02第02章生物氧化10.ppt

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1、生物氧化,(Biological oxidation),生物化学,1/92,第二章 生物氧化（biological oxidation）,第二节 线粒体氧化体系,第三节 ATP的生成（P340）,第四节 线粒体外NADH2的氧化（P326）,第一节 概 论,2/92,第一节 概 论,二、生物氧化所讨论的问题,三、生物氧化中CO2生成方式,四、生物氧化中物质氧化的方式,五、生物氧化的特点,六、氧化-还原电势（电位）,七、参与生物氧化的酶类和电子载体,一、概念,3/92,一、概念,生物氧化是有机物在生物体内氧化分解 为二氧化碳和水并释放能量的过程。 实际是需氧细胞呼吸作用中一系列氧化还原反应，因表

2、现为细胞内O2 的消耗和CO2的形成，故又称组织呼吸、细胞呼吸（cellular respiration） 。,4/92,二、生物氧化所讨论的问题,1、细胞如何在酶的催化下将代谢物分子中的 C 转变成 CO2？ 2、细胞如何利用 O2 将代谢物分子中的 H 氧化成 H2O ？ 3、当有机物被氧化时，细胞如何贮存和利用氧化所产生的能量？,5/92,三、生物氧化中CO2生成方式,基本方式： 底物脱羧基作用,-脱羧 （羧基位置） -脱羧,分类:,单纯脱羧 （不伴随脱氢）,氧化脱羧 （伴随脱氢）,6/92,（1）单纯脱羧,（2）单纯脱羧,- 酮酸脱羧酶,1. 单纯脱羧基作用（不伴随脱氢）,7/92,2

3、. 氧化脱羧作用（伴随脱氢）,（1）氧化脱羧,（2） 氧化脱羧,8/92,四、生物氧化中物质氧化的方式,生物体内氧化作用主要有三种方式：,1.失电子 如： Fe2+Fe3+e,2.脱氢 如： 醇氧化为醛,3.加氧 如： 醛氧化为酸（加水脱氢反应）,*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的释放和转移,9/92,五、生物氧化的特点,在活细胞内的水溶液中进行 体温条件（370C、pH7） 在一系列酶的催化下分步进行，能量逐步释放（加水脱氢方式使生物体能获取更多的能量 ） 氧化过程中产生的能量主要贮藏在ATP中,在学习生物氧化之前，有必要复习氧化还原电势的概念,10/92,六、氧化-还原电势（电位）,（

4、一）概念：,一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为氧化还原电势(电位),生物氧化中包括许多氧化-还原反应：,在生物氧化反应中，通常用氧化还原电位来相对地表示各种化合物对电子亲合力的大小。,11/92,六、氧化-还原电势,在标准条件(25,常压,氧化型/还原型:1mol)下,每一个氧化还原对都有一个标准氧化还原电势(E0)； 生物体氧化还原反应的标准条件:pH=7,故用E0表示,此时氢电极 E0= - 0.421 (王镜岩P.117 表24-1),电对的标准电势负值越大，得电子越难，倾向于失掉电子；相反，正值越大，得电子越易,12/92,六、氧化-还原电势（电位）,（二）标准电势与自由能的关

5、系：,E0 ；氧化还原体系中两个半反应的氧化还原 电位差： E0正极 - E0负极（失去电子倾向高）,G0 = -nE0 F,（三）标准电势与平衡常数的关系：,G0= -2.303 RT lgKeq = -nE0 F,13/92,七、参与生物氧化的酶类和电子载体,2.氧化酶：如细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等,3.加氧酶：如单加氧酶 、加双氧酶,4.传递体,递氢体（hydrogen carrier）,主要有黄素蛋白传递体及辅酶Q（CoQ）,递电子体（electron carrier），,主要有多种细胞色素及铁硫蛋白,1.脱氢酶,14/92,脱氢酶（dehydrogenase）,根据所含辅因子的

6、不同，可将脱氢酶分为两类：,以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶,以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶,15/92,第二节 线粒体氧化体系,三、呼吸链的组成,二、线粒体内的两条重要呼吸链,四、呼吸链中各组分的排列次序,一、呼吸链的概念,16/92,生物氧化中最重要的体系是线粒体氧化体系。 此外，还有微粒体氧化体系，过氧化氢体氧化酶体系，多酚氧化酶体系，抗坏血酸氧化酶体系等。,一、 呼吸链的概念,respiratory chain：由一系列递氢体和递电子体以及相应的酶系统按一定顺序排列在线粒体内膜上构成的一条长链（生物氧化还原链或称为电子传递链），因与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称呼吸链。,17/92,二、线粒

7、体内的两条重要呼吸链（分类：NADH 呼吸链和 FADH2 呼吸链),18/92,21/92,呼吸链的概念,电子从NADH或FADH2到O2的传递所经过的途径，称为电子传递链，或称呼吸链。它是由一系列递氢体和递电子体以及相应的酶系统按一定顺序排列在线粒体内膜上的一条长链。主要由蛋白质复合体组成，大致分为四部分，即：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶。,23/92,三、呼吸链的组成P329,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。,1. 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,2. NADH-Q还原酶（复合体1）,3. 铁硫蛋白,4. 辅酶Q,5. 细胞色素还原

