生物化學(xué)課件7.生物氧化

上海市精品課程系列----生物化學(xué)第七章

生物氧化第七章生物氧化7.1

代謝與能量的關(guān)系7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式7.3

線粒體生物氧化體系7.1

代謝與能量的關(guān)系自由能高能化合物能荷代謝與能量的關(guān)系7.1

代謝與能量的關(guān)系自由能指在某一個(gè)熱力學(xué)過程中系統(tǒng)減少的內(nèi)能中可以轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功的部分定義式：ΔG=ΔH-TΔS=G產(chǎn)物

-G底物物理意義：－ΔG=W

(體系中能對(duì)環(huán)境作功的能量)當(dāng)熵增加時(shí)，系統(tǒng)的自由能便會(huì)下降物理和化學(xué)過程達(dá)到平衡時(shí)，即達(dá)到系統(tǒng)的自由能最小而熵最大自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行

ΔG<0

反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行

ΔG>0

反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行

ΔG=0

反應(yīng)處于平衡狀態(tài)7.1

代謝與能量的關(guān)系高能化合物在標(biāo)準(zhǔn)條件下（pH7，25℃，1mol/L）發(fā)生水解時(shí)，可釋放出5kcal/mol（21kJ/mol）以上自由能的化合物高能鍵：在高能化合物分子中，被水解斷裂時(shí)釋放出大量自由能的活潑共價(jià)鍵，常用符號(hào)“~”表示

高能磷酸化合物：一類分子中含磷酸基團(tuán)，它被水解下來時(shí)釋放出大量自由能的高能化合物高能鍵≠

鍵能高焦磷酸化合物（ATP）酰基磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）

烯醇磷酸化合物（磷酸烯醇式丙酮酸）胍基磷酸化合物（磷酸肌酸）硫酯化合物（乙酰CoA）甲硫鍵化合物（S-腺苷甲硫氨酸）7.1

代謝與能量的關(guān)系焦磷酸化合物最重要的高能化合物——ATP能量轉(zhuǎn)換過程的中間載體磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體7.1

代謝與能量的關(guān)系1,3-二磷酸甘油酸?；姿峄衔锪姿嵯┐际奖幔≒EP）烯醇式磷酸化合物7.1

代謝與能量的關(guān)系磷酸肌酸胍基磷酸化合物硫酯化合物酰基輔酶AS-腺苷甲硫氨酸甲硫鍵化合物7.1

代謝與能量的關(guān)系能荷是細(xì)胞中高能磷酸狀態(tài)一種數(shù)量上的衡量，對(duì)代謝起著重要的調(diào)控作用數(shù)值在0~1之間，大多數(shù)細(xì)胞維持在0.8~0.95范圍內(nèi)7.1

代謝與能量的關(guān)系代謝與能量的關(guān)系7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的定義生物氧化的內(nèi)容生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的方式ATP的生成方式7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的定義有機(jī)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化作用（伴隨著還原作用）統(tǒng)稱為生物氧化細(xì)胞呼吸實(shí)質(zhì)為有機(jī)化合物（糖、脂、蛋白質(zhì)等）在活細(xì)胞中進(jìn)行氧化，生成H2O和CO2，并伴有ATP生成的過程7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的內(nèi)容

CO2是如何生成的？（脫羧反應(yīng)）

H2O是如何生成的？（電子傳遞鏈）

能量如何轉(zhuǎn)化？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化）

直接脫羧作用

氧化脫羧作用代謝物上脫下的氫與生物體吸進(jìn)的O2化合生成代謝物MH2

氧化型H2O

一個(gè)或多個(gè)傳遞體

M還原型O27.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的特點(diǎn)共同點(diǎn)

化學(xué)本質(zhì)相同常見方式有脫氫、脫電子和加氧最終產(chǎn)物是CO2和H2O

同種物質(zhì)釋放能量相等相比于體外氧化（非生物氧化反應(yīng)）不同點(diǎn)

在活細(xì)胞中進(jìn)行在細(xì)胞中有嚴(yán)格的定位（細(xì)胞膜和線粒體）有酶催化，反應(yīng)條件溫和

分階段逐步緩慢地氧化，能量也逐步釋放釋放的能量可先貯存在高能化合物中7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的方式不同底物、不同組織、不同生長周期各不相同狹義的生物氧化的概念7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式ATP的生成方式生物氧化途徑光合作用途徑

