第四章 生物氧化课件.ppt
本章主要内容本章主要内容4 生物氧化概述生物氧化概述4 生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中二氧化碳的生成4 线粒体生物氧化体系线粒体生物氧化体系4 生物氧化中能量的产生与利用生物氧化中能量的产生与利用4 线粒体外的生物氧化体系线粒体外的生物氧化体系一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，营养物质在动物机体内氧化，生成二氧化碳和水，并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现并有能量释放。这个过程在细胞中进行，宏观上表现为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞为呼吸作用，因此也将生物氧化称为组织氧化或细胞氧化、组织呼吸或细胞呼吸。氧化、组织呼吸或细胞呼吸。 不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量不同于有机物质在体外的剧烈燃烧，伴随着大量热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓热能的释放，生物氧化在温和的条件下进行，能量缓慢的释放。慢的释放。第一节第一节 概述概述二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点 1.生物氧化是在体内常温、常压、酸碱适中、有生物氧化是在体内常温、常压、酸碱适中、有H2O参加的参加的温和条件下进行的。温和条件下进行的。 2.生物氧化是逐步氧化还原过程，能量也是逐步释放出来的。生物氧化是逐步氧化还原过程，能量也是逐步释放出来的。 3.生物氧化释放的能量，除一部分能量以热的形式散失外，生物氧化释放的能量，除一部分能量以热的形式散失外，大部分能量暂时贮存在大部分能量暂时贮存在ATP中，这样既提高了能量的利用率又可中，这样既提高了能量的利用率又可避免由能量集中释放使温度骤然上升而对生物体的损害。避免由能量集中释放使温度骤然上升而对生物体的损害。 4.生物氧化的速度严格受有机体多种因素的调控。生物氧化的速度严格受有机体多种因素的调控。三、生物氧化的方式三、生物氧化的方式 1.脱氢反应脱氢反应（1）直接脱氢：）直接脱氢：（2）加水脱氢）加水脱氢2.2.加氧反应加氧反应3.3.失电子反应失电子反应细胞色素细胞色素FeFe2+2+-e -e 细胞色素细胞色素FeFe3+3+ 生物氧化中，生物氧化中，COCO2 2 的生成并不是由体内物质代谢过程中碳原子的生成并不是由体内物质代谢过程中碳原子直接与氧接合，而是糖、蛋白质、脂肪等物质在体内代谢过程中先直接与氧接合，而是糖、蛋白质、脂肪等物质在体内代谢过程中先形成羧基化合物，然后在脱羧酶的作用下，进行脱羧反应生成形成羧基化合物，然后在脱羧酶的作用下，进行脱羧反应生成COCO2 2。 一、单纯脱羧基一、单纯脱羧基 1.- 1.-单纯脱羧基单纯脱羧基CCOOHNH2RHCH2NH2RCO2胺(磷酸吡哆醛)氨基酸脱羧酶氨基酸+第二节第二节 生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中二氧化碳的生成 2.- 2.-单纯脱羧基单纯脱羧基COO-COCH2CO-O草酰乙酸+ GTPCOO-CCH2OPO-O-O磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶+ CO2 + GDP磷酸烯醇式丙酮酸 1.- 1.-氧化脱羧基氧化脱羧基 H3C COCOOHHSCoAH3C COSCoA乙酰CoA+CO2丙酮酸脱氢酶复合体NAD+NADH+ H+丙酮酸二、氧化脱羧基二、氧化脱羧基 2.- 2.-氧化脱羧基氧化脱羧基 脱氢反应是生物氧化的最主要方式。代谢底物上的氢被脱脱氢反应是生物氧化的最主要方式。