生物化学第九章生物氧化.ppt

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1、第第第第 九九九九 章章章章生生 物物 氧氧 化化Biological Oxidation物物质质在在生生物物体体内内进进行行氧氧化化称称生生物物氧氧化化，主主要要指指糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能第一节第一节 生物氧化的概念生物氧化的概念 生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化

2、体外燃烧1、细胞内温和条件 高温或高压、干燥条（常温、常压、中性pH、水溶液）2、一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放3、释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失二、生物氧化的特点糖原糖原 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 TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 *生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程第二节 CO2的生成第三节 生物氧化中水的生成一、呼吸链（电子传递链）的概念1.概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按

3、一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链。又称呼吸链。2、呼吸链（电子传递链）分布原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上 线粒体呼吸链线粒体呼吸链 Cytc Q NADH+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-二、呼吸链的组成成分和作用二、呼吸链的组成成分和作用（一）（一）NAD+和和NADP+为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶【组成成分】【组成成分】酶蛋白、尼克酰胺（酶蛋白、尼克酰胺（V Vpp）核核糖、磷酸与糖、磷酸与AM

4、PAMP。【作用】辅酶接受代谢物脱下的【作用】辅酶接受代谢物脱下的2 2H，传递给，传递给黄素蛋白。黄素蛋白。NADH 是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。烟酰胺脱氢酶类 以NAD,NADP为辅酶 氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间（二）、黄素酶（二）、黄素酶-黄素蛋白（黄素蛋白（Flavoprotein）【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它），它们由核黄素（们由核黄素（Vit B2）、磷酸、）、磷酸、AMP组成。组成。【作用

5、】进行可逆的脱氢加氢反应。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪的第【传递机制】异咯嗪的第1 1、1010位位N上可加氢上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，为辅酶，将代谢物脱下的将代谢物脱下的H传入呼吸链。传入呼吸链。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。（三）、铁硫蛋白（三）、铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S）n 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分组成成分】含等量的铁原子和硫原子（含等量的铁原子和硫原子（Fe2 S2，Fe4S4

6、）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连酸相连【作用作用】将】将FMN或或FAD中的电子传递给泛醌。中的电子传递给泛醌。【传递机制传递机制】单电子传递单电子传递 Fe2+Fe3+e 铁硫蛋白中辅基铁硫簇（FeS）含有等量铁原子和硫原子，基中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子表示无机硫原子 铁硫聚簇有几种不同的类型，有的只含有一个铁原子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的含有4个铁原子4Fe-4S铁硫蛋白类（四）辅酶Q（CoQ）辅酶Q（CoQ）又称泛醌，有时简称Q。是脂溶性辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。CoQ和FMN

7、都是NADH-Q还原酶的辅酶。CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能:将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌(ubiquinone)复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 复合体复合体的功能的功能 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2 复合体复合体:琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸

8、 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 （五）细（五）细 胞胞 色色 素素 类类细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电电子传递的酶类子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。细胞色素细胞色素c c（）（）n它它是是电电子子传传递递链链中中一一个个独独立立的的蛋蛋白白质质电电子子载载体体，位位于于线线粒粒体体内内膜膜外外表表，属属于于膜膜周周蛋蛋白白，易易溶溶于于水水。它它与与细细胞胞色色素素c c1 1含含有有相相同同的的辅辅基基，但但是是蛋蛋白白组组成成则则有有所所不不同同。在在电电子子传传递递过过程程中

9、中，cyt.cyt.c c通通过过FeFe3+3+FeFe2+2+的的互互变变起起电电子子传传递递中中间间体体作作用。用。细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶n简写为简写为cyt.ccyt.c氧氧化酶，它是位于线化酶，它是位于线粒体呼吸链末端的粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由蛋白复合物，由1212个多肽亚基组成。个多肽亚基组成。活性部分主要活性部分主要包括包括cytacyta和和a a3 3。ncytacyta和和a a3 3组成一个复合体，除了含有铁卟组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。啉外，还含有铜原子。cytaacytaa3 3可以直接以可以直接以O O2 2为电子受体。为电子受

10、体。n在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生生CuCu+CuCu2+2+的互变，将所携带的电子传的互变，将所携带的电子传递给递给O O2 2。细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶复合体复合体:泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c1复合体:细胞色素c氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的

