Q第八章生物氧化

发布于:2021-06-22 12:26:49

生物氧化

主要内容:
(1)细胞如何在酶的催化下将有机物中的C变成CO2—
CO2如?何脱形羧成反?应
(2)在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机物中的H
? 氧化成H2O—H2O如何形成? 电子传递链 (3)当有机物被氧化成CO2和H2O时,释放的能量怎样 转化成ATP—能量如何产生?
?底物水*磷酸化 ?氧化磷酸化

第一节 生物氧化的方式和特点

1.生物氧化的概念
物质在生物体内进行的氧化称生物氧化,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。

糖 脂肪 蛋白质

O2

CO2和H2O

ADP+Pi

能量

ATP

热能

2. CO2的生成
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。

(1)直接脱羧

例: R
H2N-CH-COOH

氨基酸脱羧酶

R CH2-NH2 +CO2

(2) 氧化脱羧:在脱羧过程中伴随着氧化

NADP+ NADPH + H+

HOOCCH2CHOHCOOH
苹果酸

CH3CCOOH + CO2 O

3. 物质氧化的方式

(1)与氧结合(直接加氧)

O2

苯丙氨酸

酪氨酸

(2)脱氢(直接脱下一对氢原子)

OH

乳酸脱氢酶

O

CH3CHCOOH

CH3CCOOH

NAD+ NADH

(3)失去电子(直接脱下电子)

(4)加水脱氢 如: 醛氧化为酸

4.生物氧化的特点

C6H12O6 + 6O2

6CO2+6H2O + 能量 (2840kJ/mol)

生物氧化

反应条件

温和

(体温、pH*中性)

反应过程

多歩酶促反应

能量释放 CO2生成方式

逐步进行
(化学能、热能)
有机酸脱羧

体外燃烧
剧烈
(高温、高压)
一步完成 瞬间释放
(热能)
碳和氧结合

5.参与生物氧化的酶类
? ①脱氢酶——使代谢物的氢活化和脱落,传 递给受氢体或中间传递体。
? ②加氧酶——将氧原子加到底物分子上。
例如, 甲烷单加氧酶
CH4 + NADH + O2 ?? CH3-OH + NAD+ + H2O

? ③传递体——中间传递氢或电子的物质。
? ④氧化酶——以氧为直接受氢体的氧化还 原酶类---将来自传递体的氢传给氧生成水。

第二节 生物氧化中水的生成
? 一、呼吸链的概念 ? 二、呼吸链的组成 ? 三、呼吸链的排列顺序

线粒体结构
线粒体结构

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 。 例:

乙醇脱氢酶
CH3CH2OH

CH3CHO

NAD+
NADH+H+
NAD+

2e
电子传递链

2H+

1\2 O2 O=
H2O

一、 呼吸链(respiratory chain) 概念:
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 一系列的酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电 子传递链(electron transfer chain)。
?组成:脱氢酶、传递体和氧化酶 ?各组分按一定顺序排列在线粒体内膜

线粒体的结构
位置:位于线粒体内膜上(真 核),细胞膜上(原核)。
呼吸链

二、呼吸链的组成

1.以NAD或NADP为辅酶的脱氢酶
?催化代谢物脱氢,由NAD+或NADP+接受,然后将氢 交给中间传递体。

NAD(P) + + 2H+ +2e H+

NAD(P)H +

还原 氧化

2.以FMN或FAD为辅基的脱氢酶(黄素酶)

3.铁硫蛋白
? 因其活性部分含活泼的硫和铁原子,故称铁硫中心。
?它是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白,其作用 是借铁的变价进行电子传递(单电子传递体):
Fe3+ + e ? Fe2+

4.泛醌类(UQ) O
泛醌又称辅酶CH Q3(O COQ)C,H3为一脂溶性醌类化合物 能可逆地进行C加H3O氢和脱氢(C 反H应2CH,C是C递H2氢)nH 体。

O

CH3

n=6-10

结构(CoQ)

5.细胞色素类(Cyt)——电子传递体
是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质,因有颜色而得名。主 要有细胞色素b、c1、c、a、a3等。主要通过辅基中 Fe3+ ? Fe2+ 的互变而传递电子。
2Cyt·Fe3+ +2e - ? 2Cyt·Fe2+

? Cyt a3以氧为直接受体,称为细胞色素氧化酶,除了 含有铁卟啉外,还含有铜原子。在电子传递过程中, 可发生Cu+ ? Cu2+ 的互变,将所携带的电子传递给 O2。
? 细胞色素氧化酶一般以Cyta1a3复合体存在

三、呼吸链中传递体的顺序
1.电子按氧化还原电位由低到高传递,根据呼吸链中各 组分的氧化还原电位由低到高的顺序推出电子的传递 方向:

2.两条呼吸链
NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链

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

呼吸链各组分在线粒体中存在的形式:4种功能复合物

第三节 生物氧化中能量的生成
? 一、ATP ? 二、ATP的生成方式 ? 三、氧化磷酸化偶联机制 ? 四、解偶联剂和抑制剂对氧化磷酸化的影响 ? 五、线粒体外的氧化磷酸化

一、ATP (P252)
化合物水解时放出的能量>20.9 KJ/mol者,称高能 化合物。其所含键称高能键。
高能磷酸键: ~ P 或 ~P
ATP是最主要的直接供能物质

其他高能化合物 如:磷酸肌酸(肌肉中的储存形式)

