第1章生物氧化.pptx
第一节 新陈代谢Metabolism一、新陈代谢-生物体与外界环境之间物质和能量交换的全过程。-合成代谢和分解代谢-物质代谢和能量代谢二、新陈代谢的特点严格的细胞内定位特异的酶促反应共通的代谢间关联高效率的调控机制三、新陈代谢的研究方法第1页/共67页第二节 生物能学一、有关热力学的一些基本概念二、化学反应中自由能的变化和意义三、高能磷酸化合物第2页/共67页三、高能磷酸化合物高能化合物-某些化合物随着水解反应或基团转移反应可放出大量的自由能的称高能化合物。（大量，约5000千卡）高能磷酸化合物-其磷酸基团水解时可释放出20.92kJmol以上自由能的化合物称为高能磷酸化合物 高能化合物类型：磷酸化合物（磷氧键型）磷酸化合物（磷氮键型）非磷酸化合物第3页/共67页磷酸化合物（磷氧键型）第4页/共67页磷酸化合物（磷氮键型）第5页/共67页非磷酸化合物第6页/共67页第三节 生物氧化 Biological oxidation一、生物氧化的概念、方式和特点生物氧化-有机物在生物体细胞内的氧化,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。第7页/共67页TAC TAC 生物氧化的一般过程糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 第8页/共67页生物氧化中物质的氧化方式脱氢、失电子或直接和氧结合，生成水和二氧化碳,并释放能量第9页/共67页氧化方式氧化方式（三）（三）加氧加氧（一）（一）脱氢脱氢 (主要方式主要方式)（二）（二）失电子失电子Cu+O2 CuO12Fe Fe 2+2+Fe Fe 3+3+e 第10页/共67页生物氧化的特点1、条件温和，pH接近中性2、有水存 在，有酶的催化。3、能量的释放是逐步的,先贮藏在一些特殊的高能化合物内4、生物氧化的地点是在细胞的线粒体内。第11页/共67页二、电子传递-氧化呼吸链Respiration chain呼吸链-还原型辅酶NADH和FADH2的氢以质子的形式脱下，其电子沿一系列电子传递体转移最后转移到分子氧，质子和离子型氧结合生成水，同时释放能量使ADP变成ATP的过程，称为呼吸链。场所：真核生物，线粒体内膜；原核生物，细胞膜呼吸链的组成（与电子传递链有关的酶和电子载体）：吡啶核苷酸类NADH脱氢酶铁硫中心辅酶Q细胞色素类呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体顺序的决定第12页/共67页线粒体结构示意图第13页/共67页线粒体电镜照片第14页/共67页(一).呼吸链的组分Components of Components of electronic transfer chain（与电子传递链有关的酶和电子载体）吡啶核苷酸类NAD+and and NAD+-linked dehydrogenases,NAD+is ais a mobile electron carrier NADH脱氢酶Flavin(黄素蛋白黄素蛋白)and and flavin-linked dehydrogenases 铁硫中心Iron-sulfur protein protein辅酶Q mobile electron carrier 细胞色素类 Cytochromes(mobile electron carrier too)。第15页/共67页1.吡啶核苷酸类pyridine nucleotide也叫烟酰胺脱氢酶类，以NAD+或NADP+为辅酶。辅酶（NAD+或Co）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶（NADP+或Co）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。不需氧脱氢酶的辅酶,以NAD+为辅酶的脱氢酶占多数。第16页/共67页过程以NAD+为例，一个氢加到NAD上，成为NADH，另一个为游离质子第17页/共67页2.NADH脱氢酶 NADH dehydrogenaseNADH脱氢酶(也叫黄素蛋白flavin)辅基:FMN或FAD，结合牢固。