释放 而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利 用。3、生物氧化过程中释放的能量通常先储存在一 些特殊的高能化合物中（如A TP）,通过这些物 质的转移作用满足机体吸能反应的需要。4、生物氧化受细胞的精确调节控制。基质中脱氢、产生COuter membrane_f1 Inner membraneAn Animal CellNucleolusNucleusPlasma MembraneGolgi BodyNuclear MembraneMatrix真核细胞产能GG20.1原核生物细胞Capsule Flagella丁；二二%细胞质中脱氢、J产生82 冷造制 _,卜.一细胞膜产H2。Ribos 产能Nucleoid(DNA)A Bacterial Cell第二节生物氧化体系及有关的酶类生物氧化体系声氧氧化不需传递体体系 生物氧化体系 i电子传递体系I无氧氧化有机物;无机物（一）、有氧氧化体系共性：以分子氧为最终受体。1、不需传递体体系：是最简单的生物氧化体系。从底物脱 下来的氢不需传递，直接在酶作用下与分 子氧结合。这种酶可分为：氧化酶类需氧脱氢酶类(1)氧化酶类催化的反应模式:-2eIX-2H.2CiP+氯化薛2Cu+1OzO2Hz。r氧多酶类：它是含Cu+或Fe+的金属蛋白，不能从底物上 脱氢，只能夺取底物上的电子对(2e),用于激活 分子氧(。2)，从而促进氧与底物的化合。氧化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。重要的氧化酶有：细胞色素氧化酶(Fe+)酚氧化酶(Cu+)抗坏血酸氧化酶(Cu+)细胞色素氧化酶是由细胞色素氧化酶a和细胞 色帚氧化酶23组成的蛋白复合物，用Cytaa3表示。复合物中含有两分子的血红素A。由氧化酶催化的反应不能在无氧的条件下进 行，没有任何其他受氢体可以代替氧。(2)需氧脱氢酶类催化的反应模式:J需氧脱氢酶:-这类酶分子是以FMN或FA D为辅基的黄 素蛋白。它催化底物分子脱氢，但与不需氧脱 氢酶不同，这类酶需要用分子氧直接作为受氢 体，反应生成电。2。在无氧的情况下，甲烯蓝或醍可代替氧作为氢受体，而使反应进行。如：葡萄糖氧化酶（以FDA为辅基）氨基酸氧化酶（以FDA或FMN为辅基）不需传递体体系中两种类型的比较：3M酶不能从底物上脱氢，而需氧脱氢酶能脱氢；最终电子受体为氧时，氧化酶氧化的最终产 物是水，而需氧脱氢酶氧化的产物是氧化酶只能以氧作为最终电子受体，而需氧 脱氢酶在无氧的情况下，可以以甲烯蓝或醍可 代替氧作为最终电子受体。2、电子传递体系(electron transport system)它是生物体主要的生物氧化体系。丁彳镭氧脱氢酶脱下的氢主要通过此途径进行 氧化。该体系的成员包括：以NA D+为辅酶的不需氧脱氢酶I以FMN或FA D为辅基的黄素蛋白(FP)泛醍(UQ,即辅酶Q)细胞色素(Cyt)b,5,c细胞色素氧化酶胞液侧Cytc图9-3呼吸链的组成及复合体的排列顺序不代氧脱氢酶以NA D+或NA DP+为辅酶 以FMN或FA D为辅酶 凡直接作用与底物分子，使之脱氢氧化，又 不以氧作为直接受氢体的酶，称为不需氧脱氢酶。（二）无氧氧化体系1;吊而I物为最终电子（氢）受体如：3-P-甘油醛 NA D 乙醇1,3-2P-甘油酸7 NA DH 乙醛2、以无机物为最终电子（氢）受体此体系常以NO3-、NOr SO42-S2O32 CC）2等 无机物为最终电子（氢）受体。如：脱磺脱硫弧菌的无氧氧化。第三节呼吸链及氧化磷酸化、高能键及高能化合物：在生物体中有些化合物的个别化学键的自由 能很高，因此，其结构不稳定、性质活泼，自发 水解和基团转移的趋势很强，当它们发生水解或 基团转移反应时，释放或转移的自由能很多，这 种含自由能很高的化学键，称为高能键。用符号”表示。高能磷酸化合物中磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出 大量的自由能。这类化合物为高能磷酸化合物。一般将水解时能释放出5.0 Kcal(20.92kJ)以上自由能的键视为“高能键”。生物化学中所用的“高能键”的含义和化学中使用 的“键能”(energy bond)含义是完全不同的。-化学中“键能”的含义是指断裂一个化学键所需要提供 的能量；而生物化学中所说的“高能键”是指该键水解时所释放 出的大量自由能。高能键的高能不是“键能”特别高，而是自由能高。分子中含有高能键的化合物，称为高能化合物释放育邑量X pH 7.0.25：)kJ/mol(kcAl/mol)通式硝酸月九酸O=C-O(p)CHOHCOO-c-o-布卜斤哧力：大西布；ch2oIICHO-1,3-二硝 fit 甘汨j fit1,3.二磷酸甘油酉璘酸烯醇式 丙酮酸pO pOHATP,GTP,UTP,CTP-43.9(-10.5)一 61.9(-14.8)-41.8(-IO.1)-30.5(-7.3)举 例oOH OHO乙 fitCoA一 31.4(-7.5ATP是细胞中最重要的高能化合物(1)它是产能和需能反应之间最主要的能量介 质；(2)作为磷酸基团的供体参与磷酸化反应。