生物化学第6章生物氧化

1、第6章,生物氧化,Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 生物氧化的概念,细胞呼吸,生物氧化的特点： 1、反应条件温和(在体温37，pH近中性)的有水环境中进行。 2、反应由酶催化。 3、逐步放能，有利于ATP的生成。 4、H2O由代谢物脱下的氢和氧结合生成， CO2由有机酸脱羧生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,Mitochondrion,代谢物脱下的成对氢原子（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，这一系列酶和辅酶组成的传递链称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。,一、呼吸链,定义,递氢体和

2、电子传递体（2H 2H+ + 2e）,组成,传递氢的酶或辅酶,传递电子的酶或辅酶,酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,人线粒体呼吸链复合体,泛醌、细胞色素c不包含在上述四种复合体中。,电子传递链各组份的排列顺序,复合体又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone),每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,递H+2e,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。,1,10,递2H+2e,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行

3、Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,铁硫蛋白,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10）。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。,递2H+2e,复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 复合体没有H+泵的功能。,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,3、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b566, b562)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。 泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体。 电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,细胞色素(cytochrome, Cyt),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。,属于单电子传递体,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。,复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体也有质子泵作用。 C

4、yt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，故不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。,复合体又称细胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。,4、复合体将电子从细胞色素C传递给氧,复合体结构,复合体的电子传递过程,标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,由以下实验确定:,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,1、NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2、FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链） 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,琥珀酸脱氢酶、 脂酰CoA脱氢酶、 -磷酸甘油脱氢酶,二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)：代谢物脱下的氢，经氧化呼吸

5、链电子传递释放能量，偶联驱动ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)与脱氢反应偶联，直接将高能代谢物分子中的能量转移给ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程。不经电子传递。,ATP生成方式,底物水平磷酸化,（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,根据P/O比值 自由能变化: G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,1、P/O 比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,2、自由能变化,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),G0 = -nFE0,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,近代实验和电化学计算结果： 平均每泵出4个H+才合成并转运1分子ATP NADH氧化呼吸链泵出10个H+：10/4=2.5（分子ATP） FADH2氧化呼吸链泵出6个H+：6/4=1.5（分子ATP）,(二)氧化磷酸化偶联机

6、制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,氧化磷酸化,质子梯度 能量,“for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory“,Peter Mitchell Nobel Prize in Chemistry, 1978,It isnt a theory, its a fact.,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。,（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成,F1：亲水部分 （动物：33亚基复合体，OSCP），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亚基），镶嵌在线粒体内膜中，

7、形成跨内膜质子通道 。,ATP合酶结构组成,电镜下：头部+柄部+基底部 生化技术：F0 + F1,F1 由五种亲水性亚基组成（33）， 其中33相间排布成有中央孔隙的六面体头部。深入头部的中央孔隙中并可在其中转动。连接与 F0。,F1部分还有寡霉素敏感蛋白（OSCP），与寡霉素结合后可抑制F1活性。,F0： 脂溶性，镶嵌于内膜中，由三种疏水性亚基组成（ab2c912）。,亚基c是由2个-螺旋形成发夹样构象的单肽链亚基，第2个螺旋中央第61位为天冬氨酸， 912个c亚基装配成对称的c环，跨越内膜。,a亚基固定在c环外部，具有两个互不相通的质子半通道，两个半通道正好分别与C环中相邻的两个C亚基相对应。,两个b亚基连接a亚基和F1的亚基，以固定头部与a亚基皆不转动。,1989年Paul Boyer提出“结合变构”机制 亚基是ATP合酶催化部位，通过亚基构象的转变，不断从基质中结合ADP+Pi后催化二者合成ATP，并把ATP释入基质。 原理：由于亚基在头部中央孔隙逆时针方向转动，使头部的亚基发生LTOL规律性构象变化使ATP不断合成 。,质子回流如何驱动ATP合成？,1、L型构象捕捉ADP和P

8、i； 2、与亚基结合后变构为T型构象使结合的ADPPi合成ATP； 3、亚基离开后变构为O型构象，释出ATP；之后，又自动恢复为L构象。,ATP合酶的工作机制,ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism),Paul D. Boyer,John E. Walker,“for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)“,Nobel Prize in Chemistry, 1997,什么力量驱使-亚基不断逆时针方向转动？,c环中的c亚基接触内膜时，其中的Asp61为质子化的电中性的氨基酸（-羧基不解离），以便与双脂层内膜结合。 C环中两个被a亚基包围的c亚基不直接与双脂层结合。a亚基的两个亲水性半通道分别与这两个相邻的c亚基相通。与a亚基结合的两个c亚基中的Asp61处于带负电的解离状态，这时c环不转动。,j1亚基 j2亚基 j3亚基 j4亚基,Howard Berg 和George Oster提出：

9、,基质侧半通道,膜间隙侧半通道,质子进入膜间隙半通道，使对应的1个c亚基Asp61负电荷被H+中和， c亚基与疏水内膜相互接触而发生转动，质子化的c亚基转动到基质侧半通道，H+进入基质。,C环再逆时针转动一个C亚基的位置,反复进行， 质子不断从膜间隙进入基质,经亚基带动亚基在头部中央孔隙中不断逆时针转动,导致头部的亚基不断进行LTOL循环式变构，不断合成ATP。,三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响,（一）有3类氧化磷酸化抑制剂,1、呼吸链抑制剂： 阻断氧化磷酸化的电子传递过程,复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。 复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB-Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,鱼藤酮 粉蝶霉素A 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,2、解偶联剂,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,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,3、ATP合酶抑制剂,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合OSCP结

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