底物:NADH,将NADH上的氢交给其辅基FMN，催化NADH脱氢 第18页/共67页黄素单核苷酸(FMN)的结构第19页/共67页黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)的结构第20页/共67页FMN加氢过程:第21页/共67页3.辅酶Q Coenzyme Q结构特点:也叫泛醌（ubiquinone,Q），脂溶性,带异戊二烯侧链的醌,在哺乳动物，这个长链为10个单位，故常以Q10表示 是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白)O CH3 CH3H3COH3COO（CH2CH=C CH2）n H第22页/共67页辅酶Q的作用原理功能:电子和质子的传递体电子和质子的传递体接受来自FMNH2和FADH2的氢成为氢醌,是多种底物进入呼吸链的中心点第23页/共67页过程:OOH3COH3COCH3RH3COH3COOHOHCH3R+2H+2H-2H-2H第24页/共67页4.铁硫中心非血红素铁和酸不稳定硫原子相结合存在于NADH脱氢酶，琥珀酸脱氢酶铁离子价态的变化可将氢从NADH脱氢酶复合物的FMNH2辅基上脱下转给辅酶Q。NADH脱氢酶复合物也叫NADH-辅酶Q还原酶，复合物I，由两个电子传递结构，（酶原-FMN-铁硫中心）第25页/共67页铁硫中心第26页/共67页5.细胞色素类Cytochromes细胞色素类以血红素为辅基,铁原子处于卟啉中心。作用：单电子传递体,将电子从辅酶Q传到氧。第27页/共67页细胞色素体系（细胞色素体系（Cyt）30多种Cyt的分类的分类(吸收光谱)a类：a、a1、a2、a3 b类：b、b17、P450 c类：c、c1、c2、c3 细胞色素a a3以复合物的形式存在,传递e机制是以铁价的变化Fe3+Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧Cu+Cu2+，所以a3又称细胞色素氧化酶。A3可与氰化物离子（CN）、CO等结合第28页/共67页不同细胞色素的差异区别区别：铁卜啉辅基铁卜啉辅基侧链侧链不同不同 铁卜啉辅基与酶蛋白铁卜啉辅基与酶蛋白连连接接方式不同方式不同第29页/共67页(二).呼吸链的组成和位置呼吸链由四个蛋白复合组分和两个游离的成分组成：四个蛋白复合组分：Complex Complex、Complex、Complex 、Complex 两个游离成分：辅酶辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C第30页/共67页The composition of respiratory chain complexes第31页/共67页复合物（NADH-NADH-辅酶Q还原酶；NADHNADH脱氢酶复合物）组成:黄素蛋白的复合物(25条多肽链)，FMN,2个铁-硫中心。作用:使NADH脱氢氧化，脱下的H+和2个e-由FMN接受，生成FMNH2，FMNH2中的电子通过铁-硫中心的传递，传给辅酶Q，辅酶Q在接受电子的同时还从基质吸取2个H+形成还原型辅（CoQH2）第32页/共67页复合物(琥珀酸-Q还原酶复合物)位置:线粒体内膜整体不可分割的组成部分组成:琥珀酸脱氢酶和3个其他小的疏水亚基细胞色素（Cyt)b560铁-硫中心辅酶:FAD，作用过程:催化琥珀酸氧化成延胡索酸，同时使FAD还原成FADH2，由FADH2的氢放出的电子通过铁-硫中心传递给辅酶Q而进入呼吸链。第33页/共67页琥珀酸 延胡索酸(复合物)第34页/共67页复合物和复合物 第35页/共67页复合物 (辅酶Q-细胞色素还原酶复合物,细胞色素bc1复合物)组成:细胞色素b562、细胞色素b566、细胞色素c铁-硫蛋白至少有6个其他的蛋白质亚基。作用：将还原型辅酶Q氧化，并将电子通过细胞色素b562、细胞色素b566和Fe-S、细胞色素c1交给细胞色素c第36页/共67页复合物IV(细胞色素氧化酶复合物)组成:613个亚基的跨膜蛋白质细胞色素aa3和2个铜离子(+1和+2价之间变化)。