生物化学chapter5.ppt

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1、第五章 生 物 氧 化 （Biological Oxidation）,本章重点及难点 重点：掌握什么是生物氧化，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式，以及受抑制的部位；掌握氧化磷酸化的部位，氧化磷酸化的作用机理 ，了解其他末端氧化酶系统。 难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理 。,第一节 概述 第二节 线粒体氧化体系 第三节 非线粒体氧化体系,第一节 概 述,1、生物氧化的概念,生物氧化（Biological Oxidation） 物质在生物体内氧化分解的过程称为生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等有机物在生物体内分解

2、时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。 生物氧化的主要生理意义是为生物体提供能量。,2、 生物氧化的过程,乳酸脱氢酶,3、生物氧化的特点,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子 （2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。,相同点:,不同点:,体内氧化 体外氧化,（1）反应条件： 温和 剧烈 （2）反应过程： 分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放 氧化的同时有还原 水是供氧体 碳和氢的氧化不同步 （3）产物生成： 间接生成 直接生成 （4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能,4、生物氧化的方式, 脱氢反应：（生物氧化以脱氢为主）, 直接脱氢. 例如：, 加水脱氢. 例

3、如：,NAD, 加氧反应：, 失电子（e）反应,例如：,例如： 细胞色素中铁的氧化,从底物分子上脱去电子。,5、 生物氧化中CO2的生成方式,CO2的生成并不是有机物的碳原子与吸入的氧直接化合的结果； 糖、脂肪、蛋白质等在体内的代谢过程中会产生许多不同的有机酸，有机酸中的羧基（COOH）的形成不是碳与分子氧的直接结合； COOH中的氧来自水分子中，通过加氢、加水、脱氢进入有机物分子形成有机酸。有机酸脱羧产生CO2 ； 它是所有生物组织中产生CO2的最根本方式。,在有机酸脱羧反应中，根据脱去的羧基在有机酸中的位置不同，分为脱羧和脱羧两种类型。每种类型又根据脱羧反应的同时是否伴有氧化反应，又分为单

4、纯脱羧和氧化脱羧。,1. 单纯脱羧,2. 氧化脱羧,（一）脱羧反应,6、H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O-,2H+,（1）生物能和ATP ATP是生物能存在的主要形式； ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式； 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。,7、生物能及其存在形式,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,ATP的作用,在生命活动中，直接用来做功（ 化学功、渗透 功物质跨膜的主动运输、机械功）；

5、ATP是生物系统能量交换中心和桥梁； 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心； ATP是能量的流通货币。,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物电,热能-体温,光能-生物发光,荧火虫,体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。 如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。,核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP,高能键： 含有容易断裂的“活泼键

6、”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。,（2）高能化合物,定义： 指含有高能键，在标准条件下（pH=7，25，1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。,类型： 根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。 必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物，也并非不含磷酸基团的就不是高能化合物。,高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为 P。 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物。,1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等； 2）磷氮键型：如磷酸肌酸等； 3）硫酯键型：如脂酰CoA等； 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸

7、。,B. 可根据分子结构的特点和所含高能键的特 征进行分类。,磷氧键型（OP),酰基磷酸化合物,1,3-磷酸甘油酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,焦磷酸化合物,ATP,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,磷氮键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,具有代表性的高能化合物与低能化合物,第二节 线粒体氧化体系,根据是否产生能量，将生

8、物氧化分为： 线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系 线粒体氧化体系：真核发生在线粒体内膜上，原核 发生在内质网膜上。 非线粒体氧化体系：都发生在内质网膜上。,一、呼吸链 (Respiratory Chain) 1、呼吸链的概念 2、呼吸链的组成 3、呼吸链的排列顺序,1、呼吸链的定义： 一系列酶和辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，可以将代谢物脱下的氢（He）逐步传递给氧生成水同时释放能量，由于此过程与细胞摄取氧的呼吸过程有关，所以这一传递链称为呼吸链。根据代谢物上脱下氢的受体不同分NADH呼吸链和FADH2呼吸链。,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FM

9、NH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,2、呼吸链的组成,四个蛋白复合体：复合体I IV 两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和 细胞色素C,（1）复合体（NADH一泛醌还原酶）：该复合体由NADH脱氢酶和铁硫离子组成，将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。 （2）复合体（琥珀酸一泛醌还原酶）：该复合体由琥珀酸脱氢酶和铁硫离子组成，将电子从琥珀酸经 FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。 （3）复合体（泛醌一细胞色素C还原酶）：该复合体由细胞色素b和C1及特殊的铁硫离子组成，将电子从泛醌经Cyt b、Cyt c1传给C

10、yt c。 （4）复合体（细胞色素C氧化酶）：该复合体由细胞色素a和a3组成，将电子从Cyt c经Cyt aa3传递给氧。,电子传递链中各中间体的顺序,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶,辅酶Q-细胞色素还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,Complex I: NADH enters at NADH dehydrogenase (also NADH:ubiquinone oxidoreductase or NADH-Q oxidoreductase).,(complex II) : succinate Dehydrogenase,FADH2 of

11、 flavoproteins also transfer their electrons to ubiquinone (Q), with no H+ pumped.,(Complex III) Cytochrome bc1 complex passes 2e- from 1 QH2 to 2 cytochrome c,e- transferring & H+ pumping in Complex III via the Q cycle (for each 2 e- transferred, 4H+ are released at the P side and 2H+ taken from th

