生物氧化与氧化磷酸化(3).ppt

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1、第第第第 8 8 8 8 章章章章生物氧化与氧化磷酸化生物氧化与氧化磷酸化8.1 8.1 生物氧化概述生物氧化概述 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热能热能一、生物氧化概念一、生物氧化概念 生物氧化的主要内容w C 酶酶 CO2 w H O H2O 酶酶w 有机物有机物 H2O+CO2-ATP*生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化

2、之相同点w生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。w物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物（物（CO2，H2O）和释放总能量均相同。）和释放总能量均相同。w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境中中（体体温温，pH接接近近中中性性），在在一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步进进行行，能能量量逐逐步步释释放放有有利利于于有有利利于于机机体体捕捕获获能能量，提高量，提高ATP生成的效率。生成的效率。w进进行行广广泛泛的的加加水水脱脱氢氢反反应应使使物物质质

3、能能间间接接获获得得氧氧，并并增增加加脱脱氢氢的的机机会会；脱脱下下的的氢氢与与氧氧结结合合产产生生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w能量是突然释放的。能量是突然释放的。w产产生生的的CO2、H2O,由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结合生成。结合生成。生物氧化中生物氧化中CO2和和H2O的生成的生成w直接脱羧w氧化脱羧w反应底物 含羧基化合物 CO2 酶脱氢、加水w反应底物 H 脱氢酶O2 H2O 系列传递体传递氧化酶激活二、生化反应的自由能变化二、生化反应的自由能变化自由能：生

4、物体（或恒温恒压）用以对环境作功自由能：生物体（或恒温恒压）用以对环境作功的能量。的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。G=H-TS对于对于 A+B C+DG0 自发自发G 0 耗能耗能G 0 平衡平衡自由能的变化自由能的变化wA BwG=G+RTlnA/B G:标标准自由能准自由能变变化（化（25，1个大气个大气压压，pH=0，反，反应应物物和和产产物均物均为为1M）R:摩摩尔尔气体常数气体常数8.314J/（molK）T:绝对绝对温度温度w反反应应平衡，平衡，G=0，生物体内，生物体内，pH=7时时w G=-2.303RTlgKeqwG0

5、反应自发进行反应自发进行在氧化还原反应中：在氧化还原反应中：电子供体电子供体还原剂还原剂 电子受体电子受体氧化剂氧化剂反应：一对氧化还原反应；类似于酸碱反应反应：一对氧化还原反应；类似于酸碱反应 (酸碱反应酸碱反应)质子供体质子供体H H+质子质子（氧化还原反应）：（氧化还原反应）：电子供体电子供体H H+电子受体电子受体 生物氧化经常涉及脱氢；氧化作用和脱氢经常是同生物氧化经常涉及脱氢；氧化作用和脱氢经常是同义词，许多氧化反应是脱氢酶催化。义词，许多氧化反应是脱氢酶催化。比较比较氧化还原反应对氧化还原反应对：还原性更强的化合物含氢比含氧更多；还原性更强的化合物含氢比含氧更多；氧化性更强的化合

6、物含更多氧更少含氢；氧化性更强的化合物含更多氧更少含氢；氧化还原电位氧化还原电位标准氧化还原电位（势）标准氧化还原电位（势）标准条件下，每一个氧化还原对都有一个标准的氧标准条件下，每一个氧化还原对都有一个标准的氧化还原电势化还原电势(E E)。标准氧化还原电势是样品半电标准氧化还原电势是样品半电池在标准条件下相对于参考半电池所具有的电动势池在标准条件下相对于参考半电池所具有的电动势（electromotive force,electromotive force,即即emfemf），），以伏特（以伏特（V V）表表示。参考半电池是标准氢半电池。在示。参考半电池是标准氢半电池。在2525、H H

7、为为1.0 1.0 mol/L(pHmol/L(pH0)0)、一个大气压的氢气压力下一个大气压的氢气压力下的铂电极，硬性规定它的氧化还原电势为的铂电极，硬性规定它的氧化还原电势为0,0,即即E E=0.=0.在测定样品半电池的标准电势时，需将它与在测定样品半电池的标准电势时，需将它与参考半电池组成一个原电池。参考半电池组成一个原电池。w发生在生物体内的氧化还原反应是在生理发生在生物体内的氧化还原反应是在生理pH下下进行的，故将生物体内的氧化还原电对的标准进行的，故将生物体内的氧化还原电对的标准电势另作了规定，即除了规定了氧化型和还原电势另作了规定，即除了规定了氧化型和还原型的浓度为型的浓度为1