细胞色素a紧靠在CuA上，细胞色素a3紧靠CuB上(含含含含CuCuCuCu多肽多肽多肽多肽)第37页/共67页过程还原型细胞色素c提供它的电子给血红素a-CuA，然后传递给血红素a3-CuB，最后将O2还原。1分子氧还原成水，是一个4个电子转移的过程。O2+4H+4e-2H2O辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中不同复合物之间可流动的氢或电子传递体。第38页/共67页呼吸链NADH NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链第39页/共67页两种呼吸链的比较两种呼吸链的比较:相同相同:1.1.将将H H传递给传递给O O2 2生成水；生成水；2.H2.H和和O O2 2消耗，其它可反复使用；消耗，其它可反复使用；3.CoQ3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。是两种呼吸链的汇合点。不同点不同点:NADHNADH呼吸链呼吸链 琥珀酸呼吸链琥珀酸呼吸链 普遍程度普遍程度 较普遍较普遍 次要次要起始物起始物 NADH NADH FADH FADH2 2ATPATP 2.5 2.5 1.5 1.5第40页/共67页呼吸链中传递体的顺序第41页/共67页呼吸链中传递体的顺序第42页/共67页呼吸链中传递体顺序的决定1、根据各种电子传递体标准氧化还原电位的数值测定。从NADH+到分子氧，氧化还原电势逐步增加。2、利用能阻断传递体的抑制剂3、将分离的电子传递体进行重组。如NADH可使FMN还原，但不能直接使细胞色素 b、c和aa3还原。4.根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测第43页/共67页电子传递体重组实验电子传递体重组实验电子传递体重组实验电子传递体重组实验第44页/共67页三、氧化磷酸化作用（ATP的生成方式）Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化作用-随着氧化过程发生的磷酸化的过程。分为：底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化作用(平常所指的氧化磷酸化）第45页/共67页(一)底物水平磷酸化底物水平磷酸化-某些代谢物在氧化过程中，因脱氢、脱水等作用而使分子内部能量重新分布和集中，形成高能磷酸键,并将底物分子中的高能磷酸键转移给ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的方式，称为底物水平磷酸化。第46页/共67页3-磷酸甘油醛-1，3-二磷酸甘油酸-3-磷酸甘油酸能量：酵解中第一次产生ATP，生成ATP的方式是 底物水平磷酸化第47页/共67页(二)电子传递体系磷酸化作用电子传递体系磷酸化作用(氧化磷酸化)-指与生物氧化（电子传递）作用相伴而发生的磷酸化作用，将生物氧化过程中释放的自由能转移而使ADP形成ATP的过程。(氧化磷酸化-呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式)NADH途径和FADH2途径，各产生多少ATP2.5个ATP见下图1.5个ATP证据：即电子传递链中那一部位能产生ATP第48页/共67页质子梯度的形成1）氧化还原回路机制-Q循环2）质子泵机制3）合成一个ATP需2-3个跨膜质子第49页/共67页NADH途径泵出的氢第50页/共67页1.氧化磷酸化与电子传递偶联噻吩甲酰三氟丙酮能量能量呼呼吸吸链链磷酸化磷酸化AH2 2H(2H+2e)AADP+PiATPO212氧化氧化偶偶联联H2O第51页/共67页 氧化磷酸化作用中ATP生成部位部位：NADH和CoQ之间细胞色素b和c之间细胞色素aa3和氧之间。即为用抑制剂所抑制的部位鱼藤酮抗霉素氰化物第52页/共67页推测氧化磷酸化偶联部位的方法:1、P/O-每消耗1摩尔氧所消耗的无机磷摩尔数。