8、酶（复合体3）,6. 细胞色素氧化酶（复合体4）,7. 琥珀酸-Q还原酶复合物（复合体2）,24/92,1. 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,(尼克酰胺核苷酸类),NAD+ 和NADP+的结构,NAD+：R=H NADP+：R=PO32-,功能：将底物上的氢 激活并脱下。 辅酶：NAD+或NADP+,25/92,尼克酰胺核苷酸的作用原理：,2H,26/92,2. NADH-Q还原酶（复合物）,NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN 和铁-硫聚簇（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 以 FMN 或 FAD 为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。 FM

9、N通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。 FMN FMNH2,27/92,NADH-Q 还原酶先与 NADH 结合并将NADH 上的两个氢转移到 FMN 辅基上，电子再经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。,28/92,辅酶FMN传递电子的过程：,29/92,复合物的结构与电子传递过程,30/92,NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：,M,SH2,NAD+,NADH2,FMN,FMNH2,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2H+,2H+,NADH-Q还原酶,泵到线粒体内膜外侧,31/92,

10、以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,H+,铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以 (Fe- 0S ) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇 与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,3. 铁硫蛋白,32/92,铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将电子从FMNH2上脱下传给CoQ，每次传递一个电子.,33/92,是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子

11、的传递体。,4. 辅酶Q,（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶),如： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等,5. 细胞色素还原酶,（细胞色素bc1复合体、复合体）,含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。 细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,cytbc1,35/92,2H+,细胞色素（cytochrome,cyt）,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基

12、都是铁-原卟啉，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。,36/92,QH2将电子传给cytbc1,38/92,细胞色素bc1复合物（复合物）,细胞色素c,在复合体III和之间传递电子。（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触） 是唯一能溶于水的细胞色素,40/92,6. 细胞色素氧化酶,（复合体、细胞色素c氧化酶）,由 cyta和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的F

13、e3+ Fe2+间循环，同时Cu2+ Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。 也叫末端氧化酶。,41/92,44/92,The electron path in complex IV,45/92,7. 琥珀酸-Q还原酶（复合体）,琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。,46/92,四、呼吸链中各组分的排列顺序P120,确定呼吸链中各递氢体或递电子体的排列顺序的实验方法有多种,1.测定各

14、种电子传递体的标准氧化还原电位（E0），依还原电位大小排列：,2.用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验,4.利用光谱变化观察线粒体各传递体氧化顺序,3.利用呼吸链的特殊阻断抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。,48/92,1.测定各种电子传递体的标准氧化还原电位（E0），依还原电位大小排列, E0越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。 当电子从E0 值小的物质传到E0值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出: G0= nFE0 = nF （E0受体 E0 供体） 其中：n 是转移的电子数，F 是法拉第常数。,49/92,50

15、/92,2. 用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验,51/92,2. 用分离出的电子传递体进行呼吸链复合物体外重组实验,51/92,52/92,3. 利用呼吸链的特殊阻断抑制剂，阻断链中某些特定的电子传递环节。,凡能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂。,53/92,鱼藤酮、安密妥、粉蝶霉素A,CN-、-N3、CO,抗霉素A,呼吸链抑制剂作用位点,鱼藤酮、安密妥：抑制NADH到辅酶Q的电子传递 ； 抗霉素A：抑制细胞色素b到c1之间的电子传递; 氰化物、叠氮化物、一氧化碳：抑制细胞色素aa3到氧的电子传递。,54/92,4. 用分光光度法测得各个传递体发生吸

16、收光谱的变化,完整的线粒体当电子传递体处于氧化态时，悬浮液浑浊，光吸收不能直接测出；但当之处于还原态时，即可以氧化态为对照测出。游离的线粒体在有氧下进行电子传递时，NADH一端还原性最强，而靠近氧一端电子传递体几乎处于氧化态，由此判断电子的流向。当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次cytC, cytC1,cytb, 最后是NADH。,55/92,第三节、ATP的生成（P340）,一、氧化磷酸化的概念,二、ATP的生成方式,三、氧化磷酸化的作用机制,六、呼吸链的加强、抑制和解偶联,四、磷氧比值,五、ATP生成的结构基础,57/92,生物体内物质氧化产生能

17、量与 ADP劫获能量进行磷酸化产生ATP的过程相偶联的作用称为氧化磷酸化作用。,一、氧化磷酸化的概念,58/92,二、 ATP的生成方式,1. 氧化磷酸化（电子传递体磷酸化）,2. 底物水平磷酸化,59/92,1. 氧化磷酸化,定义：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。,呼 吸 链,能,氧化,磷酸化,偶 联,H2O,60/92,氧化磷酸化,呼吸链,线粒体,胞液,61/92,确定氧化磷酸化偶联部位 （ATP生成部位）的实验方法,1）P/O比值测定：一对电子通过呼吸链传递至O2所产生