代谢底物上的氢被脱氢酶激活脱落后，在线粒体内膜上经一系列具有氧化还原活性氢酶激活脱落后，在线粒体内膜上经一系列具有氧化还原活性的酶与辅酶或辅基等递氢体或递电子体的传递，最终与被激活的酶与辅酶或辅基等递氢体或递电子体的传递，最终与被激活的氧负离子结合生成水。由于这些递氢体或递电子体在线粒体的氧负离子结合生成水。由于这些递氢体或递电子体在线粒体内膜的排列顺序严格并形成前后的链式结构，所以称其为内膜的排列顺序严格并形成前后的链式结构，所以称其为电子电子传递链传递链，氧是最终电子受体。由于氧来源于细胞的呼吸作用，氧是最终电子受体。由于氧来源于细胞的呼吸作用，因此，电子传递链又称因此，电子传递链又称氧化呼吸链氧化呼吸链。一、呼吸链及其组成一、呼吸链及其组成第三节第三节 线粒体生物氧化体系线粒体生物氧化体系 复合物复合物 酶名称酶名称 亚亚 基基 辅辅 基基 NADH-Q还原酶还原酶 39 FMN，FeS 琥珀酸琥珀酸-Q还原酶还原酶 4 FAD，FeS， 铁卟啉铁卟啉 Q-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 10 铁卟啉，铁卟啉，FeS 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶 13 铁卟啉，铁卟啉，Cu2+呼吸链含有呼吸链含有4 4种复合体种复合体呼吸链中复合体的排列顺序呼吸链中复合体的排列顺序二、呼吸链各组分的作用机理二、呼吸链各组分的作用机理 1.黄素蛋白类黄素蛋白类 黄素蛋白类辅基有黄素单核苷酸（黄素蛋白类辅基有黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤）和黄素腺嘌呤二核苷酸（二核苷酸（FAD）。）。FMN和和FAD的作用是从代谢物上接受两个的作用是从代谢物上接受两个氢原子后，转变为还原型的氢原子后，转变为还原型的FMNH2和和FADH2，然后再把，然后再把2个氢个氢质子、质子、 2个电子经铁硫蛋白传递给泛醌，而个电子经铁硫蛋白传递给泛醌，而FMN和和FAD转变为转变为氧化型。通过此氧化还原的变化完成了电子的传递，由于每次氧化型。通过此氧化还原的变化完成了电子的传递，由于每次同时可以传递同时可以传递2个电子，所以个电子，所以FMN和和FAD又称双电子传递体。又称双电子传递体。所不同的是所不同的是FMN催化的是从催化的是从NADH+H+ 脱氢，而脱氢，而FAD催化的是催化的是从琥珀酸等物质脱氢。从琥珀酸等物质脱氢。 2.Fe-S 蛋白蛋白 非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助非血红素铁蛋白，也称铁硫中心，借助Fe化学价的变化化学价的变化（Fe+/Fe+）传递电子。）传递电子。Fe与与4个个Cys 的的S相连相连Fe2S2，Fe分别与分别与2S和和2个个 Cys 的的S相连相连3.辅酶辅酶Q （泛醌，（泛醌，CoQ） 脂溶性的小分子，通过氧化脂溶性的小分子，通过氧化/还原（醌还原（醌/酚）两种形式传递氢，酚）两种形式传递氢，因此是递氢体。因此是递氢体。OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10 4.细胞色素细胞色素（Cytochrome, Cyt ） 细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，细胞色素是一类含血红素的电子传递蛋白，Fe原子处于原子处于血红素环中央，借助化学价的变化（血红素环中央，借助化学价的变化（Fe+/Fe+）传递电子。）传递电子。 有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有十几种细胞色素，不同的细胞色素对特定波长的可见光有不同的吸收。有不同的吸收。 Cyt c和和c1的血红素与蛋白部分共价结合。的血红素与蛋白部分共价结合。 