磷 酸化是生物物质的一种普遍的活化方式。(3)A TP参与高能磷酸基团的转移反应。细胞 中的超高能化合物(L 3-2P-甘油酸、磷酸 肌醇)与A TP之间可发生高能磷酸基团的转移 反应。16卜璘酸烯葬式丙酮酸e3-磷酸甘油OATP在磷酸基团转移中的“共同中间传递体”作用二、呼吸链的概念及类型呼吸链是由位于线粒体内膜中的一系列电子 传递体，按标准氧化还原电位的顺序，由低到高 排列的一种能量转换体系。在电子传递体系中，底物脱下来的氢不是直 接交给氧，而是经一系列传递体，最终传给氧,该体系又称为电子传递链或呼吸链(electron transport chain or respiratory chain)。Cytc图9-3呼吸链的组成及复合体的排列顺序呼吸链的功能授受还原型辅酶上的氢原子对使辅酶分子还原，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负 离子(。2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在氧化过程中逐步氧化放能，所释放 的能量驱动A DP和无机磷发生磷酸化反应，生成 A TPo典型的电子传递链有两种类型：NA D传递链FA D传递链NAD呼吸链复合物I：NADH-辅酶 Q还原酶(FMN、Fe-S)(NADH dehydrogenase complex)复合物m：辅酶Q-细胞色素C还原酶(铁 口卜咻、Fe-S)(CoQ-Cytochrome reductase)复合物W：细胞色素c氧化酶(铁叶咻，Cu)(Cytochrome oxidase)I_omplex I:NA DHReductase复合物I：NADH.辅酶Q还原酶（FMN、Fe-S）GG20.6nterMatrixFP+IPIntermembrane space(P-PhaseLR LindaNADH FADHQIntermembrane space(p side)Complex INADH+H)Series of Fe-SMembra ne a rmMa trix a rmMatrix(n side)Series of Fe-S centersFMN2e-辅酶Q(CoQ)泛醒Ubiquinol(UQH2)功能氢传递体CoQ+2H=CoQ H2化学本质一一脂溶性醒类化合物（又称泛氧化态 还原态（琨型）（半醍型）二氮泛感（氮配型）不同来源的CoQ的侧链长度不同，其异 戊二烯单位的数目n在6 10,其中哺乳 动物体内的n为10,故又称为Q i。铁硫中心(Iron-sulfur centers)铁硫蛋白(Iron-sulfur protein)铁硫蛋白是存在于线粒体内膜上的一种与电子 传递有关的非血红素铁蛋白。Fe3+e，Fe2+铁一硫聚簇有几种不同的类型：类型I：只含有一个铁原子(Fe-S)；类型含有两个铁原子(2F6-2S);类型IU：含有4个铁原子(4Fe-4S)。f Cys-SCys-SCys-SS CysCys-SCys 一 S(b)s-CysProteinProtein 阿米妥（一种巴比妥盐药物）鱼藤酮（一种常用的杀虫剂，植物产物）沙粉蝶菌素A（一种抗生素）抑制电子从复合体I中的铁硫中心到泛 醍的流动，故阻断氧化磷酸化的全过程复合物n：琥珀酸盐辅酶Q还原酶（FMN、Fe-S）Compex H memMi常 spaceMatrixIntermembrane space(P side)Glycerol Glycerol3-phosphate 3-phosphatedelNADH+H+Matrix(N side)lydrogenase/(cytosolic)小 gFe-S A、FAD)ETF:Q 晨犁37 oxidoreductase/fadHIFumarate然鸵en aJ)Fatty acyl-CoA-Y Enoyl-CoA复合物印：辅酶Q-细胞色素C还原酶（铁吓咻、Fe-S）Cyt cnnnnMatrix(N-phase)UQH 111IIIIIntermembrane space(P-phase)Pioteinb中的口卜咻环X,Y=His(cyt a,b)X,Y=His,Met(cyt c)复合物IV：细胞色素C氧化酶（铁口卜咻，Cu）CytaaMatrix(N-Phase)外2H手Intermembrane space jCytosol复合物I:NADH辅酶 Q还原酶（FMN、Fe-S）复合物UI：辅酶Q-细胞色素C还原 酶v（铁吓琳、Fe-S）复合物II:琥珀酸盐辅酶Q还原 酶（FMN、Fe-S）Matrix复合物W：细胞色素C氧化酶（铁叶琳，Cu）er mbrane+NADH 链NA DDH-QSuccinatFumarateFAD%链为什么是这样一个 顺序呢？