生物氧化和能量转化讲稿.ppt

关于生物氧化和能量转化08.10.20221第一页，讲稿共六十四页哦08.10.20222第一节第一节生物氧化概述生物氧化概述一一基本概念基本概念生物氧化生物氧化（biologicaloxidation）是指细）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO2和和H2O，并释放能量的过程。，并释放能量的过程。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。系列氧化还原反应。第二页，讲稿共六十四页哦08.10.20223二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点1.生物氧化是在细胞内进行的。生物氧化是在细胞内进行的。2.生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的。中进行的。3.生物氧化所产生的能量是逐步释放的。生物氧化所产生的能量是逐步释放的。4.生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高能化合物中。能化合物中。第三页，讲稿共六十四页哦08.10.20224三、生物氧化中三、生物氧化中CO2的生成的生成1.直接脱羧作用直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶脱羧酶的催化下，直接的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。第四页，讲稿共六十四页哦08.10.202252.氧化脱羧作用氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧氧化脱羧酶系酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。用。第五页，讲稿共六十四页哦08.10.20226四、生物氧化中四、生物氧化中H2O的生成的生成代谢物代谢物MH2氧化型氧化型M还原型还原型1/2O2H2O一个或多个传递体一个或多个传递体脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶第六页，讲稿共六十四页哦08.10.202271.自由能自由能自由能自由能是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。种能在恒温、恒压条件下作功的能量。如果如果AB,则则GGBGA五、自由能和氧化还原电位五、自由能和氧化还原电位G 仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、反应（最终状态）的自由能；与反应途径、反应机理、反应速度无关。速度无关。第七页，讲稿共六十四页哦08.10.20228当当G0时，时，Go-RT lnB/A-2.303RTlgKeqKeq是化学反应的平衡常数，因此是化学反应的平衡常数，因此Go也是一个常数。也是一个常数。GGBGAGo+RT lnB/AG：自由能变自由能变Go：标准自由能变：标准自由能变R：摩尔气体常数：摩尔气体常数8.314J/(mol.K)T：热力学温度：热力学温度(K)G0，供给能量才能进行，吸能反应。，供给能量才能进行，吸能反应。G=0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。第八页，讲稿共六十四页哦08.10.202292.氧化还原电位氧化还原电位E0E0正正E0负负E0氧化极氧化极E0还原极还原极 E0越小，供电子倾向越大，其还原力越强越小，供电子倾向越大，其还原力越强 E0越大，得电子倾向越大，其氧化力越强越大，得电子倾向越大，其氧化力越强Go-nFE0n：转移电子数；：转移电子数；F：法拉第常数：法拉第常数96.5KJ/(V.mol)3.自由能变化和氧化还原电位的关系自由能变化和氧化还原电位的关系第九页，讲稿共六十四页哦08.10.202210六、高能磷酸化合物六、高能磷酸化合物生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。如。如ATP。一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡千卡/mol）以）以上自由能（上自由能（G-21kJ/mol）的化合物称为）的化合物称为高能化合物高能化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。几种类型。第十页，讲稿共六十四页哦08.10.202211酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物1.磷氧键型（磷氧键型（OP）3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸11.8千卡千卡/摩尔摩尔 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩尔摩尔第十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202212 焦磷酸化合物焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔第十二页，讲稿共六十四页哦08.10.202213磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔2.磷磷氮键型（氮键型（NP）第十三页，讲稿共六十四页哦08.10.202214磷酸肌酸磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；多时，以磷酸肌酸的形式贮能；ATP不不足时，磷酸肌酸转化为足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为。因而可认为磷酸肌酸是磷酸肌酸是ATP的贮存库的贮存库。严格的说，严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的携带者不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。