生物氧化与氧化磷酸化

1、第四章 生物氧化,生物氧化的概念 高能磷酸化合物的概念及ATP的作用特点 典型呼吸链电子传递体的组成、排列方式及受抑制的部位 氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理,重点及难点,内 容,第一节 生物氧化概述 第二节 呼吸链 第三节 氧化磷酸化,第一节 生物氧化概述,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：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光 合作用产物）存储的化学能释放出 来，并转变成生物能。,生命是能量的转换者,生命活动的能量来源：,生命与能量的关系：,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化的概念,（一

2、）生物氧化：生物细胞将糖、脂肪、蛋白质等有机燃料分子物质氧化分解并逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。,三个问题,1、有机物质中的碳如何脱羧变成CO2 ？ 2、有机物质中的氢如何氧化变成H2O ？ 3、有机物质氧化成CO2和H2O同时，能量如何储存于ATP中？,ATP,ADP+Pi,* 生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,（二）生物氧化的特点,* 生物氧化与体外氧化之不同点,体外氧化,在高温、

3、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。 产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性）。 物质的氧化方式是糖、脂类和蛋白质中的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；碳是转化羧基化合物脱羧产生CO2 。 能量经一系列酶促反应逐步、缓慢的释放。 能量以ATP为“货币单位”进行储存和转运。,生物氧化,场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。,1. -直接脱羧 NH2 氨基酸脱羧酶 RCHCOOH RCH2NH2 +CO2,（三）生物氧化中CO

4、2和H2O的生成,生物氧化中CO2的生成,2. -氧化脱羧,丙酮酸脱氢酶复合物,丙酮酸,3. -氧化脱羧,苹果酸,丙酮酸,苹果酸酶,生物氧化中H2O的生成,生物氧化过程中，底物在脱氢酶作用下脱氢，脱下的氢和电子经一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体，传递到经氧化酶激活的分子氧而生成水H2O ，同时放出能量ATP。,乙酰CoA,TCA,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,二、生物氧化中自由能变化,1、自由能（Gibbs，G）的概念： 是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。 恒温恒压

5、条件下自由能变化公式为 G =H T S 意义：1)用其判断一个反应是否能发生。 2)生物体用以作功的能为生化反应放出的自由能。 3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。,G与反应途径、反应机理无关。 任何反应，当： G0 反应可自发进行，为放能反应。 G 0 反应不能自发进行，为吸能反应。 G 0 体系处于平衡状态，反应可逆。,自由能和化学反应的关系,标准状况下，产物自由能与反应物自由能之差。单位：kJ/mol G G0+RTlnB/A G0：pH=7时，标准自由能的变化。 每一化学反应有其特定的G0 ，G0的大小依赖于反应的平衡常数K： 当G00时， G0RTlnB/A=-2.303R

6、T lgK,标准自由能G0,根据平衡常数计算，在生物化学中有重要意义。,标准自由能计算：,只要G0总和0 ，则该途径可自发进行。,自由能变化的可加性：,生化反应自由能变化,生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为氧还对 参与反应的每一氧还对转移电子的势能（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）叫做氧化还原电位 标准氧化还原电位以E0表示。 E0值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0值越大，接受电子的倾向越强。,2.氧化还原电位与自由能的关系,氧化剂的E0值减去还原剂的E0值，叫做生化标准氧化还原电位差，用E0值表示。 GnFE0

7、 n=转移电子差；F:法拉第常数（99.496kJ/V.mol) 生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0值较小的物质移向E0值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）。,高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。,（一）生物体中的高能化合物,1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。,三、高能磷酸化合物,根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。,高能磷酸键 水解时释放的能

8、量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为 P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物,2、高能化合物的类型：,1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等 2）磷氮键型：如磷酸肌酸等 3）硫酯键型：如脂酰CoA等 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸,也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。,磷氧键型（OP),(1) 酰基磷酸化合物,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,酰基磷酸化合物,（2）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,（3）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,磷氮键型（-NP）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这

9、两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,（1）硫酯键型（-CS）,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,S-腺苷甲硫氨酸,（2）甲硫键型,硫碳键型,(二) ATP的形成与作用,腺苷三磷酸,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物电,热能-体温,光能-生物发光,ATP是生物系统能量交换的中心,荧火虫,ATP的特殊作用,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,1、ATP合成与分解偶联生化的放能和耗能反应 2、ATP作为磷酸基团转移反应的中间

10、载体 3、有些合成反应不直接利用ATP供能，而由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。 如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。,ATP的作用特点,4、一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,定义 生物氧化过程中，底物脱下的氢和电子经一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体，传递给被激活的分子氧而生成水，同时放出能量，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链又称电子传递链。,一、呼吸链的定义,第二节 呼吸链,Revea

11、led by Eugene Kennedy and Albert Lehninger in the 1940s,组成：递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e），存在于线粒体内膜上,线粒体的结构,基质,嵴,线粒体中能量的产生,TCA cycle,ATP synthesis,Glycolysis,-oxidation,The respiratory chain,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,二、呼吸链的组成,呼吸链中包括5类电子载体,烟酰胺核苷酸类：,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD +为辅酶