8、.0 molL(或单位活度或单位活度)、温度为、温度为25外外,还规定了还规定了 pH取生理取生理pH7，在这样的标准在这样的标准条件下与上述标准氢电极条件下与上述标准氢电极(pH=0)偶联，测定的偶联，测定的标准氧化还原电势用标准氧化还原电势用E=表示。表示。w生物细胞中氧化还原电位变化：E=标准氧化电极电位标准氧化电极电位-标准还原电极电位标准还原电极电位在在2525和和pH7pH7条件下，生物中重要的半反应的标准还原电势条件下，生物中重要的半反应的标准还原电势氧化还原电位与自由能的关系氧化还原电位与自由能的关系 在标准条件下，电子从氧化还原电势较低的电对在标准条件下，电子从氧化还原电势较

9、低的电对流向较高电对的倾向是自由能降低的结果。电子总是流向较高电对的倾向是自由能降低的结果。电子总是趋向反应系统的自由能降低的方向流动。趋向反应系统的自由能降低的方向流动。两电对间的标准氧化还原电势的差值：两电对间的标准氧化还原电势的差值：E E=E=E 电子受体电子受体 E E 电子供体电子供体 氧化还原反应的标准自由能变化氧化还原反应的标准自由能变化(G Go o)和和E E0 0 的的关关系：系：G G=-=-nFEnFEn n：电子转移数：电子转移数F F：法拉第常数：法拉第常数96480J/(V96480J/(Vmol)mol)例：电对例：电对NADNAD+NADH(NADH(E=-

10、0.32V)=-0.32V)与电对丙酮与电对丙酮酸乳酸酸乳酸(E=-0.19V)=-0.19V)组成原电池的话，根据组成原电池的话，根据上述原则上述原则,电对丙酮酸乳酸则从电对电对丙酮酸乳酸则从电对NADNAD+NADHNADH获得电子，使丙酮酸还原为乳酸获得电子，使丙酮酸还原为乳酸;而而NADH NADH 则则氧化成氧化成NADNAD+。E=-0.19V-（-0.32V）=+0.13VG=-nFE0反应自发进行反应自发进行三、三、高能磷酸化合物高能磷酸化合物 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20.92KJ/mol的磷的磷酸酯键，常表示为酸酯键，常表示为 P。u高

11、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在能量转化中的作用在能量转化中的作用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。ATPATP被水解时具有较高的自由能变化是由于被水解时具有较高的自由能变化是由于ATPATP的特殊的的特殊的分子结构决定的。分子结构决定的。在

12、它的分子结构中存在不稳定的因素，即静电排斥和在它的分子结构中存在不稳定的因素，即静电排斥和相反相反(竞争竞争)共振现象（共振现象（opposing(or competing)opposing(or competing)ressonanceressonance），），使使ATPATP结构不稳定；结构愈不稳定，愈易被结构不稳定；结构愈不稳定，愈易被水解，释放出的自由能就愈多。水解，释放出的自由能就愈多。一个化合物水解时释放出的自由能的多少全取决于反一个化合物水解时释放出的自由能的多少全取决于反应产物和底物的化学结构，即取决于产物和底物各自所固应产物和底物的化学结构，即取决于产物和底物各自所固有的自

13、由能。有的自由能。ATPATP具有较高的转移磷酸基的势能具有较高的转移磷酸基的势能 生物体内的许多化合物本身是不活泼的，不易参加生物体内的许多化合物本身是不活泼的，不易参加体内的代谢反应，只有当它们转变成活泼的形式才能经受体内的代谢反应，只有当它们转变成活泼的形式才能经受进一步的反应。例如，葡萄糖和甘油，当它们被磷酸化后进一步的反应。例如，葡萄糖和甘油，当它们被磷酸化后才能参与体内的反应。才能参与体内的反应。ATPATP能把其磷酸基团转移到不同的能把其磷酸基团转移到不同的受体分子上，产生低能的磷酸化合物，这些反应都是通过受体分子上，产生低能的磷酸化合物，这些反应都是通过激酶激酶(kinases

14、kinases)催化的。催化的。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 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TCA TCA 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定义定义代代谢谢物物脱脱下下的的成成对对氢氢原原子子（2H）通通过过多多种种酶酶和和辅辅酶酶所所催催化化的的连连锁锁反反应应逐逐步步传传递递，最最终终与与氧氧结结合合生生成成水水，这这一一系系列列酶酶和和辅辅酶酶称称为为呼呼吸吸链链(respiratory chain)又又称称电电子子传传递递链链(electron

15、 transfer chain)。组成组成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）8.2 电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）线粒体线粒体 是需氧细胞生命活动的能量是需氧细胞生命活动的能量 来源来源“发电站发电站”。两层膜；内膜有两层膜；内膜有许多向内折叠的嵴，许多向内折叠的嵴，形成内膜球体结构。形成内膜球体结构。线粒体线粒体（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex)*泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体呼吸链各复

16、合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1.复合体复合体:NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能:将原子氢（电子）从将原子氢（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 NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结结构构中中含含核核黄黄素素，发发挥挥功功能

