0409代谢总论与生物氧化2培训教材.ppt

第五章 新陈代谢总论与生物氧化第一节 新陈代谢总论第二节 生物氧化高能化合物与ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物 一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5kCal/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物1）烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物： - 61.9 kJ/mol（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷） - 30.5 kJ/mol焦磷酸 - 28.84 kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物： - 43.1 kJ/mol(1) 硫酯键型高能化合物 （例）非磷酸高能化合物：乙酰辅酶A 31.4 kJ/mol(2) 甲硫型高能化合物 （例） 41.8 kJ/molONNNNNH2-HH-OHH O- O-P O - O O O -P O-P-O-CH2- O - OOHATP的特殊作用作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP H2O ADP Pi其G0= - 30.51kJmo1； 当ADP Pi ATP时，也需吸收30.51kJmol的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式肌酸磷酸激酶 第二节 生物氧化有机物质在细胞内的氧化作用。

又称组织呼又称组织呼吸或细胞呼吸吸或细胞呼吸 在整个生物氧化过程中，有机物质最终被在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成氧化成COCO2 2和和HH2 2OO，并释放出能量形成，并释放出能量形成ATPATP一、 生物氧化的特点（一）氧化还原的本质电子转移 电子转移的主要形式： 1. 直接的电子转移 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+ (1) 直接脱羧(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）丙酮酸HOOCC H2C COOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH + CO2OO（ -脱羧）草酰乙酸 生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用二、 生物氧化中CO2的生成三、生物氧化中 H2O 的生成 生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的 代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水 在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的 生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH + H+O苹果酸CH3CCOOH + CO2氧化型2H+MH2M 氧化型还原型(2H)递氢体NAD+,NADP+, FMN,FAD,COQ还原型递电子体 Cyt b, c1, c, aa32e O2O2-H2O脱氢酶氧化酶 1、概念l 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给氧而生成水的全部体系，称呼吸链(respiratory chain)。

此体系也称电子传递体系或电子传递链(electron transfer chain)l 由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链一）呼吸链2、呼吸链种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种： NADH呼吸链：绝大部分分解代谢的脱氢 氧化反应通过此呼吸链完成 FADH2呼吸链：只能催化某些代谢物脱 氢，不能使NADH或NADPH脱氢 在电子传递过程中释放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，这是生物合成ATP的基本途径之一 实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化3. 呼吸链中传递体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO, 叠氮化合物a. 测定各电子传递体氧化还原电位的数值按氧化还原电位由低到高顺序排列； b. 利用电子传递抑制剂确定其顺序；（1）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：电子传递抑制剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。

各组分E ： 低 高 电子迁移方向：低电位 高电位 G：逐步降低 放能NADH FMN Q Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) O2FADH2 (Fe-S)电子传递链各组份的排列顺序 II（琥珀酸-Q还原酶）INADHQ还原酶IIIQ-细胞色素 c还原酶IV细胞色素c氧化酶d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合物 (4种)c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证；膜间隙琥珀酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜1）NADH泛醌还原酶l简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，其作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶 l NADH + Q + H+ NAD+ + QH2lNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一lNADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物最少含有16个多肽亚基，它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白lFMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2还原型FMNH2可进一步将电子转移给QNADHQ还原酶复合物+ CoQH24H+ 2eFe-S复合物I基质（负）膜间隙（正）基质臂2）琥珀酸-Q还原酶l琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。

再通过QH2-Cyt c还原酶、Cyt c和Cyt c氧化酶将电子传递到O2 l琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白l琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原CoQH2复合物复合物 4H+2e膜间隙（正）基质(负)琥珀酸延胡索酸复合物复合物 3）泛醌细胞色素c还原酶l简写为QH2-Cyt c还原酶, 即复合物III, 它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（Cyt c）的还原l QH2-Cyt c 还原酶 QH2 + 2 Cyt c (Fe3+) Q + 2 Cyt c (Fe2+) + 2H+l QH2-Cyt c还原酶由9个多肽亚基组成，活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）CoQH2+复合物 4H+ 2eCyt b4H+Cyt c1瑞斯克 铁硫蛋白Cyt c膜间隙(正)基质(负)复合物III4）细胞色素c氧化酶l简写为Cyt c 氧化酶，即复合物 IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。