和传递者。以高能磷酸形式储存能量的物质称为以高能磷酸形式储存能量的物质称为磷酸原磷酸原，包括，包括磷磷酸肌酸酸肌酸和和磷酸精氨酸磷酸精氨酸。第十四页，讲稿共六十四页哦08.10.202215S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸3.硫碳键型（硫碳键型（CS）甲硫键化合物甲硫键化合物酰基辅酶酰基辅酶A 硫酯键化合物硫酯键化合物第十五页，讲稿共六十四页哦08.10.202216第二节第二节线粒体及其内部氧化体系线粒体及其内部氧化体系细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和氧还原成水，并伴随着自由能的释放和ATP的生成。的生成。第十六页，讲稿共六十四页哦08.10.202217第十七页，讲稿共六十四页哦08.10.202218二、线粒体内膜上的电子传递链二、线粒体内膜上的电子传递链在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链呼吸链（respiratorychain）。由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（子（H+）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为链又称为电子传递链（电子传递链（electron-transportchain）。第十八页，讲稿共六十四页哦08.10.202219电子传递链基本分为：电子传递链基本分为：1.烟酰胺腺嘌呤核苷酸（烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+）2.黄素蛋白（黄素蛋白（FMN、FAD）3.铁硫蛋白（铁硫蛋白（FeS）4.泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q，CoQ）5.细胞色素（细胞色素（cyt）电子传递链的基本组成电子传递链的基本组成第十九页，讲稿共六十四页哦08.10.202220第二十页，讲稿共六十四页哦08.10.202221通过异咯嗪环第通过异咯嗪环第1位和第位和第10位上的两个氮原子反复进行位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。加氢和脱氢反应。第二十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202222它主要以它主要以(2Fe-2S)或或(4Fe-4S)形式存在。铁硫蛋白通形式存在。铁硫蛋白通过过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用。变化起传递电子的作用。2Fe-2S4Fe-4S第二十二页，讲稿共六十四页哦08.10.202223它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。种脂溶性醌类化合物。第二十三页，讲稿共六十四页哦08.10.202224细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。总称。线粒体呼吸链中主要含有线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和和cytc15种。组成它们的辅基分别为血红素种。组成它们的辅基分别为血红素A、B和和C。F细胞色素主要是通过细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的的互变起传递电子的作用的。作用的。cytacyta和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生铜原子。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu+Cu2+Cu2+的互变的互变.第二十四页，讲稿共六十四页哦08.10.202225第二十五页，讲稿共六十四页哦08.10.202226电子传递链各组分的排列顺序电子传递链各组分的排列顺序线粒体末端氧化呼吸链有两条：线粒体末端氧化呼吸链有两条：1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链2.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链电子从低电位流向高电位：电子从低电位流向高电位：NADHFMNFe-S CoQcytb Fe-S cytc1cytccytaa3O2FADH2 Fe-S 第二十六页，讲稿共六十四页哦08.10.202227两条呼吸链中除两条呼吸链中除NADH、CoQ和和cytc外，其余组分形外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：类：.NADH-Q还原酶复合物还原酶复合物NADH+H+FMN Fe-S CoQ.琥珀酸琥珀酸Q还原酶复合物还原酶复合物 FADH2 Fe-S CoQ.Cytbc1复合物复合物 CoQ cyt b cyt c1 cyt c.细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物 cyt c cyt aa3 O2第二十七页，讲稿共六十四页哦08.10.202228线粒体呼吸链线粒体呼吸链第二十八页，讲稿共六十四页哦08.10.202229第二十九页，讲稿共六十四页哦08.10.202230电子传递链的抑制电子传递链的抑制第三十页，讲稿共六十四页哦08.10.202231第第三节三节氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用氧化氧化磷酸化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指生物是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP的的过程。过程。线粒体线粒体ATP合成的方式有两种：合成的方式有两种：1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化2.