17、能的的部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环，氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。铁铁硫硫蛋蛋白白中中辅辅基基铁铁硫硫簇簇(Fe-S)含含有有等等量量铁铁原原子子和和硫硫原原子子，其其中中铁铁原原子子可可进进行行Fe2+Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。表示无机硫表示无机硫 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q,CoQ）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。电子传递链中唯一可生成中间产物半醌型泛醌。电子传

18、递链中唯一的非蛋白质组分。的非蛋白质组分。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 QQH22.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 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 3.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：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素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细细 胞胞 色色 素素细胞色素是一类以铁

19、卟啉为辅基的催化电子细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。4.复合体复合体:细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素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 差别吸收光谱差别吸收光谱 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧 还可采取电子传递链组分的分离纯化

20、还可采取电子传递链组分的分离纯化与重组、动力学分析等与重组、动力学分析等（二）（二）呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序电子传递的抑制效应电子传递的抑制效应1.NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链电子传递链电子传递链电子传递链抑制剂电子传递链抑制剂w鱼藤酮w抗霉素Aw氰化物、叠氮化物、CO及H2S电子传递链中的抑制剂电子传递链中的抑制剂 8.3 氧化磷酸化氧化磷酸化

21、 定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指是指在呼吸链电子传递过程中偶联在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。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磷磷酸酸化化生生成成ATP的的过程。过程。一、氧化磷酸化偶联部位一、氧化磷酸化偶联部位 氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值比值

22、自由能变化：自由能变化：G=-nFE(吸能吸能/放能？放能？)贮能效率贮能效率=合成合成ATP吸收的能量吸收的能量/放出的能量放出的能量P/O的概念的概念?每消耗一个氧原子（每对电子通过呼吸链传每消耗一个氧原子（每对电子通过呼吸链传递至氧）所产生的递至氧）所产生的ATP分子数分子数ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电电子子传递链传递链自由能自由能变变化化 1.线粒体偶联因线粒体偶联因子子F1-F0（F1-F0-ATPase复合物或复合物或ATP合酶）合酶）由由 亲亲 水水 部部 分分 F1（33亚亚基基）和和疏疏水水部部分分F0（a1b2c912亚亚基基）组组成。成。A

23、TP合酶结构模式图合酶结构模式图二、氧化磷酸化的偶联机制二、氧化磷酸化的偶联机制 2.化学渗透学说化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)电电子子经经呼呼吸吸链链传传递递时时，可可将将质质子子（H+）从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧泵泵到到内内膜膜胞胞浆浆侧侧，产产生生膜膜内内外外质质子子电电化化学学梯梯度度储储存存能能量量。当质子顺浓度梯度回流时驱动当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。(四要点）四要点）a)电子传递体特定不对称分布，催化反应定向电子传递体特定不对称分布，催化反应定向b)递氢体起到质子泵的作用递氢体起到质子泵的作用c）电子传递过

24、程中形成膜电位，跨膜的质子电化学梯度）电子传递过程中形成膜电位，跨膜的质子电化学梯度d）足够高的质子电化学梯度，质子流通过）足够高的质子电化学梯度，质子流通过ATP合酶合酶进入线粒体基质，释放的自由能推动进入线粒体基质，释放的自由能推动ATP合成合成 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化 学学 渗渗 透透 假假 说说w氧化磷酸化的重建实验 课本p188 图8-11 证明了呼吸链和ATP合酶的结构与作用机制wATP酶的旋转催化理论 “构象偶联假说”“旋转催化”模型当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经

25、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三、通过线粒体内膜的物质转运三、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。（一）胞浆中（一）胞浆中NADH的氧化的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。再经呼吸链进行氧化磷酸化。转

26、运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭(malate-asparate shuttle)1.-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 NADH+H+FADH2 NAD+FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱脱氢氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭机制机制NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果

27、酸-酮酮 戊二酸戊二酸转转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 氧化磷酸化作用解偶联和抑制氧化磷酸化作用解偶联和抑制1.呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素

28、4.离子载体抑制剂离子载体抑制剂 结合质子以外的一价阳离子结合质子以外的一价阳离子鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）F F0 0 F F1 1 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+H H+ADP+Pi ATP 寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP

29、合酶结构模式图合酶结构模式图 能荷：能荷：在在总总的的腺腺苷苷酸酸系系统统中中，所所负负荷荷的的高高能能磷磷酸酸基基数量数量 ATP+0.5ADP ATP+0.5ADP+AMP 某某些些条条件件下下作作为为细细胞胞产产能能和和需需能能代代谢谢过过程程间间变变构构调调节节的的信信号号，使使ATP的的产产生生途途径径和和利利用用途途径径平平衡衡运运转转电子传递链及氧化电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌磷酸化系统概貌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+其他末端氧化酶其他末端氧化酶w多酚氧化酶w抗坏血酸氧化酶w黄素蛋白氧化酶w超氧化物歧化酶和过氧化氢酶w抗氰氧化酶