生物氧化和磷酸化

關(guān)于生物氧化和磷酸化第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月生物代謝生物代謝是指生物活體與外界環(huán)境不斷進(jìn)行的物質(zhì)（包括氣體、液體和固體）交換過程。合成代謝一般是指將簡單的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的大分子物質(zhì)的過程。分解代謝則是將復(fù)雜的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)的過程。糖、脂和蛋白質(zhì)的合成代謝途徑各不相同，但是它們的分解代謝途徑則有共同之處，即糖、脂和蛋白質(zhì)經(jīng)過一系列分解反應(yīng)后都生成了酮酸并進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最后被氧化成CO2和H2O。第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)、生物氧化的方式和特點(diǎn)一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化方式。第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1．脫氫氧化反應(yīng)（1）脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月烷基脂肪酸脫氫琥珀酸脫氫第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月醛酮脫氫乳酸脫氫酶第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）加水脫氫酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2．氧直接參加的氧化反應(yīng)這類反應(yīng)包括：加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中。例如，甲烷單加氧酶

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化的。第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3．生成二氧化碳的氧化反應(yīng)（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、生物氧化的特點(diǎn)1，生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進(jìn)行過程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月5，生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、生物能及其存在形式一、生物能和ATP1.ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式。2.生物化學(xué)反應(yīng)的自由能變化生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、高能化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時(shí)能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

1,磷氧鍵型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿狨；佘账岚滨；佘账岬?5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3,硫酯鍵型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)、線粒體呼吸鏈和ATP合成

細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。一、線粒體呼吸鏈的組成第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月線粒體呼吸鏈第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月線粒體呼吸鏈第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NADH泛醌還原酶簡寫為NADHQ還原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。

NADHQ還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NADH泛醌還原酶第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月輔酶-Q的功能Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

泛醌細(xì)胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復(fù)合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括細(xì)胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞色素（簡寫為cyt.）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細(xì)胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

細(xì)胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由于QH2是一個(gè)雙電子載體，而參與上述反應(yīng)過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實(shí)際反應(yīng)情況比較復(fù)雜。QH2所攜帶的一個(gè)高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個(gè)電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結(jié)果是通過一個(gè)循環(huán)，QH2將其中的一個(gè)電子傳遞給cyt.c。第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

細(xì)胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞色素c氧化酶第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt,c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應(yīng)中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個(gè)化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個(gè)化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月呼吸鏈成分的排列順序

電子從電子親和力低（氧化能力弱）的電子傳遞體傳向電子親和力強(qiáng)（氧化能力強(qiáng)）的傳遞體。測定各電子傳遞體的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值（E0′）即可測出其氧化還原能力。E0′值越小的電子傳遞體供電子能力越大，處于電子傳遞鏈的前端。第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

琥珀酸 ↓

FAD（Fe-S） ↓ NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈

NADH氧化呼吸鏈：為體內(nèi)最常見的一條重要的呼吸鏈。代謝過程中多種代謝物如蘋果酸、乳酸等脫氫時(shí)，輔酶NAD+接受氫生成NADH+H+，通過復(fù)合體Ⅰ傳遞給CoQ生成CoQH2，后者把2H中2H+釋放于介質(zhì)中，而將2個(gè)電子經(jīng)復(fù)合體Ⅲ（Cytb，F(xiàn)e-S，Cytc1）、Cytc和復(fù)合體Ⅳ，最終交給1/2O2生成O2-，再與介質(zhì)中的2H+

結(jié)合生成水。

琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2氧化呼吸鏈）：琥珀酸、脂酰CoA和α-磷酸甘油等脫下的氫直接經(jīng)復(fù)合體Ⅱ（FAD，F(xiàn)e-S，Cytb560）傳遞給CoQ，形成CoQH2，以后傳遞與NADH氧化呼吸鏈相同，最終將2e傳遞給氧，生成H2O。

第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月抗霉素A是由鏈霉素分離出的抗菌素，有抑制電子從細(xì)胞色素b到細(xì)胞色素c1的傳遞作用。

氰化物、硫化氫、疊氮化物、一氧化碳等能阻斷電子有細(xì)胞色素aa3到氧的傳遞作用。第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）ATP酶復(fù)合體