呼吸链中传递体的顺序确定弋-依据_各传递体的Eo、复合体组成、链阻断试验提问:NA DH链 NA DHFMNCoQ f bcaa3f4 判断各自所发生的“传递反应”Eo大小顺序？答案：丑庄。Eoz-0.32-0.30+0|l+a07+0.22-+0.25+0.29+0.816如何解释CoQb(Eo,+0.1 +0.07)?一U.4-0.2NADHSite IAHO，=+0.42 VAGO，=-19.2 kc al/mol(-80.3 kJ/mol)卜UQH+0.24-0.44-0.6+0.8Cyt bc c omplexSite 11AH=-fO.18 VG=8.3 kc al/mol(-34.7 kJ/mol)Cvt aCyt c02Site III f=+0.52 VAGO，=24.5 kc al/mol(-102.5 kJ/mol)OElec tron flow氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量3 源，是生物产生A TP的主要途径。氧化磷酸化作用指的是与生物氧化作用相伴而 生的磷酸化作用；是将生物氧化过叁中释放的自由能，用以使 A DP和无机磷酸生成高能A TP的作用。真核生物的电子传递和氧化磷酸化都是在细胞 的线粒体内膜发生的作用。原核生物则是在浆膜发生的。底物水平磷酸化和氧化磷酸化在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸 能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放 的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生 成反应，这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的 偶联可在两种水平上发生：底物水平的磷酸化;、氧化磷酸化。1冲底物水平磷酸化:反应底物被脱氢氧化时，分子内能量重新分 布，集中较高的自由能，利用无机磷合成高能磷 酸键。然后又将高能磷酸基团转移ADP合成ATP。这种底物分子氧化反应与磷酸化反应偶联生成ATP 的反应称为底物水平磷酸化 底物水平磷酸化在有氧和无氧条件下都能进行。其 特殊意义在于它是无氧条件下兼性生物细胞或厌氧 微生物从有机物取得生物所需能量的主要来源。co IHCOH+A DP-aCHf（Xg）1.3-二2酸甘油酸O C）H HCOHCH式即+A TP2叶氧化磷酸化（电子传递磷酸化）：不需氧脱氢酶脱下的氢原子对，在有氧条件 下，通过电子传递链的氧化过程中，逐步释放自 由能，驱动磷酸化偶联反应，利用A DP和无机磷 备成A TP。这种在电子传递（氧化）过程中，偶联 的A DP被磷酸化形成A TP的酶促过程，称为氧化磷 酸化。NADH+H.+X)2 NAD，+H20(193Th is net rea ction is h igh ly exergonic.For th e red ox pa ir NAD/NADH,is-0.320 V,a nd f or th e pa ir 020,is 0.816 V.Th e f or th is rea ction is th eref ore 1.14 V,a nd th e sta nd a rd f ree-energjr ch a nge(seeEq n 13-7.p 515)isAG。=nNADf+H20 AC6:-220.5 kj/mol(-52.7 kcal/mol)3A DP+3Pi-3A TP+3H2OA G=3x7,3=+91.6 kJ/nx)l(+21.9 kcal/mol)42%(21.9/52.7xl00%)氧化磷酸化的作用机制小磷酸化作用如何偶联尚不够清楚。目前主要有三个学说：1、化学偶联学说认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。如糖酵解作用 中ATP的合成 2、结构偶联学说认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组 分发生了构象变化，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。这一学 说和化学偶联学说一样，至今未能找到有力的实验 证据。化学渗透学说 电子传递释放出的自由能和A TP合成是与一种跨 线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是，电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质 跨过内膜进入到膜间腔，从而形成跨线粒体内 膜的H+电化学梯度。这个梯度的电化学电势驱动 A TP的合成 随着质子被动的通过一个与A TP合酶相连的质子孔道回流进基质，跨膜的质子浓度梯度和电荷 分离所包含的电化学能量（质子驱动力），驱 动A TP的合成。