ATP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(是细胞内磷酸基团转移 的中间载体)

14 磷酸烯醇式丙酮酸

磷 酸 基

12

10

1,3-磷酸 甘油酸

~P ~P

~P

团8 转

ATP ~P

移6 能4

~P

2

0

磷酸肌酸 (磷酸基团储备物)
6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油醛

二、ATP的生成方式(重点) ? 生物氧化不仅仅是消耗O2生成CO2和H2O,
更重要的是在这个过程中有能量的释放。 ? 释放出的能量在细胞内以ATP的形式贮存,
以供细胞代谢活动。
底物水*磷酸化 氧化磷酸化
呼吸链磷酸化(最主要)

1.底物水*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, 然后酶使磷酸基团转移到 ADP上形成ATP。
X~ P + ADP → ATP + X

特点:
●是捕获能量的一种方式。如在发酵作用(无氧呼吸) 中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。
●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。

2.呼吸链磷酸化----体内产生ATP的主要方式。

定义: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,因此又称电子传递体系磷酸化。



吸 链

1 2 O2

氧化

AH2 2H(2H++2e)

H2O



A

能量



ADP+Pi

ATP 磷酸化

如:1mol NADH + H+经NADH呼吸链能够产生2.5 molATP

3.氧化磷酸化偶联部位(重点) (P253)
1) P/O比 1940年,Sochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生
成的关系,为此提出P/O比的概念。(同位素实验) P/O比定义:当一对电子经呼吸链传给氧的过程中所产 生的ATP分子数。
ADP+H3PO4 ATP
实质:每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。

2)ATP产生的数量:
实验证明:
? NADH呼吸链的P/O值是2.5,即代谢物每脱 掉两个氢,若经NADH呼吸链传递给氧,每 消耗一摩尔氧原子就可形成2.5摩尔ATP;
? FADH2呼吸链的P/O值是1.5,即代谢物每脱 掉两个氢,若经FADH2呼吸链传递给氧,每 消耗一摩尔氧原子可形成1.5摩尔ATP 。

3)ATP产生的部位--即氧化与磷酸化的偶联部位 ADP+Pi ATP △G0′= 30.5 kJ/mol

呼吸链电子传递时△G0′的变化

部位

△G0′ (kJ/mol)

NADH - FMN Cytb - Cyt c Cyt aa3 - O2

-55.6 -34.7 -102.1

琥珀酸

ADP+Pi

FAD

ADP+Pi

ADP+Pi

NADH FMN CoQ Cyt b c1 c aa3 O2

ATP

ATP

ATP

氧化磷酸化偶联部位

三、氧化磷酸化偶联机制---化学渗透假说
在氧化磷酸化中,电子从一个载体到另一个载 体的传递过程中究竟怎样促使ADP磷酸化成 ATP的?
目前最为流行的是化学渗透假说(Peter Mitchell于1961年提出 ):
1978年获诺贝尔化学奖

化学渗透假 说示意图
1.电子在呼吸链中的传递是定向的 2.递氢体有质子泵功能,H+不断从内膜内侧泵至膜间隙 3.内膜对H+不通透,故在其两侧可建立质子浓度梯度(电化学梯度).
当此梯度足够大时,H+流通过嵌在线粒体内膜上的ATP合成酶返 回基质,质子电化学梯度蕴藏的能量释放,推动ATP的合成。

四、解偶联剂和抑制剂对氧化磷酸化的影响
1、解偶联剂 ?定义:能使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质。
(它对电子传递没有抑制,但能抑制ADP磷酸化生成ATP)

举例:2,4-二硝基苯酚、双香豆素

胞液 低pH

扩散

基质 高pH

破坏质子梯度!

2.抑制剂
(1)呼吸链抑制剂

作用:阻断电子传递

琥珀酸

FA D

NAD+ FMN CoQ
阿的* 阿米妥 鱼藤酮
戊巴比妥

b c1 c 抗霉素A

aa3 O2
H2S CO CN

(2)氧化磷酸化抑制剂
? 机理:通过与ATP合酶结合而抑制ATP的生成
? 如寡霉素:与ATP酶的柄部蛋白OSCP结合,阻止质子从 F0质子通道回流,抑制ATP生成。
寡霉素

五、线粒体外的氧化磷酸化
--细胞质中NADH/NADPH的氧化
? 真核细胞细胞液中产生的NADH/ NADPH必须经运转, 进入线粒体后才能经呼吸链氧化生成ATP!
? 转运NADH的机制主要有: ? α-磷酸甘油穿梭 ? 苹果酸穿梭
转运NADPH:异柠檬酸穿梭

1、α—磷酸甘油穿梭(1NADH :1.5ATP)
?主要存在于脑、骨骼肌

2、苹果酸穿梭(1NADH:2.5ATP)
主要存在于肝、心肌组织中。

3.异柠檬酸穿梭作用

NADPH + H+
α-酮戊二酸

线 α-酮戊二酸





内 膜

NADH + H+

NADP+
异柠檬酸 异柠檬酸
NAD +

呼吸链(2.5ATP)

本章重点
? 1. 呼吸链的组成及其作用 ? 2. 两条典型呼吸链的排列顺序 ? 3. 氧化磷酸化的偶联部位 ? 4. 影响氧化磷酸化的因素 ? 5. 胞液中NADH进入线粒体的两种穿梭机制对应的能量


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