NADH电子链的P/O为3，FADH2为2。说明-ATP的生成数分别为3和2摩尔。2、根据标准氧化还原电位差计算反应自由能G，G=-nFG=23.9千卡/摩尔(电子数，法拉第常数，电位差）NADH链三个部位超过此值，而FADH2二个部位。第53页/共67页反应自由能GG 位置位置 NADH QNADH Q Ctyb CytcCtyb Cytc Cytaa3 O2Cytaa3 O2n nGG0 0 KJ/molKJ/moln nGG0 0=-69.5=-69.5n nGG0 0=-40.5=-40.5n nGG0 0=-102.3=-102.31molADP ATP:G1molADP ATP:G1molADP ATP:G1molADP ATP:G0 0 0 0=30.5 KJ/mol=30.5 KJ/mol=30.5 KJ/mol=30.5 KJ/mol三个部分释放的能量足以形成三个部分释放的能量足以形成ATPATPATPATP第54页/共67页细胞的能荷能荷是指在总的腺苷酸代谢系统中所负荷的高能磷酸根的程度,即ATP生成和利用的平衡关系。细胞中ATP+ADP AMP的腺苷酸库是恒定的（高能磷酸键：ATP 2个，ADP 1个，AMP 0个）能荷：ATP+0.5ADP/(ATP+ADPAMP)细胞的腺苷酸全部为ATP，则能荷为1.0当ATPAMP比率很低时，表示能量贮存很少，能荷低，ATP合成反应加快作用：细胞中ATP合成和利用的调节因素途经：ATP、ADP和AMP分子对某些酶的变构调节第55页/共67页2.氧化磷酸化与电子传递偶联的机理一化学偶联假说chemical coupling hypothesis：认为存在高能共价中间物结构偶联假说comformation coupling hypothesis：电子传递过程中线粒体内膜蛋白质发生构象变化形成一种高能形式。化学渗透假说chemiosmotic hypothesis:（重点）第56页/共67页化学渗透假说chemiosmotic hypothesis-Peter Mitchell第57页/共67页要点：呼吸链存在于线粒体内膜，电子在呼吸链上传递通过三个质子泵将质子从线粒体膜内基质泵到膜间空间，产生跨膜质子梯度质子通过ATP合成酶流回膜内基质，促使ATP的合成第58页/共67页质子梯度的形成质子梯度的形成-质子如何泵出线粒体内膜外侧：氧化-还原回路,后一氧还中心氧化前一个氧还中心,伴随质子转移.但是15个电子载体中只有2个(电子+质子)载体,可能CoQ发挥两次作用-Q循环.质子泵作用,电子传递链-电子传递体构象变化,氨基酸侧链pK值改变,发挥质子泵作用。第59页/共67页ATP合成酶第60页/共67页ATP合成酶第61页/共67页电子传递和ATP形成的偶联及调节机制ATP/ADP在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用。ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。第62页/共67页三、氧化磷酸化的解偶联和抑制解偶联剂uncouplers:如2 2，4-4-二硝基苯酚二硝基苯酚。不抑制电子传递，只抑制ATP的形成(使内膜对质子的通透性增加，破坏跨膜质子梯度)。氧化磷酸化抑制剂inhibitors:如寡霉素寡霉素。既抑制氧的利用又抑制ATP的形成。离子载体抑制剂ionophores:与离子结合后使离子能通过线粒体内膜而破坏氧化磷酸化过程，如缬氨霉素，短杆菌肽。缬氨霉素，短杆菌肽。第63页/共67页四.胞液中NADH的氧化磷酸化酵解中产生的NADH，在胞液中,无法通过线粒体内膜。解决方法-穿梭。NADHNADH的穿梭作用的穿梭作用shuttleshuttle：线粒体外的NADH将所带的H交给某种能穿过线粒体膜的化合物，进入线粒体后再氧化。两种穿梭方式：磷酸甘油穿梭（肌肉和神经组织），苹果酸穿梭（肝、肾、心）。见酵解能量计算部分。第64页/共67页磷酸甘油穿梭第65页/共67页苹果酸穿梭第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页