11、活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断（二）呼吸链成分的排列顺序（二）呼吸链成分的排列顺序体内主要呼吸链体内主要呼吸链1 1、NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 【组成与作用】脱氢酶（【组成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、）、黄素蛋白、铁硫蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。和细胞色素。2、FADH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）【组成和作用】脱氢酶（【组成和作用】脱氢酶（FADFAD）、）、CoQCoQ、细胞色、细胞色素素【差异】脱下的【差异】脱

12、下的2H2H不经过不经过NAD+传递传递,其余过程其余过程与与NADH呼吸链相同呼吸链相同.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)电子传递链第四节第四节 生物氧化和能量代谢生物氧化和能量代谢一、高能磷酸键与高能磷酸化合物一、高能磷酸键与高能磷酸化合物 u高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，的磷酸酯键，常表示为常表示为 P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物 ATP的生成和利用的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷

13、酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。核苷二磷酸激酶的作用核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDP ADP+UTPATP+CDP ADP+CTPATP+GDP ADP+GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP+ADP ATP+AMP肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。二、二、ATP的

14、形成的形成（一一）底底物物水水平平磷磷酸酸化化(substrate level phosphorylation)是是底底物物分分子子脱脱氢氢、脱脱水水，引引起起分分子子内内部部能能量量重重新新分分布布，生生成成高高能能键键，使使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程。的过程。氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 ATP的形成的两种方式：的形成的两种方式：1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(1,3-diphosphoglycerate)3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(glyceraldehyde3-phosphate)(glyceraldehyde3-phosphate)3-磷

15、酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶+NADH+H+NAD+HPO4 2-OPO 3 2-3-磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate)1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(1,3-diphosphoglycerate)OPO 3 2-ADPATPMg2+（二）氧化磷酸化（二）氧化磷酸化n*1、定义定义q氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在氧化反应和是指在氧化反应和磷酸化反应的偶联，呼吸链电子传递磷酸化反应的偶联，呼吸链电子传递过程中释放能量使过程中释放能量使ADP磷酸化，生成磷酸化，生成ATP。

16、2、氧化磷酸化的作用机制(1)ATP产生的数量 研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值:是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数。实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。(2)ATP产生的部位 ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在伏以上。五

17、、氧化磷酸化的抑制常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A：它是由链酶素分离出的抗生素，有干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素b 向cytC1的传递作用。（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素抗霉素A氰化物一氧化碳硫化氢叠氮化合物呼吸链的电子传递抑制剂图示六、六、氧化磷酸化的作用机理氧化磷酸化的作用机理一、线粒体的结构一、线粒体的结构线粒体是

18、生物氧化和能量转换的主要场所。线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所。1 1、ATPATP酶复合体酶复合体n 线线粒粒体体内内膜膜的的表表面面有有一一层层规规则则地地间间格格排排列列着着的的球球状状颗颗粒粒，称称为为ATPATP酶酶复复合体，是合体，是ATPATP合成的场所。合成的场所。nATPATP酶，含有酶，含有5 5种不种不同的亚基（按同的亚基（按3 3、3 3、1 1、1 1 和和1 1 的比例结合）。的比例结合）。nOSCPOSCP为一个蛋白，为一个蛋白，是能量转换的通道。是能量转换的通道。nF F0 0为一个疏水蛋白，为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传是与线粒体电子传递系统连接的部位。

19、递系统连接的部位。当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚亚基基的的构构象象发发生生改变。改变。ATP合酶的工作机制合酶的工作机制氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说二二 氧化磷酸化的作用机理氧化磷酸化的作用机理1.化学偶联假说（1953）认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。2.构象偶联假说（1964）认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来

20、的构象。3.化学渗透学说（1961）认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。1.递H体与递e体交替排列2.递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程共泵出3对H+3.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度+通过ATP酶回流，生成ATP质子的流向电子的流向线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜+-H+O2 H2O H+e-ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图化学渗透假说 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+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电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌H+跨膜跨膜质子电化学质子电化学梯度；梯度；H+m内膜基质侧内膜基质侧H+；H+c 内内膜胞液侧膜胞液侧H+目目 录录