Cyta,a3又称细胞色素又称细胞色素c氧化酶氧化酶,处于呼吸链的末端处于呼吸链的末端,既含既含Fe原子，又有原子，又有Cu原子，通过铜原子的化合价变化（在原子，通过铜原子的化合价变化（在+1和和+2之之间）最终将电子传递给氧。间）最终将电子传递给氧。Cyta,a3可以被可以被CN-和和CO抑制。抑制。细胞色素细胞色素c 的结构的结构 Cyt c和和c1的血红素与蛋白部分共价结合。的血红素与蛋白部分共价结合。 1.NADH 1.NADH 呼吸链呼吸链三、线粒体内主要的呼吸链三、线粒体内主要的呼吸链2.FADH 2.FADH 呼吸链呼吸链 CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-电子在呼吸链中的传递方式电子在呼吸链中的传递方式(I)(II)(III)(IV)NADHFMN（FeS）CoQCyt b（FeS）Cyt c1Cyt cO2FADH（FeS）Cyt aa3NADH 呼吸链呼吸链FADH 呼吸链呼吸链两条呼吸链总结两条呼吸链总结琥珀酸琥珀酸四、胞液中四、胞液中NADH的氧化的氧化1.1.苹果酸穿梭：苹果酸穿梭：在肝脏和心肌等组织。在肝脏和心肌等组织。 2.-2.-磷酸甘油穿梭：磷酸甘油穿梭：在肌肉组织和大脑。在肌肉组织和大脑。 注意：注意：通过该穿梭作用，胞液中的通过该穿梭作用，胞液中的NADH转入到线粒体后转入到线粒体后转变为转变为FADH，进入琥珀酸呼吸链氧化。这解释了为什么，进入琥珀酸呼吸链氧化。这解释了为什么一摩尔一摩尔G经过有氧氧化可能生成经过有氧氧化可能生成36或或38摩尔的摩尔的ATP。第四节第四节 生物氧化中能量的产生与利用生物氧化中能量的产生与利用 营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中营养物质经过生物氧化生成二氧化碳和水，在此过程中释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被释放能量。其中一部分以热的形式释放，另一部分被“截获截获”并储存到并储存到ATP分子中（使分子中（使ADP+Pi ATP, 即磷酸化），可即磷酸化），可以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神以作为有用功在各种生理活动，如肌肉收缩（机械能）、神经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）经传导（电能）、生物合成（化学能）、分泌吸收（渗透能）中利用。中利用。 因此，因此，ATP（三磷酸腺苷）被称为机体中（三磷酸腺苷）被称为机体中通用的能量通用的能量货币。货币。 ATP的分子结构和高能磷酸键的分子结构和高能磷酸键 ATP等的分子中的焦等的分子中的焦磷酸键在水解时或在磷酸键在水解时或在转移时，可释放很高转移时，可释放很高的能量，称的能量，称高能磷酸键。高能磷酸键。2HHOCCN-OHOHHHOHHOCH2OO-OOOP-POOOPOCNCHHCCNNNATPAMPADP一、高能键与高能化合物一、高能键与高能化合物 凡是有高能键的化合物都叫做凡是有高能键的化合物都叫做高能化合物高能化合物。高能化合物一般。高能化合物一般水解时能释放水解时能释放20.93kJ/mol20.93kJ/mol以上的自由能。高能键通常用以上的自由能。高能键通常用“”符符号表示。号表示。 （一）高能磷酸化合物（一）高能磷酸化合物 1. 1.磷氧键型磷氧键型烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 焦磷酸化合物焦磷酸化合物 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 2. 2. 