活性部分主要包括Cyt a和a3，两者组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子Cyt a a3可以直接以O2为电子受体l在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将Cyt c所携带的电子传递给O2复合物 + 2H+Cyt cABC膜间隙（正）基质（负）1(泵出)(底物)2H+2H+复合物组成： F0（疏水部分） + F1（亲水部分） + 寡霉素敏感蛋白（oscp） F0 ：镶嵌粒体内膜中的质子通道 F1：（33）催化生成ATP5）复合物ATP合成酶基质侧膜间隙侧四、氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)作用伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化ADP + Pi + 能量 ATPAMP + PPi + 能量 ATP（一） ATP的生成1. 底物水平磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用底物水平磷酸化反应举例X + ADP ATP + XPCOO-C-O P CH2磷酸烯醇式丙酮酸 COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADP ATP2. 电子传递体系磷酸化 当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。

底物水平磷酸化是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸）中是进行生物氧化取得能量的唯一方式 底物水平磷酸化和氧的存在与否无关，在ATP 生成中没有氧分子参与，也不经过电子传递链传递电子1）概念ADP ATP底物产物FAD FADH2NAD NADHH2O电子传递体系磷酸化：能量1（2 2） P/O P/O比和由比和由ADPADP生成生成ATPATP的数目的数目 电子传递体系磷酸化是需氧生物获得ATP 的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，需要氧分子的参与真核生物氧化磷酸化过程粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜上进行P/O比： 是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数 NADH呼吸链：P/O比值接近3， FADH2呼吸链：P/O比值接近2，故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中，可分别合成3个、2个ATP3 3）呼吸链）呼吸链电子传递过程中的自由能变化变化1 复合物I: NADHCoQ, E0= 0.360V，G0= -69.5kJ/mol 复合物III: CoQ Cytc, E0= 0.190V， G0= -36.7kJ/mol 复合物IV: Cytaa3 O2, E0= 0.580V， G0= -112kJ/mol 复合物II: FADH2 CoQ, E0= 0.085V，G0= -16.4kJ/mol 可见，当一对电子相继经过复合物、和时，每一步都释放出足以合成一分子ATP的自由能； 但当一对电子经过复合物时，释放的能量不足以合成ATP，其作用仅仅是将电子由FADH2注入电子传递链。

最近的研究表明：复合物、和不能直接合成ATP，但能螯合通过电子传递所产生的自由能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形成跨膜的质子梯度 跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力跨膜质子转移膜间隙1基质琥珀酸延胡索酸电化学梯度（二）胞液中 NADH 的氧化磷酸化 在细胞质中经糖酵解产生的 NADH，不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化只能通过两种精妙的“穿梭”系统解决 NADH 的再氧化问题一种称为甘油-磷酸穿梭系统，另一种称为苹果酸-天冬氨酸穿梭系统NADH + H+线粒体内膜甘油-磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羟丙酮磷酸FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2ONAD+甘油-磷酸CH2OHCHOHCH2O胞液甘油-磷酸脱氢酶；线粒体甘油-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸穿梭系统COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH转氨酶转氨酶细胞质线粒体细胞质苹果酸脱氢酶线粒体苹果酸脱氢酶线粒体内膜 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Edward Slater 最先提出。

认为电子传递产生一种高能共价中间物，它随后的裂解释放能量驱动ATP合成但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物三）氧化磷酸化作用机制 氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题共存在三种假说：l2. 构象偶联假说l 1964年Paul Boyer最先提出认为电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，而形成一种高能形式，这种高能形式通过将能量提供。