12、e N side),III,III,III,The Q cycle,The Q cycle,1st QH2,2nd QH2,Qp,Qp,QN,QN,A switch between 2e- carrier (QH2) and 1e- carrier (Cyt c),Complex IV : Cytochrome c oxidase, the terminal enzyme of the respiratory chain, contains 3 Cu and 2 heme A groups as electron carriers,CuA-CuA,CuB,Heme a,Heme a3,CuA,

13、CuA,Copper center A,NADH：还原型辅酶I 它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子，故称铁硫中心。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。,铁硫蛋白,NADH泛醌还原酶 简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它 的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。 所以它既是一种脱氢酶

14、，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的 活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。 FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和 质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以 进一步将电子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2,简写为Q或辅酶-Q（CoQ），它是电子 传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种 脂溶性醌类化合物。,泛醌,简写为cyt. 是含铁的电子传递体，辅基为 铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构 成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c 和c1 等，组成它们的辅基分别

15、为血红素A、B和C。细 胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光 谱来鉴别。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起 传递电子的作用的。,细胞色素,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。,细胞色素c（cyt.c）,简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt. a和a3。,细胞色素c氧化酶,cyt.a和a3组成一个

16、复合体，除了含有铁卟啉外，还含有3个铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt, c还原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶将电子传递到O2。 琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。 琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原

17、。,琥珀酸-Q还原酶,3、呼吸链的排列顺序,物质的氧化还原电位越低，越容易失去电子， 传给氧化还原电位高的物质,接受还原性辅酶上的氢原字对 (2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对 顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子 (O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子 对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的 能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应， 生成ATP。,4、呼吸链的作用,二、氧化磷酸化 1、氧化磷酸化的概念 2、氧化磷酸化的偶联部位 3、氧化磷酸化的偶联机制,1、氧化磷酸化的概念,呼吸链传递H给氧生成水的过程，与ADP磷酸化生成ATP的过程相偶联发生称为氧化磷酸化，又称偶联磷酸化。根据生

18、物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。 氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式。,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。 电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,ATP产生的部位,2、氧化磷酸

19、化的偶联机理,化学偶联假说 1953年E.C.Slater提出 结构偶联假说 1964年P.D.Boyer提出 化学渗透假说 P.Mitchell 1961年提出 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,线粒体ATP酶,由F0和F1组成 F1：9个亚基组成，负责ATP的合成。 F0：由3个疏水亚基组成，是质子返回的通道。,证据:线粒体内膜的完整性和质子的不可通透性是氧化和磷酸化偶联的基础。,1.线粒体膜上的ATP合酶是受质子动力推动的酶，可

20、催化ATP水解放能，又可从质子动力获能，合成ATP。,ATP合成酶,2.H +泵分布在膜上：,NADH脱氢酶 细胞色素bc1复合体 细胞色素氧化酶 在与这三个复合体有关 的自由能变化足以将H + 泵出,从而形成膜基质 与膜间隙的H + 梯度。,化学渗透假说示意图,2H+,4H+,2H+,2H+,NADH+H+,4H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,ADP+Pi,Proten Flux,H2O H+,ATP酶作用机理,3、氧化磷酸化的偶联部位 P/O比值,每消耗1m

21、ol 氧原子，所消耗的无机磷摩尔数,一对电子通过呼吸链,P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数,生成ATP的个数,磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 3,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,2e-,2e-,根据化学渗透学说，计算P/O比,每对电子通过NADH-Q还原酶 4H+ 每对电子通过

22、细胞色素bc1 4H+ 每对电子通过细胞色素氧化酶 2H+ 10/4=2.5ATP(NADH链） 6/4=1.5ATPFADH2链）,4、影响氧化磷酸化的因素,（1） 呼吸链电子传递抑制剂 能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸链的某一环节，使呼吸链中断。因底物的氧化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。,（一）、生物氧化抑制剂,根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类： 能够抑制第一位点的有阿米妥（异戊巴比妥）、粉蝶霉素A、鱼藤酮等； 能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇

23、； 能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,鱼藤酮 杀粉蝶菌素（粉蝶霉素A） 阿米妥（异戊巴比妥）,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,（2）解偶联剂 不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是抑制由ADP+Pi生成ATP的磷酸化作用，使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化。即使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白、双香豆素、2，4-二硝基苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。 （3）氧化磷酸化抑制剂 直接作用于ATP合成酶复合体，对电子传

24、递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶结构模式图,（二）ADP、Pi与ATP的调节作用 负反馈调节。当ATP高时，ADP、AMP下降，氧化磷酸化速度减慢，NADH堆积，TCA循环速度减慢，ATP合成降低；当ATP低时，ADP、AMP升高，氧化磷酸化速度加快，TCA循环速度加快，ATP合成增加。 ADP/ATP是限制氧化磷酸化速度的因素。通过ATP浓度对氧化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制。,能 荷,定义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,第三节 非线粒体氧体系,自学为主,1、-磷酸甘油穿梭：,NADHH,NADH的转运机制：,2、 苹果酸天冬氨酸穿梭：,NADHH,3、ATP、ADP和Pi的转运：,问答题,1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体 外氧化异同。 2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？ 3、氰化物和一氧化碳为什么能引起窒息死亡？原理何在？ 名词解释 生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 呼吸链 磷氧比（PO） 能荷,