电子传递链的磷酸化电子传递链的磷酸化第三十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202232v1)1)底底 物物 水水 平平 磷磷 酸酸 化化(substrate-level(substrate-level phospharylation)phospharylation)v 在底物氧化过程中，形成了某些高能磷在底物氧化过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，再通过酶的作用促使酸化合物的中间产物，再通过酶的作用促使磷酸基团转给磷酸基团转给ADPADP生成生成ATPATP，称为，称为底物水平磷底物水平磷酸化。酸化。第三十二页，讲稿共六十四页哦08.10.202233vX XP+ADP ATP +XP+ADP ATP +Xv式式中中X XP P代代表表底底物物在在氧氧化化过过程程中中所所形形成成的的高高能能磷磷酸酸化化合合物物，例例如如糖糖酵酵解解中中生生成成的的1 1，3-3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸和和磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸以及三羧酸循环中的琥珀酰酸以及三羧酸循环中的琥珀酰CoACoA。v在发酵作用中是进行生物氧化取得能量在发酵作用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的唯一方式。底物水平磷酸化和氧的存在与否无关。在与否无关。第三十三页，讲稿共六十四页哦08.10.202234底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：第三十四页，讲稿共六十四页哦08.10.202235第三十五页，讲稿共六十四页哦08.10.202236v2)2)电电子子传传递递链链的的磷磷酸酸化化(oxidative(oxidative electron electron transfer)transfer)v电电子子从从NADHNADH或或FADHFADH2 2经经过过电电子子传传递递链链传传递递给给分分子子氧氧时时,将将所所释释放放的的能能量量转转移移给给ADPADP形形成成ATP,ATP,称为称为电子传递链的磷酸化电子传递链的磷酸化。v它是它是需氧生物合成需氧生物合成ATPATP的一种主要方式。因此的一种主要方式。因此通常情况下没有特殊说明，氧化磷酸化即是通常情况下没有特殊说明，氧化磷酸化即是指电子传递链的磷酸化。指电子传递链的磷酸化。第三十六页，讲稿共六十四页哦08.10.202237二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位根据氧化根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的氧化过程中，有三个反应的 G-30.5kJ/mol。磷氧比（磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的时所产生的ATP分子数。分子数。第三十七页，讲稿共六十四页哦08.10.202238第三十八页，讲稿共六十四页哦08.10.202239复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADHCoQcytbcytc1cytaa3O2 G-50.24-41.87-100.48这三个反应分别与这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。的磷酰化反应偶联。NADH的的P/O比为比为2.5；FADH2的的P/O为为1.5第三十九页，讲稿共六十四页哦08.10.202240三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理ATP合酶（合酶（ATPsynthase）ATP合酶合酶由两个主要单元构成，一是起质子通道作由两个主要单元构成，一是起质子通道作用的单元称为用的单元称为F0单元单元，另一是催化，另一是催化ATP合成的单元称合成的单元称为为F1单元单元。故。故ATP合酶又称合酶又称F0F1酶（酶（F0F1ATPase）。该酶又称该酶又称复合体复合体第四十页，讲稿共六十四页哦08.10.202241第四十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202242氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理化学渗透假说化学渗透假说的要点是：的要点是：a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧。迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（和电位梯度（）；）；第四十二页，讲稿共六十四页哦08.10.202243444第四十三页，讲稿共六十四页哦08.10.202244c.在膜内外势能差（在膜内外势能差（pH和和）的驱动下，膜外高能）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和和磷酸合成磷酸合成ATP。第四十四页，讲稿共六十四页哦08.10.202245第四十五页，讲稿共六十四页哦08.10.202246第四十六页，讲稿共六十四页哦08.10.202247四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.解偶联剂解偶联剂解偶联剂（解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和）作用是使电子传递和ATP生生成的两个过程分离。它只抑制成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电的形成，而不抑制电子传递过程。子传递过程。如：如：2,4二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）第四十七页，讲稿共六十四页哦08.10.202248DNP作用机理图第四十八页，讲稿共六十四页哦08.10.202249 2.2.