底物水平磷酸化

氧化磷酸化（主要）底物通過氧化引起分子內(nèi)部能量重新分布，形成的高能磷酸化合物直接將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP，使之磷酸化生成ATPNADH或FADH2將電子傳遞給分子氧的過程與ADP的磷酸化偶聯(lián)，使電子傳遞過程中釋放的能量用于ATP的生成

光合磷酸化7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式底物水平磷酸化7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式氧化磷酸化（線粒體內(nèi)膜）7.2

生物氧化的特點(diǎn)和方式光合磷酸化

（葉綠體的類囊體）7.3

線粒體生物氧化體系線粒體的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)呼吸鏈氧化磷酸化線粒體外NADH的氧化7.3

線粒體生物氧化體系線粒體的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)

雙層膜結(jié)構(gòu)外膜光滑，內(nèi)膜折疊成嵴，伸向基質(zhì)內(nèi)外膜之間為膜間腔7.3

線粒體生物氧化體系

外膜對(duì)大多數(shù)小分子物質(zhì)和離子可通透內(nèi)膜須依賴膜上的特殊載體選擇性地運(yùn)載物質(zhì)進(jìn)出基質(zhì)中含有全部與有機(jī)酸氧化分解有關(guān)的酶內(nèi)膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈，是線粒體功能的主要承擔(dān)者內(nèi)膜上的ATP合成酶利用電子傳遞過程釋放的能量合成ATP，完成線粒體的供能作用7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈

NADH呼吸鏈（主要）

FADH2呼吸鏈概念類型由一系列的遞氫體和遞電子體按一定的順序排列所組成的連續(xù)反應(yīng)體系，它將代謝物脫下的成對(duì)氫原子交給氧生成水，同時(shí)有ATP生成本質(zhì)是酶、輔酶、輔基或輔因子煙腺胺腺嘌呤二核苷酸或CoI，是許多不需氧脫氫酶的輔酶，煙酰胺基團(tuán)的可逆性還原而遞氫，接受代謝物上脫下的氫，生成NADH，是雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系

NAD+

黃素蛋白（FP）

鐵硫蛋白輔酶Q

細(xì)胞色素呼吸鏈的組成NAD+代謝物氧化產(chǎn)物

水溶性

與酶蛋白可逆結(jié)合

往返于基質(zhì)和內(nèi)膜含有兩種輔基，一種為黃素單核苷酸（FMN），另一種為黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。在FAD、FMN分子上可以進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)，是雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系黃素蛋白（FP）分子中常含2或4個(gè)Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個(gè)對(duì)酸不穩(wěn)定硫，其中一個(gè)Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個(gè)不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉(zhuǎn)移到泛醌上7.3

線粒體生物氧化體系鐵硫蛋白Fe-4S2Fe-2S4Fe-4S+1e-1e屬醌類，脂溶性，可在內(nèi)膜的脂雙層中自由擴(kuò)散。它通過醌/酚結(jié)構(gòu)互變進(jìn)行電子傳遞，每次傳遞兩個(gè)電子和兩個(gè)質(zhì)子，在呼吸鏈中作為雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系輔酶Q（CoQ）唯一的非蛋白組分是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)，屬單電子傳遞體，通過輔基中的鐵離子價(jià)的可逆變化進(jìn)行電子傳遞7.3

線粒體生物氧化體系細(xì)胞色素

+eFe3+Fe2+

－e+eCu2+Cu+

－e

Cyta（Cytaa3）——末端氧化酶

CytbCytc（Cytc、Cytc1）Cytc：外周蛋白，其輔基血紅素與酶蛋白共價(jià)連接7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈組分在線粒體內(nèi)膜上的分布四種具有傳遞電子功能的復(fù)合物和兩種可移動(dòng)的電子傳遞體CoQ和Cytc

復(fù)合物I：NADH-CoQ還原酶，催化NADH氧化，CoQ還原復(fù)合物II：琥珀酸-CoQ還原酶，催化琥珀酸氧化，CoQ還原

復(fù)合物III：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶，催化CoQH2氧化，Cytc還原

