第4章+生物氧化課件

1、第四章 生物氧化與氧化磷酸化第四章 生物氧化與氧化磷酸化第一節(jié) 生物氧化概述第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈）第三節(jié) 氧化磷酸化 第一節(jié) 生物氧化概述有機(jī)物在生物體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放和貯存能量的過程。又稱細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸。 C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 能量（2870.22 kJ/mol）一、生物氧化概念（一）定義：（二）生物氧化的特點(diǎn)1、在活的細(xì)胞中溫和條件下進(jìn)行2、生物氧化反應(yīng)為酶促反應(yīng)3、氧化過程分階段進(jìn)行，能量逐步釋放。4、產(chǎn)生的能量貯存在高能磷酸化合物（主ATP）中。一、生物氧化概念 生物氧化過程與磷酸化偶聯(lián)，在此過程中不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而

2、傷害機(jī)體，釋放的能量盡可得到有效的利用。（三）生物氧化的方式氧化反應(yīng)脫電子脫氫加氧還原反應(yīng)得電子加氫脫氧一、生物氧化概念（四）CO2的生成1、直接脫羧丙酮酸丙酮酸脫羧酶乙醛 + CO22、氧化脫羧的同時(shí)伴有氧化脫氫丙酮酸丙酮酸脫氫酶系乙酰CoA + CO22H一、生物氧化概念（四）H2O的形成 在脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的體系催化下由代謝底物脫下的氫與氧結(jié)合生成的。AH2A2HH受體中間傳遞體H2O1/2O2ATP氧化酶激活一、生物氧化概念二、自由能和氧化還原電位1、自由能某一系統(tǒng)的總能量中，能在恒溫恒壓和必要的體積下做有用功的那部分能量。（用G表示） 在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中當(dāng)A轉(zhuǎn)化為B時(shí)，其自由

3、能的變化用G表示。 根據(jù)G判定反應(yīng)方向：G0 放能，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；G0 吸能，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行；G=0 反應(yīng)達(dá)到平衡。2、標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與平衡常數(shù) G0= - RT1n KeqR為氣體常數(shù)（1.987calMol-1K-1）T為絕對溫度。G0是一個(gè)常數(shù)，是一個(gè)特定值。在生化反應(yīng)中，pH=7.0時(shí),其標(biāo)準(zhǔn)自由能變化以G0表示。二、自由能和氧化還原電位3、氧化還原電位在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫電極電極勢為0，與之比較得電極勢（電位）。 0 0 接受電子(得電子能力大于H，氧化劑)0 7.3千卡時(shí)，可形成ATP二、自由能和氧化還原電位三、高能化合物高能化合物：水解時(shí)放出的自由能在20.92kJ/mol（5千卡

4、/mol）以上的化合物。高能基團(tuán) 高能化合物中被水解的基團(tuán)；高能磷酸化合物 以磷酸作為高能基團(tuán)的高能化合物；高能鍵 被水解斷裂釋放出大量自由能的活潑共價(jià)鍵。（一）高能化合物概念（二）高能化合物類型1）焦磷酸化合物1、磷氧鍵型三、高能化合物腺苷三磷酸（ATP）2） ?；姿峄衔铮ǘ└吣芑衔镱愋?,3二磷酸甘油酸1、磷氧鍵型3） 烯醇式磷酸化合物1、磷氧鍵型（二）高能化合物類型磷酸烯醇式丙酮酸2、氮磷鍵型NP（二）高能化合物類型磷酸肌酸3、硫酯鍵型 乙酰CoASH （二）高能化合物類型脂酰輔酶A4、甲硫鍵型（二）高能化合物類型S腺苷甲硫氨酸（ SAM ）常見磷酸化合物標(biāo)準(zhǔn)水解自由能G（三）最

