生物學(xué)生物氧化與氧化磷酸化

生物學(xué)生物氧化與氧化磷酸化第1頁/共78頁Objectives生物氧化的概念生物氧化的概念生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的種類生物氧化的方式生成ATP的氧化體系線粒體氧化呼吸鏈氧化磷酸化氧化磷酸化的影響因素高能磷酸鍵的儲(chǔ)存與釋放線粒體外NADH的穿梭第2頁/共78頁生物氧化及其特點(diǎn)、種類和方式生物氧化物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解，并逐步釋放能量，最終生成二氧化碳和水的過程攝氧產(chǎn)能（ATP+熱能）產(chǎn)生H2O+CO2第3頁/共78頁生物氧化特點(diǎn)生物氧化體外燃燒溫和環(huán)境條件劇烈，高溫、高壓需酶催化，使有機(jī)物氧化分解不需酶催化CO2是有機(jī)酸脫羧生成的碳和氧直接化合生成CO2有機(jī)物脫下的氫,經(jīng)呼吸鏈生成H2OH2O為滅火劑逐步釋放能量儲(chǔ)存于ATP中能量以光和熱形式驟放第4頁/共78頁生物氧化的種類根據(jù)有無氧的參與有氧氧化無氧氧化根據(jù)發(fā)生場所線粒體氧化體系：與ATP的生成有關(guān)，產(chǎn)能的氧化作用，線粒體內(nèi)發(fā)生（原核生物在質(zhì)膜上發(fā)生）微粒體氧化體系第5頁/共78頁生物氧化方式脫電子反應(yīng)：如Fe2+→Fe3+＋e電子不能單獨(dú)存在于生物體內(nèi)，有物質(zhì)失去電子，就有物質(zhì)得到電子A2+B2+B3+A3+A—電子供體B—電子受體第6頁/共78頁脫氫反應(yīng)最主要的生物氧化方式異檸檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸蘋果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+1、3－二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛Pi＋NAD+NADH+H+第7頁/共78頁加氧反應(yīng)HR－C=O醛＋?O2OHR－C=O酸HR－COH2OOHR－C－HOHOHR－CO＋2H++2e-加水脫氫反應(yīng)第8頁/共78頁生成ATP的氧化體系一、電子傳遞鏈(呼吸鏈)由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成，與細(xì)胞呼吸過程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系，一般稱為生物氧化還原鏈。若受氫體是氧，則稱為呼吸鏈構(gòu)成呼吸鏈的遞氫體或遞電子體通常以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上牛心臟線粒體的負(fù)染電鏡照片，可見球形顆粒通過小柄附著在線粒體內(nèi)膜嵴上第9頁/共78頁呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置第10頁/共78頁（一）呼吸鏈的組成第11頁/共78頁復(fù)合體I(NADH脫氫酶)NADH+H+

NAD+FMNFMNH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2第12頁/共78頁NADH還原酶NADH還原酶催化（NADH+H+）的脫氫反應(yīng)，從而將2H傳遞給其輔基FMN，生成FMNH2（氧化型）（還原型）第13頁/共78頁FMN和FAD遞氫機(jī)制（氧化型）（還原型）第14頁/共78頁鐵硫蛋白(Fe-S)又叫鐵硫中心或鐵硫簇鐵除與硫連接外，還與肽鏈中Cys殘基的巰基連接鐵原子可進(jìn)行Fe2+Fe3++e反應(yīng)傳遞電子，為單電子傳遞體第15頁/共78頁鐵硫中心的結(jié)構(gòu)SS無機(jī)硫半胱氨酸硫第16頁/共78頁泛醌(UQ)輔酶Q（CoQ），屬脂溶性醌類化合物，帶有多個(gè)異戊二烯側(cè)鏈為脂溶性，游動(dòng)性大，極易從線粒體內(nèi)膜中分離出來，因此不包含在四種復(fù)合體中分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地結(jié)合2個(gè)H，為遞氫體第17頁/共78頁輔酶Q的遞氫機(jī)制第18頁/共78頁復(fù)合體II(琥珀酸脫氫酶)琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3琥珀酸延胡索酸

