6-生物氧化与氧化磷酸化资料教程.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1基础生物化学西北农林科技大学生命学院 罗鑫娟6 生物氧化和氧化磷酸化6.1 生物氧化概述6.2 电子传递链(呼吸链)6.3 氧化磷酸化6.4 其他末端氧化酶系统(自学)糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ATPADP+Pi热能6.1.1.2生物氧化的特点体外氧化的特点：反应条件苛刻：高温、高压、剧烈；能量突发式释放；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生物氧化的特点反应条件温和：体温，pH接近中性；酶促反应；分步反应，能量逐步释放：ATP；物质的氧化方式是脱氢反应；脱下的氢在电子传递系统参与下传递与氧结合生成H2O；CO2是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物(有机酸)直接脱羧或氧化脱羧产生发生的场所：真核细胞粒体内膜，原核细胞在质膜上进行6.1.1.3生物氧化中CO2和H2O的生成1. CO2的生成方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2类型：-脱羧和-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧-单纯脱羧：见于氨基酸的脱羧作用R-CH-COOHNH2氨基酸脱羧酶R-CH2-NH2 + CO2氨基酸胺-单纯脱羧：见于草酰乙酸的脱羧作用。

CO2CH2-COOH CO-COOHCH3 CO-COOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸丙酮酸-氧化脱羧：见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用丙酮酸脱氢酶系CH3-CO-COOH + HSCoACH3COSCoA + CO2NADNAD+ +NADNADH H + + H H+ +丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA -氧化脱羧：见于苹果酸的脱氢与脱羧作用CO-COOH + CO2CH3CH2-COOHOHCH-COOHNADP+ NADPH + H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶2. H2O的生成代谢物在脱氢酶催化下，脱下的氢由相应的氢载体(NAD+、NADP+、FAD、FMN等)所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 12 O2CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢酶NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+6.1.2生物氧化的自由能变化6.1.2.1自由能的概念u自由能(free energy)：在恒温、恒压下一个体系可用于做有用功的能量，又称Gibbs自由能，以G表示GH TSG 0 反应不能自发进行G = 0 反应处于平衡状态G仅与反应物基态和终态有关，与反应途径、 机制无关。

6.1.2.2 反应的标准自由能变化及其与平衡常数的关系G：标准自由能变化G：pH=7时的标准自由能变化在反应A B中，自由能变化是标准自由能变化G和平衡常数K的函数： G= G+RTlnB/A当反应达到平衡时， G=0，Beq/Aeq=K，K 表示特定条件下生化反应的平衡常数，因此：G= -RTlnK= -2.303RTlgK序列反应自由能总变化等于每一步反应自由能变化的总和计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时 =Keq=19解：G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 lg19 =-7.6KJ.mol-1G=G+ RTlnB/A =-7.6+ 2.3038.314 311 lg0.1 =-13.6KJ.mol-1未达平衡时 =0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001mol/L，求反应的 G是多少？例题：6.1.2.3氧化还原电位在氧化还原反应中，电子从还原剂传递到氧化剂物质分子失去或得到电子倾向的大小用氧化还原电位(电动势，E)表示 。

电位高：易得到电子-氧化剂电位低：易失去电子-还原剂标准状况下氧化还原电位变化：E= 标准氧化电极电位标准还原电极电位E越大，得到电子的倾向越大，氧化能力越强E越小，失去电子的倾向越大，还原能力越强6.1.2.4 氧化还原电位与自由能的关系u在氧化还原系统中，电子从低电位向高电位转移，氧化还原电位的变化转化为自由能而释放出来u标准自由能变化G与标准氧化还原电位差Eo之间有以下关系： uG= -n FEo = -n F(Eo受体 Eo供体)(n为转移电子数)u在生物化学反应中，这种自由能的变化意味着一个体系能够转移电子的能力例题：计算下反应式GNADH+H+1/2O2=NAD+H2O氧化电极电位：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82还原电极电位：NAD+H+2e NADH E- -0.3G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-16.1.3 高能磷酸化合物6.1.3.1生物体中的高能化合物生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能(21kJ/mol)的化合物称为高能化合物高能化合物含有不稳定的高能键，是高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酯键。

ATP是最重要的高能化合物并非含磷酸基团化合物均是高能化合物， G-6-P、 F-6-P，水解只释放4.212.6kJmol-1的能量，是低能化合物高能化合物类型6.1.3.2 ATP在能量转换中的作用 能量货币 ATP-ADP循环是生物系统的能量交换中枢 磷酸基团转移反应的中间载体 ATP 在体内的储量有限 高能磷酸储能物质：磷酸肌酸、磷酸精氨酸6.2电子传递链(呼吸链, ETC)6.2.1 线粒体线粒体具两层膜：外膜平滑，仅有少量酶结合；内膜向内褶叠形成嵴，是能量转换的重要部位线粒体内腔充满半流动的基质(衬质)，含有TCA酶类、脂肪酸-氧化酶类、AA分解代谢酶类线粒体结构 u哺乳动物mtDNA为环状分子u编码细胞色素氧化酶、cyt.b和Fo疏水亚基等10多种蛋白质u其余蛋白质均由核基因编码，在细胞质中合成后运入线粒体线粒体DNA (mtDNA) u丙酮酸以及脂肪酸氧化为CO2，同时使NAD+和FAD还原为NADH和FADH2-发生粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上u电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上，并同时形成跨膜质子泵u将贮存于电化学质子梯度的能量由内膜上的FoF1ATP酶(FoF1ATPase)复合体合成ATP。