5、重要的高能化合物-ATP 1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密集的負(fù)電荷產(chǎn)生靜電斥力，產(chǎn)生高的磷酸轉(zhuǎn)移勢能，水解脫去磷酸基團(tuán)可釋放大量能量。與Ca2+，或Mg2+以絡(luò)合物形式存在 1） ATP為能量貨幣 能量合成與利用以ATP為中心，ATP-ADP循環(huán)是生物系統(tǒng)的能量交換中樞。2、ATP的作用 1,3二磷酸甘油酸1,3二磷酸甘油酸激酶3磷酸甘油酸ATP6-磷酸葡萄糖ADP己糖激酶葡萄糖（三）最重要的高能化合物-ATP 在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，磷酸基從轉(zhuǎn)移勢能較高的供體轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移勢能較低的受體分子，ATP的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能在常見的含磷酸基團(tuán)化合物中處于中間位置，因而在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能高的供體與低能的受體之間充當(dāng)中間載體

6、。2）磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間體2、ATP的作用 （三）最重要的高能化合物-ATP第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈）一、電子傳遞鏈概念 在生物氧化中，代謝物上的H原子被脫氫酶激活脫落后，以質(zhì)子和電子的形式由線粒體內(nèi)膜上的一系列傳遞體傳遞，最終傳給被激活的O2，而生成H2O，由這些傳遞體組成的傳遞鏈稱為電子傳遞鏈（呼吸鏈）。2、FADH2呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈）生物體內(nèi)主要呼吸鏈1、NADH呼吸鏈煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide)是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。 呼吸鏈所有組成成分都嵌合

7、于線粒體內(nèi)膜，線粒體的內(nèi)膜是重要的能量交換部位。線粒體結(jié)構(gòu)線粒體結(jié)構(gòu)（一）黃素蛋白是膜內(nèi)側(cè)的一個(gè)嵌入蛋白，含F(xiàn)MN或FAD，活性中心在膜的內(nèi)側(cè),可催化琥珀酸氧化為延胡索酸。每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子2個(gè)質(zhì)子，NADH脫氫酶以FMN為輔基，琥珀酸脫氫酶以FAD為輔基。 二、電子傳遞鏈的組成成分（二）Fe-S蛋白鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和肽鏈的半胱氨酸4個(gè)硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。 Fe+ eFe+二、電子傳遞鏈的組成成分（三）CoQ二、電子傳遞鏈的組成成分 醌式化合物，可接受一對質(zhì)子和一對電子，是呼吸鏈上唯一的非蛋白

8、質(zhì)的有機(jī)分子，在膜中比較自由。（四）細(xì)胞色素（Cyt）類多肽鏈多肽鏈Fe2+ Fe3+e二、電子傳遞鏈的組成成分Cyt 分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，呼吸鏈中有5類：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。1、Cytb 是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的電子。2、Cytc1 是膜的嵌入蛋白，與Cytb組成一個(gè)復(fù)合體，它可接受Cytb的電子，并把它傳給Cytc 。（四）細(xì)胞色素（Cyt）類二、電子傳遞鏈的組成成分3、 Cytc是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受Cytc1的電子，并傳給Cytaa3。（四）細(xì)胞色素（Cyt）類二、電子傳遞鏈的組成成分兩個(gè)細(xì)胞色素的復(fù)合

9、體，跨膜蛋白，含有Cu離子。Cyta接受Cytc的電子，經(jīng)過Cu傳給a3。Cyta3的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給氧分子而生成水。該復(fù)合體又稱為細(xì)胞色素氧化酶 呼吸鏈末端氧化酶 4、Cytaa3（四）細(xì)胞色素（Cyt）類二、電子傳遞鏈的組成成分上述電子傳遞鏈組分除泛醌和細(xì)胞色素C外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合物。復(fù)合物I：又稱為NADHCoQ還原酶, 它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及CoQ還原。包括以FMN為輔基的黃素蛋白和多種鐵硫蛋白。復(fù)合物：又稱為琥珀酸CoQ還原酶,它的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和CoQ的還原。包括以FAD為輔基的黃素蛋白、多種鐵硫蛋白和細(xì)胞色

10、素b560。復(fù)合物:又稱為CoQ -Cytc還原酶, 其作用是催化還原型CoQ的氧化和細(xì)胞色素c的還原。包括細(xì)胞色素b（b562、b566）和c1，以及鐵硫蛋白。復(fù)合物IV：又稱為Cytc 氧化酶、末端氧化酶，它的重要作用是將電子從Cytc傳遞給氧。包括cyt aa3和含銅蛋白。電子傳遞鏈組分形成的超分子復(fù)合物根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧還電位E0的高低排列; 三、呼吸鏈的電子傳遞順序研究方法：根據(jù)電子傳遞體氧化還原態(tài)的吸收光譜變化進(jìn)行檢測利用阻斷劑研究分析四種復(fù)合物的電子傳遞再造實(shí)驗(yàn)呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位電子傳遞方向性由氧化還原電位決定電子從E0值小的傳遞體向E0值大的傳遞體傳遞琥珀酸 FAD Co