FADFADH22Fe2+-S2Fe3+-SQQH2第19頁/共78頁復(fù)合體III(細(xì)胞色素b、c1復(fù)合體)QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1第20頁/共78頁細(xì)胞色素類（Cytochrome,Cyt）一類以鐵卟啉為輔基的電子傳遞蛋白。呼吸鏈中主要有a、b、c三類。差別在于鐵卟啉的側(cè)鏈以及鐵卟啉與蛋白部分連接的方式不同Cytb、c的鐵卟啉與血紅素相同；Cyta的鐵卟啉為血紅素A分子中的鐵通過氧化還原而傳遞電子，為單電子傳遞體第21頁/共78頁鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu)第22頁/共78頁復(fù)合體IV(細(xì)胞色素氧化酶)還原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB第23頁/共78頁（二）呼吸鏈成分的排列順序標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位拆開和重組特異抑制劑阻斷還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧第24頁/共78頁第25頁/共78頁（三）呼吸鏈的組成⑴NADH氧化呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2⑵琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2第26頁/共78頁CoQ(Q)是兩條重要呼吸鏈的交匯點(diǎn)FAD.H2

(Fe-S)IIIIIIIV琥珀酸

?O2aa3+H+NADHFMN(Fe-S)CoQ(Fe-S)Cytb(Cu2+)CytcCytc1第27頁/共78頁（四）線粒體內(nèi)重要代謝物氧化的途徑第28頁/共78頁二、氧化磷酸化（一）體內(nèi)ATP生成的方式：底物水平磷酸化：底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程氧化磷酸化：在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化第29頁/共78頁（二）氧化磷酸化偶聯(lián)部位P/O比值：指物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷的摩爾數(shù)，即生成ATP的摩爾數(shù)通過測定在氧化磷酸化過程中，氧的消耗與無機(jī)磷酸消耗之間的比例關(guān)系，可以反映底物脫氫氧化與ATP生成之間的比例關(guān)系第30頁/共78頁線粒體離體實(shí)驗(yàn)測得的一些底物的P/O比值底物呼吸鏈的組成P/O比值生成ATP數(shù)-羥丁酸NAD+→O22.4~2.83琥珀酸FAD→O21.72抗壞血酸Cytc→O20.881細(xì)胞色素CCytaa3→O20.61~0.681第31頁/共78頁自由能變化與ATP的生成部位合成1molATP時(shí)，需要提供的能量至少為ΔG0’=-30.5kJ/mol，相當(dāng)于氧化還原電位差ΔE0’=0.2V。在NADH氧化呼吸鏈中有三處可以生成ATP在琥珀酸氧化呼吸鏈中有兩處可以生成ATP第32頁/共78頁三個(gè)偶聯(lián)部位①NADH與CoQ之間；②CoQ與Cytc之間；③Cytaa3與氧之間69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol第33頁/共78頁NADH氧化呼吸鏈存在3個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于3，即產(chǎn)生3molATP琥珀酸氧化呼吸鏈存在2個(gè)偶聯(lián)部位，P/O比值等于2，即產(chǎn)生2molATP第34頁/共78頁（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制1.化學(xué)滲透假說1961年由PeterMitchell提出電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP

在電子傳遞與ATP合成間起偶聯(lián)作用的是質(zhì)子電化學(xué)梯度第35頁/共78頁化學(xué)滲透假說(P.Mitchell1961年)要點(diǎn)呼吸傳遞體不對(duì)稱地分布在線粒體內(nèi)膜上，遞氫體和電子傳遞體間隔排列，催化反應(yīng)是定向的呼吸鏈的復(fù)合體I、III、IV中的遞氫體有質(zhì)子泵作用，它可以將H+從線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)泵至外側(cè)線粒體內(nèi)膜對(duì)質(zhì)子是不透性的，泵到膜外的H+不能自由返回在內(nèi)膜兩側(cè)建立起質(zhì)子濃度梯度和電位梯度

