生物化学简明教程第四版第八章生物氧化

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1、新陈代谢与生物氧化新陈代谢与生物氧化 ( biological oxidation )新陈代谢定义：生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。外界物质细胞物质消化、吸收、合成排泄 分解中间代谢（metabolisim）中间代谢中间代谢能量代谢能量代谢分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用）小分子小分子生物大分子生物大分子 需要能量需要能量生物大分子生物大分子小分子小分子放出能量放出能量物质代谢物质代谢 活体内与活体外实验代谢途径阻断法同位素示踪法自由能和高能化合物可用于作功的能量 水解反应或基团转移时，可产生大量自由能的化学键称作高能键，具有高能键的化合物

2、称作高能化合物高能键和高能化合物：高能键和高能化合物：自由能：自由能：腺苷三磷酸腺苷三磷酸 (ATP)ATP是能量的携带者和传递者是能量的携带者和传递者; 但但ATP不是能量的贮存者不是能量的贮存者;磷酸肌酸，为高能磷酸基的暂时贮存形式，存在于肌肉和其他兴奋性组织，如磷酸肌酸，为高能磷酸基的暂时贮存形式，存在于肌肉和其他兴奋性组织，如脑和神经细胞中。在脊椎动物中，肌酸与脑和神经细胞中。在脊椎动物中，肌酸与ATP反应可逆地生成磷酸肌酸，这个反应可逆地生成磷酸肌酸，这个反应是由肌酸激酶催化的。反应是由肌酸激酶催化的。 磷酸肌酸的功能是保持肌肉，特别是骨骼肌和心肌有较高的磷酸肌酸的功能是保持肌肉，特

3、别是骨骼肌和心肌有较高的ATP水平。水平。有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化。有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能Biological Oxidation生物氧化生物氧化生物氧化的特点：生物氧化的特点：1、氧化的本质是电子转移、氧化的本质是电子转移(1)直接进行电子转移直接进行电子转移Fe2+Cu2+Fe3+ Cu+(2)氢原子的转移氢原子的转移AH2B+A+ BH2(3)有机还原剂直接加氧有机还原剂直接加氧RHO2+ROH + H2O+ 2H+ 2e2、在细胞中进行；、在细胞中进行；3、在一系列酶、

4、辅酶和中间传递体的作用下逐、在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐 步进行；步进行；4、能量的释放也是逐步进行的，且转移到一些、能量的释放也是逐步进行的，且转移到一些高能化合物中去；高能化合物中去；5、生物氧化的部位：在真核细胞中，生物氧化、生物氧化的部位：在真核细胞中，生物氧化主要在线粒体内进行，在原核生物中，生物氧化主要在线粒体内进行，在原核生物中，生物氧化在细胞膜上进行。在细胞膜上进行。要解决的3个问题： 如何生成如何生成CO2? 如何生成如何生成H2O? 如何生成如何生成ATP?生物氧化中生物氧化中CO2的生成的生成1、直接脱羧、直接脱羧2、氧化脱羧、氧化脱羧方式：脱羧方式：脱羧丙酮酸

5、脱羧酶丙酮酸脱羧酶直接脱羧直接脱羧HCOHCOOHCH2COOH+NADP+C=OCH2COOH+ NADPH+ H+苹果酸酶苹果酸酶氧化脱羧氧化脱羧+CO2脱下的氢经一系列传递体，传给氧，形成水。脱下的氢经一系列传递体，传给氧，形成水。生物氧化中水的生成生物氧化中水的生成1、过程：、过程：氢的激活脱落；（脱氢酶）氢的激活脱落；（脱氢酶）M2HM+2H氧的活化；（氧化酶）氧的活化；（氧化酶）1/2O2+2e1/2O22-2、呼吸链、呼吸链 （respiratory chain） 代谢物上的氢被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递代谢物上的氢被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最终传递给被激活

6、的氧分子，而形成水的全部体系称为体，最终传递给被激活的氧分子，而形成水的全部体系称为呼吸链，又称为电子传递链（呼吸链，又称为电子传递链（electron transport chain）NADH呼吸链：呼吸链：NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2FADH2呼吸链呼吸链FADH2CoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2呼吸链中的递氢体呼吸链中的递氢体NAD+、FMN、FAD、CoQNADP+、呼吸链中的递电子体呼吸链中的递电子体CytbCytc1CytcCytaCyta3氧化还原电位氧化还原电位NADHFMNCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2-0.