11、Q b c1 c aa3 O2 +0.06三、呼吸鏈的電子傳遞順序CytcNADH呼吸鏈電子傳遞過程的循環(huán)呼吸鏈組分在線粒體內(nèi)膜上的分布外膜膜間空間內(nèi)膜胞液襯質(zhì)NADH+H+FMNFe-SCoQFe-SFADCytbFe-SCytc1CytcO2CytaCyta3琥珀酸四、呼吸鏈的電子傳遞抑制劑 能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)，稱為電子傳遞抑制劑。 利用專一性電子傳遞抑制劑選擇性地阻斷呼吸鏈中某個(gè)傳遞步驟，再測定鏈中多組分的氧化還原態(tài)情況，是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。 原理如通水管中的流水一樣，正常情況下，連通管中的水位，越靠近出水管口越低，從入水到出水形成均勻的梯度；若連通水

12、管中某一環(huán)節(jié)受阻，則在受阻部位以前的水管即充滿水，而在受阻部位以后的水管，因無水繼續(xù)補(bǔ)充而即將流空。四、呼吸鏈的電子傳遞抑制劑第三節(jié) 氧化磷酸化底物氧化過程中，高能代謝中間產(chǎn)物，通過E促磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，直接偶聯(lián)ATP的形成。一、氧化磷酸化的概念及類型 利用生物氧化過程中，釋放的自由能使ADP磷酸化為ATP的過程。1、底物水平磷酸化電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體傳遞到O2形成H2O時(shí)，同時(shí)偶聯(lián)ADP磷酸化為ATP，這一過程稱電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化。一、氧化磷酸化的概念及類型 2、電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化（簡稱氧化磷酸化）1、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位差計(jì)算能量二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位（一）推測氧化

13、磷酸化的偶聯(lián)部位的方法G0 = -nFE0位置NADH CoQCtyb CytcCytaa3 O2G0G0 = -69.5 KJ/molG0 = -40.5 KJ/mol G0 = -102.3 KJ/mol1mol ADP ATP: G0 = 30.5 KJ/mol三個(gè)部位釋放的能量可以形成ATP每消耗一個(gè)氧原子所形成的ATP數(shù)或每對電子經(jīng)過呼吸鏈所形成的ATP數(shù)。 測定長呼吸鏈中P/O比為2.5；短呼吸鏈中P/O比為1.5。在每2個(gè)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給分子氧的過程中，伴隨ADP磷酸化所消耗的無機(jī)磷的磷原子數(shù)與消耗的氧原子數(shù)之比 P/O2、 P/O比值（一）推測氧化磷酸化的偶聯(lián)部位的方法二、氧

14、化磷酸化偶聯(lián)部位（二）氧化磷酸化偶聯(lián)部位二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位三、氧化磷酸化的作用機(jī)制 線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為ATP合成酶復(fù)合體，是ATP合成的場所。（一）線粒體偶聯(lián)因子F1F0 氧化磷酸化偶聯(lián)因子，包含ATP合成酶系統(tǒng)，可利用電子傳遞的高能狀態(tài)將ADP和Pi合成為ATP。 功能ADP+PiATP+H2O 組成F1頭部為F1因子3 39個(gè)亞基組成ATP的催化部位。 F0膜部為F0因子4條肽鏈組成的嵌入線粒體內(nèi)膜蛋白，含有質(zhì)子通道。ATP合酶復(fù)合體三、氧化磷酸化的作用機(jī)制 （二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制三種假說解釋氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制H的氧化過程中，形成一個(gè)高能中間物，然