一個(gè)結(jié)合于膜上的酶——ATP合成酶在跨膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)反應(yīng)中催化ADP磷酸化(由質(zhì)子動(dòng)力勢梯度推動(dòng)ADP和Pi合成ATP)第36頁/共78頁第37頁/共78頁化學(xué)滲透假說簡單示意圖線粒體基質(zhì)

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP第38頁/共78頁復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均有質(zhì)子泵作用4H+4H+2H+內(nèi)膜表面基質(zhì)NADH＋H＋NAD＋琥珀酸延胡索酸?O2＋2H+第39頁/共78頁化學(xué)滲透假說第40頁/共78頁Q循環(huán)第41頁/共78頁2.ATP合酶第42頁/共78頁超聲波處理嵴重新封閉形成亞線粒體泡內(nèi)膜外翻尿素胰蛋白酶保留電子傳遞功能喪失合成ATP功能氧化磷酸化恢復(fù)①線粒體內(nèi)膜組份完整第43頁/共78頁ATP合酶F0：為疏水蛋白質(zhì)，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道F1：為親水蛋白質(zhì)，由33亞基組成，催化生成ATPOSCP：寡霉素敏感相關(guān)蛋白，位于F0與F1之間，使ATP合酶在寡霉素存在時(shí)不能生成ATPATP合酶結(jié)構(gòu)模式圖第44頁/共78頁ATP合酶的工作機(jī)制第45頁/共78頁三、影響氧化磷酸化的因素（一）抑制劑呼吸鏈抑制劑阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離氧化磷酸化抑制劑對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用第46頁/共78頁各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點(diǎn)魚藤酮粉蝶霉素A異戊巴比妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×第47頁/共78頁解偶聯(lián)蛋白作用機(jī)制(棕色脂肪組織線粒體)ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液側(cè)基質(zhì)側(cè)解偶聯(lián)蛋白熱能H+H+ADP+PiATP第48頁/共78頁寡霉素(oligomycin)可阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流，抑制ATP生成寡霉素第49頁/共78頁（二）ADP的調(diào)節(jié)作用是主要調(diào)節(jié)因素［ADP］↑，氧化磷酸化↑（三）甲狀腺激素Na+,K+–ATP酶和解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)均增加（四）線粒體DNA突變與線粒體DNA病及衰老有關(guān)第50頁/共78頁四、高能磷酸鍵的儲(chǔ)存與釋放（一）高能磷酸鍵的類型生物化學(xué)中常將水解時(shí)釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵。主要有以下幾種類型：1．磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可釋放出30.5kJ/mol的自由能第51頁/共78頁混合酐鍵由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解可釋放出61.9kJ/mol的自由能烯醇磷酸鍵見于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可釋放出61.9kJ/mol的自由能磷酸胍鍵見于磷酸肌酸中，水解后可釋放出43.9kJ/mol的自由能第52頁/共78頁幾種常見的高能化合物第53頁/共78頁磷酸肌酸是骨骼肌和腦組織中能量的貯存形式磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動(dòng)之需反應(yīng)過程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成第54頁/共78頁磷酸肌酸激酶的作用第55頁/共78頁（二）ATPATP的特點(diǎn)ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1-腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+--第56頁/共78頁ATP的特殊作用ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）

6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第57頁/共78頁能荷ATP是生命活動(dòng)中能量的主要直接供體，因此ATP不斷產(chǎn)生又不斷消耗ATP、ADP和AMP的轉(zhuǎn)換率非常高。但它們?cè)跈C(jī)體內(nèi)總能保持相應(yīng)的平衡狀態(tài)，以適應(yīng)細(xì)胞對(duì)能量的需求細(xì)胞所處的能量狀態(tài)用ATP、ADP和AMP之間的關(guān)系式來表示，稱為能荷