磷氮键型磷氮键型 （三）高能甲硫键型化合物（三）高能甲硫键型化合物（二）高能硫酯化合物（二）高能硫酯化合物二、二、 ATP ATP的生成及意义的生成及意义 （一）底物水平的磷酸化（一）底物水平的磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指在物质代谢过程中，由于脱氢或脱水氧化使是指在物质代谢过程中，由于脱氢或脱水氧化使得分子内部的能量重新排布和集中，从而生成了含某些高能磷酸键或得分子内部的能量重新排布和集中，从而生成了含某些高能磷酸键或高能硫酯键的高能化合物，在酶的作用下，高能化合物将高能键转移高能硫酯键的高能化合物，在酶的作用下，高能化合物将高能键转移给给ADPADP（GDP)GDP)，从而使其磷酸化生成，从而使其磷酸化生成ATPATP（GTPGTP）的过程。）的过程。 （二）氧化磷酸化（二）氧化磷酸化 (oxydative phosphorylation ) 底物脱下的氢（底物脱下的氢（2H 2H+ + 2e）经过呼吸链）经过呼吸链( respiratory chain) 或电子传递系统或电子传递系统( electronic transport system )的传递最后交给氧，的传递最后交给氧，并与之结合生成水。在此过程中并与之结合生成水。在此过程中,氧化释放的部分能量以高能磷酸氧化释放的部分能量以高能磷酸键的形式储存在键的形式储存在ATP分子中分子中 （ADP+Pi ATP），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧），这种氧化过程与磷酸化过程的偶联称为氧化磷酸化化磷酸化 。这是需氧生物合成这是需氧生物合成ATP的主要方式的主要方式。1.氧化磷酸化得偶联部位和磷氧比（氧化磷酸化得偶联部位和磷氧比（P/O） 当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（当电子在呼吸链传递消耗氧的同时，有无机磷酸（Pi）的消耗。消）的消耗。消耗耗P原子的摩尔数与原子的摩尔数与O原子的摩尔数之比称为原子的摩尔数之比称为P/O比。比。 研究组织呼吸的实验显示研究组织呼吸的实验显示: NADH 呼吸链的呼吸链的P/O为为3，FADH呼吸链呼吸链的的P/O为为2。即在。即在NADH呼吸链中，将一对电子传递给呼吸链中，将一对电子传递给O，实现了，实现了3次的次的磷酸化反应（磷酸化反应（ADP + Pi ATP），而在），而在FADH呼吸链只有呼吸链只有2次次. 在在NADH 呼吸链上，在呼吸链上，在NADHCoQ，Cytbc1 和和 Cytaa3O2 之之间释放的能量足以实现磷酸化。在间释放的能量足以实现磷酸化。在FADH呼吸链，则在呼吸链，则在Cytbc1 和和 Cytaa3O2 之间。这些部位称为偶联部位。之间。这些部位称为偶联部位。 电子的传递方向和释放的能量可能推动形成电子的传递方向和释放的能量可能推动形成ATP的部位的部位-50.24Kj/moL-41.87Kj/moL-100.48Kj/moL2.2.氧化磷酸化的机制氧化磷酸化的机制化学渗透学说化学渗透学说 - 底物脱下的氢的一对电子通过底物脱下的氢的一对电子通过NADH呼吸链传递给氧原子，呼吸链传递给氧原子，期间分别有期间分别有4、4、2共共5对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙对质子从线粒体的基质转移到膜的间隙中。呼吸链发挥了质子泵的作用。中。呼吸链发挥了质子泵的作用。 - 结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄结果在线粒体内膜的两侧形成了质子的电化学梯度，积蓄了很大的自由能。了很大的自由能。 - 当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能当质子顺着电化学梯度通过基粒返回到基质时，有自由能的释放。释放的能量在内膜粒子的的释放。释放的能量在内膜粒子的ATP合酶（合酶（FoF1ATPase）的）的作用下，通过作用下，通过ADP 的磷酸化生成的磷酸化生成ATP分子。分子。 