12、。电子和氢离子一起被接受，还原型Co将氢移到NADH脱氢酶上。,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,H,黄素脱氢酶类,黄素脱氢酶以FMN（FAD）为辅基接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸，FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。,铁硫蛋白类, 表示无机硫,revealed by Helmut Beinert,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。,细胞色素类（cytochromes),cytb-cytc-cytc1-cyta-cyta3 是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白

13、质广泛分布于细胞中，由于呈现颜色，故称细胞色素。 其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。 a、cytbc1复合体：含ctyb 、ctyc1及铁-硫蛋白。 b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3 。 除含铁还含铜（Cu2+Cu+） c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,辅酶Q类,又称泛醌（CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。 泛醌将电子传给细胞

14、色素bc1复合体，H+释出。,异戊二烯,呼吸链包括四种具有传递电子功能的酶复合体和两种单独成分。,用毛地黄皂苷、胆酸盐等去垢剂处理线粒体,* Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。,线粒体呼吸链复合体,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,Q还原酶,-,细胞色素,C,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,39,4,10,13,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,QH2,-,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe

15、,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,39,4,10,13,复合体 （NADH脱氢酶）,复合体（琥珀酸脱氢酶）,复合体 （细胞色素b、c1复合体）,功能：将电子从细胞色素c传递给氧。,复合体 还原型Cyt c O2,CuAaa3CuB,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,复合体（ 细胞色素氧化酶）,三、呼吸链中传递体的排列顺序,实验依据：,1）根据标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位从小逐渐增加。 2）通过吸收光谱变化，判断各种组分在呼吸链中的位置。 3）利用电子传递抑制剂选择性阻断。 4）分离纯化和重组、动力学分析。,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体

16、Cyt c 复合体O2 糖、脂、蛋白质等有机物的氢大部分经此呼吸链氧化为水。如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2 一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这条呼吸链的最初供体。,体内两条重要的呼吸链,传递体 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 递氢体 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体 黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体 辅酶Q 递氢体 铁硫蛋白（Fe-S） 单电子传递体 细胞色素类 单电子传递体,琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+，直接传递给黄素酶,琥珀

17、酸,能够专一阻断呼吸链某些部位电子传递的物质和化学药品。特点是可抑制呼吸链的某一环节，使呼吸链中断。底物氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，ATP生成随之减少 这类物质对人、哺乳动物及需氧生物有极强的毒性。,四、生物氧化抑制剂,1、呼吸链电子传递抑制剂,能够抑制第一位点的有阿米妥（异戊巴比妥）、粉蝶霉素A、鱼藤酮。 能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇。 能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,根据在呼吸链上作用部位，可分为三类：,鱼藤酮 杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A）

18、阿米妥（异戊巴比妥）,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,直接作用于ATP合成酶复合体，对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素,2. 解偶联剂,不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是抑制由ADP+Pi生成ATP的磷酸化作用，使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化。即使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白、双香豆素、2,4-二硝基苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。,3. 氧化磷酸化抑制剂,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡

19、霉素,ATP合酶结构模式图,第三节 氧化磷酸化,一、 氧化磷酸化,ATP的生成： 主要由：ADP+pi+能量ATP 少数情况：AMP+ ppi+能量ATP,生物氧化过程释放的自由能转移给ADP经磷酸化生成ATP的过程，能量贮存在ATP的高能磷酸键中。 体内磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。(光合磷酸化),1、底物水平磷酸化,指底物在氧化过程中分子内部能量重新分配，形成高能代谢中间产物，能量集中产生高能键，促使ADP磷酸化生成ATP的过程。 底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP,定义：,磷酸烯醇式丙酮酸,1,3-二磷酸甘

20、油酸,2、氧化磷酸化,定义：在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADH 和FMNH2经呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化 。 氧化磷酸化是需氧生物合成ATP的主要途径。,二、 氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：复合体、 主要根据自由能变化和P/O比值确定 G=-nFE,ATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递，此为偶联。 呼吸链上磷酸化位点： NADCoQ；CytbCytc；CytaO2,氧化磷酸化的大小用P/O表示 磷氧比（P/O)是指每消耗1mol原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的ATP。 可间接测ATP生成量： NADH呼吸链： P/O =3 FADH呼吸链： P/O = 2,氧化磷酸化偶联部位,三、 氧化磷酸化的偶联机理,化学偶联假说 1953年E.C.Slater提出:高能中间物 构象偶联假说 1964年P.D.Boyer提出:低能构象高能构象 化学渗透假说P.Mitchell 1961年提出: ATP合成酶复合体（F0F1ATP合成酶）,电子传递释出的能量用于形成跨膜的质子（H+）梯度，此梯度用以驱动ATP的合成。,Boyer (in 2000),化学渗透假说,（1）传递体交替排列且不对称分布，质子（H+）由内膜内侧向外侧转移，催