[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]腺苷酸庫能荷=第58頁/共78頁（三）ATP循環(huán)ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”之稱ATP分子中含有兩個(gè)高能磷酸酐鍵（A-P~P~P），均可以水解供能ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)第59頁/共78頁ATP循環(huán)ATP

ADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P

~P

機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn))化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)第60頁/共78頁（四）多磷酸核苷間的能量轉(zhuǎn)移在生物體內(nèi)，除了可直接使用ATP供能外，還使用其他形式的高能磷酸鍵供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白質(zhì)的合成等核苷單磷酸激酶NMP+ATPNDP+ADP核苷二磷酸激酶NDP+ATPNTP+ADP第61頁/共78頁五、線粒體外NADH的穿梭胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP第62頁/共78頁（一）磷酸甘油穿梭系統(tǒng)主要存在于腦和骨骼肌中NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對(duì)氫原子進(jìn)入線粒體由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，只能產(chǎn)生2分子ATP第63頁/共78頁磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

線粒體內(nèi)膜

線粒體外膜膜間腔

線粒體基質(zhì)

FADH2

NAD+

FAD

-磷酸甘油脫氫酶

琥珀酸氧化呼吸鏈

磷酸二羥丙酮

-磷酸甘油

NADH+H+-磷酸甘油脫氫酶第64頁/共78頁（二）蘋果酸穿梭系統(tǒng)主要存在于肝和心肌中胞液中NADH+H+的一對(duì)氫原子經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對(duì)氫原子由于經(jīng)NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，可生成3分子ATP第65頁/共78頁蘋果酸穿梭系統(tǒng)谷氨酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸--酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

胞液

基質(zhì)

NADH+H+

NAD+NADH+H+NAD+

蘋果酸草酰乙酸

-酮戊二酸

谷氨酸蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶NADH呼吸鏈

天冬氨酸

第66頁/共78頁本章小結(jié)氧化磷酸化是由兩個(gè)緊密偶聯(lián)的現(xiàn)象組成的:底物通過呼吸電子傳遞鏈被氧化，同時(shí)伴隨著質(zhì)子跨內(nèi)線粒體膜的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子濃度梯度；通過質(zhì)子沿ATP合成酶中的通道向線粒體基質(zhì)的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)ATP的生成化學(xué)滲透理論解釋了ADP磷?；侨绾闻c電子轉(zhuǎn)移偶聯(lián)的，也解釋了解偶聯(lián)劑的效應(yīng)，即該試劑可以使底物氧化，但沒有ATP生成第67頁/共78頁由蛋白質(zhì)和輔助因子組成的復(fù)合物I～I(xiàn)V和ATP合成酶參與氧化磷酸化電子流通過這些復(fù)合物一般是根據(jù)不同成分的相對(duì)電位進(jìn)行的來自NADH的電子流通過復(fù)合物I，III，IV來自琥珀酸的電子流經(jīng)過復(fù)合物II引入幾種輔助因子參與電子轉(zhuǎn)移，其中包括FMN，F(xiàn)AD，鐵-硫簇，銅原子，細(xì)胞色素和泛醌泛醌連接著復(fù)合物I，II和復(fù)合物III，而細(xì)胞色素c連接著復(fù)合物III和復(fù)合物IV第68頁/共78頁電子通過復(fù)合物I、復(fù)合物III和復(fù)合物IV轉(zhuǎn)移時(shí)導(dǎo)致質(zhì)子移位到膜間隙，但通過復(fù)合物II的電子轉(zhuǎn)移對(duì)質(zhì)子濃度梯度沒有貢獻(xiàn)。復(fù)合物IV最后將電子從細(xì)胞色素c轉(zhuǎn)移給O2，生成H2O質(zhì)子經(jīng)過Fo-F1ATP合成酶中的Fo成分重新進(jìn)入線粒體基質(zhì)。質(zhì)子流驅(qū)動(dòng)F1ATP合成酶將ADP和Pi合成為ATP胞液中的NADH進(jìn)入線粒體內(nèi)有兩種途徑甘油磷酸穿梭途徑：胞液中的