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂氧氧化化磷磷酸酸化化抑抑制制剂剂对对氧氧的的消消耗耗和和ATPATP的的形形成成都都有有抑抑制制作作用用，但但是是它它们们对对电电子子传传递递链链的的电电子子传传递递体体没没有有直直接接的的抑抑制制作作用用，因因此此它它们们有有别别于于电电子子传传递递链链的的抑抑制制剂剂，如如前前所所述述的的鱼鱼藤藤酮酮、抗霉素抗霉素A A或氰化物。或氰化物。氧氧化化磷磷酸酸化化抑抑制制剂剂的的作作用用方方式式是是直直接接干干扰扰ATPATP的的生生成成过过程程，如如寡寡霉霉素素，它它能能与与ATPATP合合酶酶中中F F0 0上上的的一一个个亚亚基基结结合合，干干扰扰质质子子返返回基质。结果也使电子传递不能进行。回基质。结果也使电子传递不能进行。第四十九页，讲稿共六十四页哦08.10.2022503.3.离子载体抑制剂离子载体抑制剂v这是一类脂溶性物质。它们能插入线粒体内膜脂双层，这是一类脂溶性物质。它们能插入线粒体内膜脂双层，又能与某些离子相结合，并作为离子载体使这些离子能又能与某些离子相结合，并作为离子载体使这些离子能够穿过膜。它们的解偶联剂的区别在于，它们是作为够穿过膜。它们的解偶联剂的区别在于，它们是作为H H+以外的其它一价阳离子的载体。以外的其它一价阳离子的载体。v例如缬氨霉素能结合例如缬氨霉素能结合K K+，短杆菌肽可使，短杆菌肽可使K K+、NaNa+及其它一及其它一价阳离子穿过膜。解偶联剂价阳离子穿过膜。解偶联剂2,4-2,4-二硝基苯酚是一种二硝基苯酚是一种H H+载载体。离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通体。离子载体抑制剂增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终破坏了氧化磷透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，最终破坏了氧化磷酸化进程。酸化进程。v如缬氨霉素，短杆菌肽。如缬氨霉素，短杆菌肽。第五十页，讲稿共六十四页哦08.10.202251v L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-ValL-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Valv v v L-Orn L-Orn v L-Orn L-Ornv v v L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leuvv 短杆菌肽短杆菌肽S(S(环十肽环十肽)第五十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202252五、腺苷酸的转运五、腺苷酸的转运ATP/ADP交换体交换体第五十二页，讲稿共六十四页哦08.10.202253六、线粒体穿梭系统六、线粒体穿梭系统NADH从细胞液进入线粒体的途径：从细胞液进入线粒体的途径：1.3-磷酸甘油穿梭途径（磷酸甘油穿梭途径（glycerol 3-phosphate shuttle system）：主要存在于肌肉细胞中。：主要存在于肌肉细胞中。2.苹果酸天冬氨酸穿梭途径（苹果酸天冬氨酸穿梭途径（malate-aspartate shuttle system）：主要存在于心脏和肝细胞中。：主要存在于心脏和肝细胞中。第五十三页，讲稿共六十四页哦08.10.202254第五十四页，讲稿共六十四页哦08.10.2022553-磷酸甘油穿梭途径磷酸甘油穿梭途径3-磷酸甘油磷酸甘油第五十五页，讲稿共六十四页哦08.10.202256第五十六页，讲稿共六十四页哦08.10.202257苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸天冬氨酸穿梭途径苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸第五十七页，讲稿共六十四页哦08.10.202258七、能荷七、能荷能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根的能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根的程度。程度。第五十八页，讲稿共六十四页哦08.10.202259v即即能能荷荷的的大大小小决决定定于于ATPATP和和ADPADP的的多多少少。当当细细胞胞内内全全部部腺腺苷苷酸酸均均以以ATPATP形形式式存存在在时时，能能荷最大，能荷值为荷最大，能荷值为1.01.0；v全以全以AMPAMP形式存在时，能荷值为零；形式存在时，能荷值为零；v当当全全以以ADPADP形形式式存存在在时时，能能荷荷值值为为0.50.5（由由于于AMPAMP激激酶酶催催化化两两分分子子ADPADP转转化化为为1 1分分子子ATPATP和和1 1分子分子AMPAMP，所以，所以，ADPADP只相当于只相当于0.5ATP0.5ATP）。）。v三三者者并并存存时时，能能荷荷随随三三者者含含量量的的比比例例而而变变化化，范范围围为为1.01.00 0。通通常常细细胞胞内内处处于于0.80.8的的能荷状况。能荷状况。第五十九页，讲稿共六十四页哦08.10.202260第六十页，讲稿共六十四页哦08.10.202261第六十一页，讲稿共六十四页哦08.10.202262C6H12O6+6O2+10NAD+2FAD+4ADP+4Pi6CO2+6H2O+10NADH+10H+2FADH2+4ATPC6H12O6+6O26CO2+6H2O+2876KJ生物体能量利用率为：生物体能量利用率为：3030.54/2876=31.9%or:3230.54/2876=34.0第六十二页，讲稿共六十四页哦08.10.2022631.名词解释名词解释生物氧化生物氧化、呼吸链、呼吸链、磷氧比、磷氧比P/O（P/O）、）、氧化磷酸化氧化磷酸化、底物磷酸化底物磷酸化2.图示两条呼吸链，并标出图示两条呼吸链，并标出ATP产生部位及抑制部位、抑制剂。产生部位及抑制部位、抑制剂。3.简述化学渗透学说的内容。简述化学渗透学说的内容。第六十三页，讲稿共六十四页哦08.10.2022感谢大家观看第六十四页，讲稿共六十四页哦