15、后傳遞能量交給ADP形成ATP 。由于一直未能鑒定出高能共價(jià)結(jié)合的中間產(chǎn)物，以致連E.C.Slater也認(rèn)為它幾乎可以肯定是不正確的了。1、化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年E.C.Slater提出的）H的氧化過程中，形成高能構(gòu)象，然后將能量釋放，使ADP ATP三、氧化磷酸化的作用機(jī)制 （二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制2、構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964年P(guān).D.Boyer提出了這種假說）3、化學(xué)滲透學(xué)說（此學(xué)說被多數(shù)人支持） 化學(xué)滲透學(xué)說是英國米歇爾經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后于1961年首先提出的，主要論點(diǎn)是認(rèn)為呼吸鏈起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學(xué)電位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使A

16、DP合成ATP。 三、氧化磷酸化的作用機(jī)制 （二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制（1）遞H體與遞電子體交替排列，定位于線粒體內(nèi)膜。（2）遞H體有H泵作用，將2H+泵出內(nèi)膜，2e傳給遞電子體，整個(gè)過程泵出3對H+造成H+跨膜梯度（3）線粒體膜對H+不通透，造成H+跨膜梯度。（4）H+通過線粒體F1-F0-ATP酶進(jìn)入內(nèi)膜，釋放出的自由能推動(dòng)ATP合成?；瘜W(xué)滲透學(xué)說要點(diǎn)化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 氧化磷酸化的重建試驗(yàn)例： 2.4二硝基苯酚（DNP）原理：增加膜的通透性，破壞跨膜蛋白質(zhì)電化學(xué)梯度（H+）梯度使電子傳遞與ADP磷酸化兩個(gè)過程分開，不抑制電子傳遞過程，只抑制ADP ATP，使電子傳遞所產(chǎn)生的

17、自由能以熱的形式耗散。四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制化學(xué)因素可影響氧化磷酸化過程，不同的試劑對氧化磷酸化過程的影響不同，根據(jù)它們的影響方式可分為三大類1、解偶聯(lián)劑抑制氧的利用和ATP的形成，不直接抑制電子傳遞。氧化磷酸化抑制劑的作用是直接干擾ATP的生成過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進(jìn)行。（和電子傳遞抑制劑不同）四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制DNP（解偶聯(lián)劑）可解除它對氧利用的抑制作用。例：寡霉素與F1F0結(jié)合，抑制氫離子內(nèi)流即抑制氧的利用。2、氧化磷酸化抑制劑生物膜上的脂溶性物質(zhì)，與某些離子結(jié)合，并作為它們的載體，使這些離子能夠穿過膜，破壞跨膜電化學(xué)梯度，從而破壞氧化磷酸化過程。四、氧化磷酸化的解偶

18、聯(lián)和抑制與解偶聯(lián)劑區(qū)別：H+離子以外的其它一價(jià)陽離子的載體，改變除H+離子以外的一價(jià)陽離子透性。例： 纈氨霉素K+；短稈菌肽K+，Na+3、離子載體抑制劑五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體外膜蛋白,10kDa的物質(zhì)通過線粒體內(nèi)膜不同的轉(zhuǎn)運(yùn)體，對物質(zhì)有選擇性五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 細(xì)胞內(nèi)的ATP主要在線粒體內(nèi)由ADP磷酸化而成，大部分ATP在線粒體外被利用后又變?yōu)锳DP。由于ADP和ATP都不能自由地穿過線粒體內(nèi)膜，因而必需有一種機(jī)制將線粒體外的ADP運(yùn)入，同時(shí)把ATP運(yùn)到線粒體外?，F(xiàn)已證實(shí)由線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體（二聚體，只有一個(gè)腺苷酸結(jié)合位點(diǎn)）負(fù)責(zé)其雙向運(yùn)輸，又稱ADP/ATP交換體。面向外側(cè)時(shí)結(jié)合位點(diǎn)對ADP親和力高，面向內(nèi)側(cè)時(shí)結(jié)合位點(diǎn)對ATP親和力高。 （一）腺苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)ADP、ATP、Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進(jìn)行，而NAD+和NADH不能自由地透過線粒體內(nèi)膜，因此在胞液內(nèi)生成的NADH必須通過特殊的穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體。已知?jiǎng)覥ell有兩個(gè)穿梭系統(tǒng)。五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（二） NADH的轉(zhuǎn)運(yùn)1、 磷酸甘油穿梭（肌肉細(xì)胞、大腦細(xì)胞）五、線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（二） NAD