線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體，是ATP合成的場所。第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ATP酶，含有5種不同的亞基（按3、3、1、1

和1

的比例結(jié)合）。OSCP為一個(gè)蛋白，是能量轉(zhuǎn)換的通道。F0為一個(gè)疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）ATP合成反應(yīng)-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)合成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在NADH氧化過程中，有三個(gè)反應(yīng)的G’<-30.5kJ/mol。

NADHQQcytccytaa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL

這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個(gè)ATP。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸

O2只產(chǎn)生2個(gè)ATP.第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化磷酸化偶聯(lián)部位

偶聯(lián)部位有3個(gè)：NADH→CoQ，CoQ→Cytc及Cytaa3→O2FADH2↓NADH—→FMN—→CoQ—→Cytb—→Cytc——→Cytaa3—→O2①②③第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；b.在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對H+是不通透的）。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度(pH)和電位梯度（）；第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月c.在膜內(nèi)外勢能差（pH和）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶的組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月P/O比P/O比是指當(dāng)一對電子通過氧化呼吸鏈傳至氧所產(chǎn)生的ATP數(shù)。NADH呼吸鏈P/O比琥珀酸呼吸鏈P/O比如果用鐵氰化物作為電子的受體，用抗霉素A作用能夠下，走NADH呼吸鏈P/O比為？用抗壞血酸使電子從細(xì)胞色素C進(jìn)入呼吸鏈P/O比？？？2.51.5第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月電子傳遞的抑制劑

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。魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素；它們的作用是阻斷電子由NADH向CoQ傳遞。魚藤酮一種極毒的植物物質(zhì)，常用作重要的殺蟲劑。第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制解偶聯(lián)劑氧化磷酸化抑制劑離子載體抑制劑第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月解偶聯(lián)劑：使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離。只抑制ATP的形成不抑制電子的傳遞。原因：2，4－二硝基苯酚在中性條件下是脂不溶性的，在酸性條件下，接受質(zhì)子形成脂溶性，從而容易地透過膜，同時(shí)將一個(gè)質(zhì)子帶入膜內(nèi)。破壞了膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度。2，4－二硝基苯酚第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月影響氧化磷酸化的因素

氧化磷酸化抑制劑：該試劑及抑制氧的利用又抑制ATP的形成。不能直接抑制電子傳遞。但結(jié)果也使電子傳遞不能進(jìn)行。寡霉素第60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子載體抑制劑該類物質(zhì)是一類脂溶性物質(zhì)，能與某些離子結(jié)合，并作為它們的載體使這些離子能夠穿過膜。與解偶聯(lián)劑的區(qū)別就是該類物質(zhì)作用的質(zhì)子以外的一價(jià)陽離子載體。如纈氨霉素，結(jié)合鉀離子穿過膜，破壞其膜的通透性，影響氧化磷酸化。影響氧化磷酸化的因素第61頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月[ATP]/[ADP]比在細(xì)胞內(nèi)對電子傳遞速度起著非常重要的作用。呼吸控制：ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用。ADP濃度高如何？？？ADP濃度低如何？？？氧化磷酸化的調(diào)控第62頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

胞液中NADH的氧化線粒體內(nèi)三羧酸循環(huán)和β-氧化等氧化途徑大量產(chǎn)生的還原當(dāng)量NADH和FADH2可直接經(jīng)呼吸鏈的傳遞最終被氧化形成H2O，同時(shí)產(chǎn)生ATP，而胞液中如糖酵解中3-磷酸甘油醛脫氫等反應(yīng)可生成少量的NADH，因線粒體內(nèi)膜對NADH不能自由通透，胞液中生成的NADH必須經(jīng)過某種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制才能進(jìn)入線粒體，進(jìn)而由呼吸鏈氧化成H2O，同時(shí)產(chǎn)生ATP。這種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制主要有α-磷酸甘油穿梭作用和蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用。第63頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月α-磷酸甘油穿梭作用：胞液NADH中的一對氫原子通過胞液中磷酸甘油脫氫酶（輔酶為NAD+）催化，轉(zhuǎn)移到α-磷