线粒体内膜的功能6.2.2电子传递链电子传递链(electron transfer chain, ETC)：由一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链ETC所有组成成分都嵌合于线粒体内膜，并且按对电子亲和力逐渐升高的顺序分段组成分离的复合物6.2.2.1 电子传递链的组成递H体和递e体是传递H或电子(e)的载体，因为 H = H+ + e，所以递H体也是递e体，本质是酶、辅酶、辅基 电子传递链的组成：黄素蛋白铁硫蛋白细胞色素泛醌(辅酶Q，CoQ)除CoQ外都是蛋白质，通过其辅基的可逆氧化还原传递电子1.黄素蛋白 (flavoprotein)与电子传递链有关的黄素蛋白有两种，分别以FMN和FAD为辅基 FMN: 黄素单核苷酸FAD: 黄素腺嘌呤二核苷酸 NADH + H+ FMN = NAD+ + FMNH2琥珀酸 + FAD = 延胡索酸+ FADH2FMN 、FAD ：是脱氢酶的辅酶 2.铁硫蛋白(iron sulfur proteins, Fe-S)含铁硫络合物蛋白，又称非血红素铁蛋白(或铁硫中心)；Fe和S常以等摩尔量存在(Fe2S2，Fe4S4 )，构成Fe-S中心；Fe通过4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结；一次可传递一个电子至CoQ。

+e 传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e3. 细胞色素特点：以血红素(heme)为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉 类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类；呼吸链中含5种(b、c、c1、a和a3)：其中cytc为线粒体内膜外侧的外周蛋白，其余均为内膜的整合蛋白cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体； cyt a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶4.泛醌(ubiquinone, UQ或Q)又称辅酶Q，是脂溶性苯醌，带有一很长的脂肪族侧链(由多个异戊二烯单位构成)，易结合到膜上或与膜脂混溶，是一种均一的流动库是ETC中唯一的非蛋白质组分，也是一种灵活的电子载体是一种和蛋白质结合不紧密的辅酶电子传递链复合体复合物(NADH脱氢酶) FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADHCoQ复合物 (琥珀酸脱氢酶)FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸CoQ复合物(细胞色素b、c1复合体) 复合物(细胞色素氧化酶)CuAaa3CuB 还原型Cyt c O2u原则：根据各种组分的标准氧化还原电位来确定。

u标准氧化还原电位越小，还原性越强，容易被氧化还原性越强，容易被氧化；u标准氧化还原电位越大，氧化性越强，容易被还原氧化性越强，容易被还原uETC中各种组分由低电位依次向高电位排列6.2.2.2 电子传递链的排列顺序6.2.2.3呼吸链 NADH氧化呼吸链NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸复合物 II复合物 IV复合体 I复合物 IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链膜间隙 基质侧 线粒体内膜 氧化呼吸链的排列顺序Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸 琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 6.2.3 电子传递抑制剂电子传递抑制剂能够在ETC某一特定部位阻断e传递，是研究电子传递顺序的重要方法鱼藤酮 (rotenone)安密妥(amytal)、杀粉蝶菌素A也作用于复合物阻断e由NADHCoQ，但不影响H由FADH2 CoQ抗霉素A (antimycin A)抑制复合物的e传递作用。

氰化物CN- 、叠氮化物N3- 、CO和H2S阻断e由cyt.aa3O2其中CN-和N3-与氧化型cytaa3(Fe3+)有高度亲和力，CO则与还原型 cytaa3 (Fe2+) 形成复合物氧化磷酸化的抑制剂6.3氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)6.3.1 氧化磷酸化的概念和类型在生物氧化过程中，将氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用根据生物氧化的方式可将氧化磷酸化分为：底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化(氧化磷酸化)类型1. 底物水平磷酸化(substrate level phospharylation)底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，这些中间产物通过酶促磷酸基团转移反应，直接偶联ATP的形成底物水平磷酸化见于下列三个反应：1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP3-磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP琥珀酸硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP2.电子传递体系磷酸化即通常所说的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是需氧生物合成ATP的主要途径。

氧化是底物脱H或失e的过程，磷酸化是ADP与Pi合成ATP的过程氧化是磷酸化的基础磷酸化是氧化的结果在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化两个过程紧密地偶联在一起，即氧化释放的能量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化6.3.2 氧化磷酸化与电子传递的偶联6.3.2.1 P/O值测定P/O是指每消耗1个O(或每对电子通过ETC传递至O2 )所产生的ATP分子数 NADH 2.5ATPFADH2 1.5AT。