内膜FJi ATP舞俄24-18化学渗透假设示意困 任中赛明电子传递待是一个H离了聚（质子泵）使 H从蛾粒体基陡排到内裹外.在内外面的H浓 度比震内高,即形成，科H侬度梯度，所产生的电 化学电势美动M通过ATP台或一系维的F.F A7 P 博分子上的郭殊通道回悔到统长体基质,阿时再放 出自由处与ATP的合成相谓联化学渗透假说可以解释许多关键的现象,得到许多实验证据。例如: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、01、K-和CT等离子都是不通透的。破坏FT浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂等）都必然破坏氯化磷酸化作用的进行。线粒体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。大量直接或间接实验证据表明，膜表面不仅能滞留大量质子，而且在一定条件下，质子沿膜表面迅 速的转移，其速度超过在大盘水相中的速度0Michell的化学渗透假说曾获得1978年的诺贝尔化学奖。迄今虽然能敌偶联的具体分子机制尚未能XJQQOOQOOOOOOOOOOOOOQOQOQOOQQOQOOOOOQOOOOOOOOQOOOQOOOOQOOOQOQpCOOOpOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOQCDOOOCIntermembranepace(P ide/ATPNADH+H*IIIMatrix(N wide)OOOOOQCQjSuccinate F umarnteCh emica l potentia l ApH insid e a h ne)化学势ApH(膜内侧为碱性)Ayn th esis d riven by proton-motive f orceElectrica l potentia l A NAD，Q315V）NADH-Q 还原醯 y ADP+Pi作合体【）G抑制丹鱼藤SUAE0.3桢 V ATPAG0-69.5 kJ/mol琥珀酸-Q 0，、还原善一CoQ a-+0.045 V）（复合体D）珈凰色素还原前（复合体ID）厂ADP+PiA熄=0-190V J抑制剂：抗，素AAG噎-36.7 LJ，inol ATP细篦色素c（三+0.235）细服色素氧化博（复合体W）A5580 V AG-H2U/mol 卜.202+2H+-电。（匹卜0.815 V）/ADP-Pi J抑制剂;CN、ATP0.8 L抑制剂对电子传递的抑制部位：NADH4NADHQ还原的-I第一部位一鱼藤酮及安密妥的抑制点qh2细胞色素br-rr-T第二部位一抗霉素A的抑制点一-4-i-4细胞色素Ci一.一，-4U-4细胞色素cI-细胞色素（a+a3）T-iir I第三部位=CN-,N；及8的抑制点一一;i-b I；Qz图13-9 抑制剂对电子传递的抑制部位(2)解偶联剂传递磷酸化是一种偶联作用。在正常情 况下，电子传递链传递时总伴随有A TP的生成。解偶联剂的作用是使电子传递和A TP形成两个 过淳分离。这些化合物能破坏电子传递和磷酸化的 偶联关系，此类化合物并不影响电子的传递，但却 能抑制A TP的生成。典型的解偶联剂是：2,4-二硝基苯酚(DPN)。2,4-二硝基笨酚图 24-252,4二硝基笨酚的作用机制在pH7的环境下,2,4-二硝基苯酚以离解的形式存在（）这种形式不能透过膜，因它是脂不溶性的。在酸性的环境中2,4-二硝基苯酚接受质子后成为不解离的形式而变为脂溶性的，从而容易 地透过膜，同时将一个质子带入膜内。解偶联剂使内膜对H*的通透性增加。亲脂的膜能结合将其复合体口复合体V复合*N复合体血0,+2H，FADH,NADH“螺零素A 畀成巳比妥2,4二鹿泉盼(3)离子载体抑制剂通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化作用。如缀氨霉素，短杆菌肽等。线粒体外NADH,H+的氧化 NA D和NA DH,H+,都不能自由通过线粒体内 膜过两条穿梭系统进入线粒体氧化。-（一）磷酸甘油穿梭系统（二）苹果酸一天门冬氨酸穿梭系统磷酸甘油穿梭系统情质 婚基000000000000000000000000000000000000000000000000-2腔 间 匐酸链琥呼D A F膜 内珀鳖*体 粒 线H 20 H CA NC-C胞液中的NADH,H+便间接地转变为线粒体内的FADH2,FADH2 可进入呼吸链彻底氧化苹果酸一天门冬氨酸穿梭系统胞浆侧 线忖体内膜 基质侧CHOHCOOHICH.COOH笨果酸COCOOH I CHCOOHI-CH.COOH人竽z酸COCOOH I (CH2)2COOH。一阴叱酸COCOOHCH.COOH大学3酸(CH2):COOHCHNH.COOHI、/NAD-CH.COOH 笔奴酸 丫COCOOH|上上 NADH+JTCH.COOH酸CHNH.COOH&H,)、COOH 一氯