F0 F1 CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 +-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图化学渗透学说（化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis) 内膜粒子、基粒、内膜粒子、基粒、 FoF1ATPase（ATP合酶），合酶），现又称复合体现又称复合体V。 F1有有5个亚基，有个亚基，有ATP合酶的活性，合酶的活性，Fo有有4个亚基，个亚基，镶嵌在线粒体的内膜上，镶嵌在线粒体的内膜上，作为质子通道。作为质子通道。3.影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素（1 1）ADPADP、ATPATP浓度的影响浓度的影响 氧化磷酸化的速率受生物体内能量水平的氧化磷酸化的速率受生物体内能量水平的调节。调节。（2 2）甲状腺素的影响）甲状腺素的影响（3 3）某些抑制剂的影响）某些抑制剂的影响 凡是能够阻碍氧化磷酸化进行的物质称为氧凡是能够阻碍氧化磷酸化进行的物质称为氧化磷酸化抑制剂，根据抑制剂作用方式的不同，可将其分为呼吸链化磷酸化抑制剂，根据抑制剂作用方式的不同，可将其分为呼吸链抑制剂、解偶联剂、磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。抑制剂、解偶联剂、磷酸化抑制剂和离子载体抑制剂。 呼吸链抑制剂可以在呼吸链的特异部位阻断呼吸链的传递。呼吸链抑制剂可以在呼吸链的特异部位阻断呼吸链的传递。 解偶联剂是指能够使呼吸链电子传递与解偶联剂是指能够使呼吸链电子传递与ADPADP磷酸化过程相脱离的磷酸化过程相脱离的物质。物质。 磷酸化抑制剂可以同时抑制电子传递和磷酸化抑制剂可以同时抑制电子传递和ADPADP磷酸化。磷酸化。 离子载体抑制剂是一类脂溶性抗生素物质。离子载体抑制剂是一类脂溶性抗生素物质。 氧化磷酸化偶联部位及呼吸链抑制剂氧化磷酸化偶联部位及呼吸链抑制剂三、高能磷酸键的转移、贮存和利用三、高能磷酸键的转移、贮存和利用1.1.高能磷酸键的转移高能磷酸键的转移 ATP ATP是高能磷酸化合物，其高能磷酸键和潜能可转移给是高能磷酸化合物，其高能磷酸键和潜能可转移给GDPGDP、UDPUDP、CDPCDP等，生成相应的三磷酸核苷化合物参与核酸的代谢过等，生成相应的三磷酸核苷化合物参与核酸的代谢过程。程。2.2.高能磷酸键的贮存高能磷酸键的贮存 当细胞中当细胞中ATPATP浓度较高时，浓度较高时，ATPATP的能量和磷酰基团转移给肌的能量和磷酰基团转移给肌酸生成磷酸肌酸把能量贮存起来；当酸生成磷酸肌酸把能量贮存起来；当ATPATP浓度降低时，磷酸肌酸浓度降低时，磷酸肌酸再将高能磷酰基团转移给再将高能磷酰基团转移给ADPADP形成形成ATPATP，供机体代谢需要的能量。，供机体代谢需要的能量。3.3.高能化合物中能量的利用高能化合物中能量的利用 第五节第五节 线粒体外的生物氧化体系线粒体外的生物氧化体系一、一、 需氧脱氢酶需氧脱氢酶 催化底物脱下的氢不必通过呼吸链而直接以氧为受体的酶。催化底物脱下的氢不必通过呼吸链而直接以氧为受体的酶。例如：氨基酸氧化酶，黄嘌呤氧化酶等，它们的辅基通常是黄例如：氨基酸氧化酶，黄嘌呤氧化酶等，它们的辅基通常是黄素核苷酸衍生物（素核苷酸衍生物（FADFAD，FMNFMN），因此又称其黄素酶类。产物有），因此又称其黄素酶类。产物有过氧化氢生成，后者可以由过氧化氢酶和过氧化物酶作用分解，过氧化氢生成，后者可以由过氧化氢酶和过氧化物酶作用分解，以消除其毒性。以消除其毒性。 二、加氧酶二、加氧酶三、超氧化物歧化酶（三、超氧化物歧化酶（SOD）例如例如 单加氧酶、氧化胆固醇类激素的反应。单加氧酶、氧化胆固醇类激素的反应。SOD催化超氧离子自由基的歧化反应。催化超氧离子自由基的歧化反应。四、四、 过氧化物酶与过氧化氢酶过氧化物酶与过氧化氢酶A A 为细胞中的酚类、胺类为细胞中的酚类、胺类