復(fù)合物IV：細(xì)胞色素氧化酶，催化Cytc氧化，O2還原7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側(cè)，正極）基質(zhì)（N側(cè)，負(fù)極）NADH脫氫酶（復(fù)合物I）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔基質(zhì)3-磷酸甘油3-磷酸甘油脫氫酶琥珀酸

脂酰CoA

脂酰CoA脫氫酶琥珀酸脫氫酶

（復(fù)合物II）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側(cè)）基質(zhì)（N側(cè)）細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合物III）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側(cè)）基質(zhì)（N側(cè)）2CuACuBHemeaHemea3細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合物IV）7.3

線粒體生物氧化體系NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈的電子傳遞順序7.3

線粒體生物氧化體系電子流動(dòng)方向呼吸鏈中電子傳遞時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氧還電位的升高7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈的電子傳遞抑制劑魚藤酮、安密妥、殺蝶素A抗霉素A氰化物、CO、H2S、疊氮化合物7.3

線粒體生物氧化體系氧化磷酸化伴隨著代謝物脫氫及氫和電子在呼吸鏈上傳遞最后交給氧生成水的氧化途徑，所釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程氧化磷酸化的磷氧比（P/O）呼吸過程中無機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)新的測定結(jié)果NADH：2.5FADH2：1.57.3

線粒體生物氧化體系氧化磷酸化的機(jī)理呼吸鏈中電子傳遞體在內(nèi)膜上有著特定的不對(duì)稱分布，氫和電子的傳遞體交替排列，使氫和電子交替?zhèn)鬟f，從而使H+發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，即從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)向外側(cè)轉(zhuǎn)移。氧化和磷酸化之間通過H+的電化學(xué)梯度偶聯(lián)起來。H+的電化學(xué)梯度是質(zhì)子返回膜內(nèi)的勢(shì)能，稱為質(zhì)子移動(dòng)力，是ADP磷酸化形成ATP的動(dòng)力。ADP+Pi

+

{H+}膜外

→

ATP

+

H2O

+

{H+}膜內(nèi)

化學(xué)偶聯(lián)假說

構(gòu)象偶聯(lián)假說

化學(xué)滲透偶聯(lián)假說電子的傳遞相當(dāng)于是質(zhì)子泵7.3

線粒體生物氧化體系化學(xué)滲透偶聯(lián)假說化學(xué)勢(shì)

內(nèi)堿外酸質(zhì)子回流驅(qū)動(dòng)ATP合成電動(dòng)勢(shì)

內(nèi)負(fù)外正ATP合成酶7.3

線粒體生物氧化體系A(chǔ)TP合酶復(fù)合體F1F0鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上的許多小的球狀顆粒，是合成ATP的多酶復(fù)合物，稱

ATP合成酶，或稱F0-F1

ATP酶，是氧化磷酸化的

重要偶聯(lián)因子它由兩個(gè)主要部分F0和F1再加柄連接構(gòu)成。F1即偶聯(lián)因子，呈球形，通過一個(gè)柄（由蛋白質(zhì)組成）接到包埋在線粒體內(nèi)膜的柄底F0上ATP的生成量7.3

線粒體生物氧化體系輔助因子輔助因子輔助因子輔助因子FMN→Fe-SFAD→Fe-SFe-S，血紅素血紅素，Cu離子7.3

線粒體生物氧化體系10H+

/6H+

（一對(duì)電子泵出的質(zhì)子數(shù)）4H+（合成一分子ATP消耗的質(zhì)子數(shù)）NADHFADH2ATP＝3個(gè)H+通過ATP合酶驅(qū)動(dòng)ADP的磷酸化，1個(gè)H+用于轉(zhuǎn)移ATPNADH：2.5FADH2：1.5氧化磷酸化的偶聯(lián)部位7.3

線粒體生物氧化體系偶聯(lián)部位7.3

線粒體生物氧化體系影響氧化磷酸化的因素甲狀腺激素能促進(jìn)線粒體的氧化磷酸化，增加ATP的形成

激素的調(diào)節(jié)

ATP/ADP比值的影響抑制劑的作用主要受細(xì)胞對(duì)能量需求的調(diào)節(jié)：ATP多時(shí)，ATP的生成受抑制；ADP多時(shí)，ATP的合成加快

呼吸鏈抑制劑——阻斷電子傳遞而抑制氧化磷酸化

解偶聯(lián)