7、32-0.18-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816FADE0呼吸链各组分排列的顺序呼吸链各组分排列的顺序NADH-CoQ还原酶还原酶(复合物复合物)4个质子从个质子从基质排出到基质排出到间隙间隙由由42条多肽链条多肽链组成，其辅基组成，其辅基是是FMNNADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶(复合物复合物)由由4条多肽链组成，条多肽链组成，其辅基是其辅基是FAD 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 u 功能功能 将请氢从琥

8、珀酸传递给泛醌将请氢从琥珀酸传递给泛醌 CoQ-Cyt c还原酶复合物还原酶复合物(复合物复合物)4个质子从基质排出到个质子从基质排出到间隙间隙Cyt bc1复合物包含复合物包含Cytb、Cytc1和和FeS蛋白，由蛋白，由11条多肽链组成。条多肽链组成。 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c细胞色素细胞色素C氧化酶复合物氧化酶复合物(复合物复合物)2个质子从基个质子从基质排出到间隙质排出到间隙包含包含Cyta和和Cyta3蛋蛋白，由白，由13条多肽链组条多肽链组成。成。u 功能：将电子从

9、细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 424电子传递抑制剂电子传递抑制剂NADHCoQCytbCytc1Cytaa3CytcO2鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素抗霉素抗霉素A ACN-N3-CO四、四、ATP的生成的生成底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化(electron transport phosphorylation)底物水平磷酸化底物水平磷酸化烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶丙酮酸激酶甘

10、油酸磷酸激酶甘油酸磷酸激酶底物水平磷酸底物水平磷酸化化底物水平磷酸底物水平磷酸化化GTP琥珀酸硫激酶琥珀酸硫激酶琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A琥珀酸琥珀酸CoASH氧化磷酸化氧化磷酸化指在呼吸链电子传递过程中偶联指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化，生成生成ATP，又称为偶联磷酸化。，又称为偶联磷酸化。(oxidative phosphorylation)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)胞液中的胞液中的NADH如何进入线粒体？如何进入线粒体？-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)-磷酸甘油穿

11、梭磷酸甘油穿梭主要存在于肌肉、神经组织主要存在于肌肉、神经组织苹果酸穿梭苹果酸穿梭主要存在于肝脏、肾脏和心脏主要存在于肝脏、肾脏和心脏442化学渗透学说化学渗透学说1、呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱使、呼吸链上的电子在传递过程中产生的能量驱使H +从线粒体基从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙；质跨过内膜进入到膜间隙；2、泵出膜外侧的、泵出膜外侧的H +不能自由返回内侧，因而使内膜外侧的不能自由返回内侧，因而使内膜外侧的H +离子浓度高于内侧，造成了离子浓度的跨膜梯度，此离子浓度高于内侧，造成了离子浓度的跨膜梯度，此H +浓度差浓度差使外侧的使外侧的pH较内侧低较内侧低1.4单位左右，并使

12、原有的内负外正的跨膜单位左右，并使原有的内负外正的跨膜电位增高。电位增高。H +梯度所包含的能量可以驱使梯度所包含的能量可以驱使ADP和和Pi生成生成ATP;3、H +通过通过ATP合酶上特殊的途径合酶上特殊的途径(F0)，返回基质，使质子发生，返回基质，使质子发生逆向回流。由于逆向回流。由于H +梯度所释放的自由能梯度所释放的自由能, 耦联耦联ADP与与Pi合成合成ATP，质子的电化学梯度也随之消失。质子的电化学梯度也随之消失。ATP合酶：合酶：F0+F1（EC 3.6.3.14） F0：a、b、c 3种亚基种亚基 （a1、b2、c9-12） F1： 、5种不同亚基（种不同亚基（9条多肽链）

13、条多肽链）ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比 每合成每合成1mol ATP需需3个质子通过个质子通过ATP合成合成酶，同时产生的每酶，同时产生的每 1个个ATP从线粒体基质进从线粒体基质进入胞质还需要消耗入胞质还需要消耗1个质子个质子 每产生每产生1个个ATP需消耗多少个质子？需消耗多少个质子？ 一对电子从一对电子从NADH传到氧共产生多少个传到氧共产生多少个ATP？（4+4+

14、2）/4=2.5因此因此P/O比比=2.51. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：如：2，4-二硝基苯酚，解偶联蛋白二硝基苯酚，解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制剂（一）抑制剂鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻

15、断位点氧化磷酸化的氧化磷酸化的解偶联解偶联Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂Binding-change mechanism of Paul Boyer, rotation of the gamma-subunit (dark blue) relative to the a, b-ring (the three a, b-pairs are represented by different shades of green, red, or blue) induces a change in the binding affinities of reactants, as represented here by a change in the conformation of the site on going from left to right in the diagram. ATP forms spontaneously from tightly bound ADP and Pi. 结构变化机制结构变化机制鱼藤酮鱼藤酮丙二酸丙二酸抗霉素抗霉素A寡霉素寡霉素B