18、的ATP分子数。,经过几种不同底物在离体线粒体实验中测得：,琥珀酸 P/O = 1.7 苹果酸P/O = 3.0,由此确定NADH呼吸链中有三个偶联部位：,NADH-CoQ Cytb - Cytc Cytaa3 - O2,而琥珀酸呼吸链中只有二个偶联部位：,Cytb - Cytc Cytaa3 - O2,62/92,2） 电位变化测定,琥珀酸（ FAD- Fe.S）,NADHFMN.Fe.SCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2 （-0.32 -0.12 +0.10 +0.04 +0.23 +0.25 +0.29 +0.8）, ,E0=0.33V E0=0.19V E0 =0.51V

19、,G0= - 63.7 = -36.7 = -98.4,(KJ/mol) (ATP-30.54 KJ/mol),63/92,+0.01 ？,氧化磷酸化偶联部位,64/92,2. 底物水平磷酸化,定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。,例如:,糖酵解过程,每次底物磷酸化产生一个ATP,65/92,糖酵解过程的底物磷酸化:,3-磷酸甘油酸,这是糖酵解 中第一次 底物水平 磷酸化反应,66/92,糖酵解过程的底物磷酸化:,丙酮酸激酶 (Mg2+

20、, K+ ),糖酵解中第二次底物 水平磷酸化反应,67/92,三、氧化磷酸化的作用机制,化学偶联假说（高能共价中间物？） 构象偶联假说（构象变化？） 化学渗透假说（1961年，英国Mitchell）,68/92,因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell,化学渗透假说的偶联机制,H+,H+,e,ADP +Pi,ATP,内外膜间隙,内膜,线粒体基质,电子传递给氧释出的能量推动质子泵,H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成 化学梯度（势能）,当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP,70/92,化学渗透学说,71/92

21、,质子驱动力,72/92,73/92,ATP转移酶：转移ATP至胞浆,75/92,化学渗透假说基本要点：,电子经呼吸链传递的同时，可将质子（H+）从内膜的基质面排到内膜外，而造成膜内外的电化学梯度。当H+离子顺梯度回流时释放出自由能，可使 ADP+Pi ATP。,77/92,化学渗透假说基本要点：,呼吸链中递氢体和递电子体是交替排列的，在内膜中都有特定的位置，催化的反应是定向的；,当递氢体从内膜内侧接受底物传来的H +后，可将其中的电子传给其后的递电子体，而将H+泵到内膜外侧，故具有 氢泵作用。,线粒体内膜不能让H+自由通过，H+泵出使内膜外侧H+ ，造成“跨膜化学电位差”。电化学梯度的形成可

22、看成能量的储存，是由电子传递时释放的能量所引起。因而当H+离子顺梯度回流（通过F0回流到基质）时释放出自由能，可使 ADP+Pi ATP。,78/92,四、磷氧比值,P/O值：是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗 无机磷的mol数。,实质：每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol数。,两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）： NADH呼吸链：3（2.5） FADH2呼吸链：2（1.5）,79/92,离体线粒体实验中测得一些底物的P/O值,底物,呼吸链的组成,生成ATP数,P/O值,80/92,五、ATP生成的结构基础,ATP合酶（三联体、三分子体、F0F1复合体）,头部 柄部 基底部,F1 ：具A

23、TP合酶活性，33,F0 ：质子通道，镶嵌于线粒体内膜ab2cn,81/92,82/92,The ATP synthase comprises a proton channel (Fo) and a ATPase (F1),FO的亚基,F1的 -亚基,83/92,The subunit passes through the center of the 33 hexamer and makes the nucleotide-binding sites in the subunits distinct from one another.,Unlike the tight and loose for

24、ms, the open form of the subunit can change conformation sufficiently to release bound nucleotides.,ATP Release From the subunit in the open form.,The rotation of the subunit interconverts the three subunits. The subunit in the T (tight) form, which contains newly synthesized ATP that cannot be rele

25、ased, is converted into the O (open) form. In this form, it can release ATP and then bind ADP and P to begin a new cycle.,Binding-Change Mechanism for ATP Synthase.,The 33 hexamer of ATP synthase is fixed to a surface, with the subunit projecting upward and linked to a fluorescently labeled actin fi

26、lament. The addition and subsequent hydrolysis of ATP result in the counterclockwise rotation of the subunit, which can be directly seen under a fluorescence microscope.,Direct Observation of ATP-Driven Rotation in ATP Synthase.,The c subunit consists of two helices that span the membrane. An aspart

27、ic acid residue in the second helix lies on the center of the membrane.,The structure of the a subunit has not yet been directly observed, but it appears to include two half-channels that allow protons to enter and pass partway(到中途)but not completely through the membrane.,A proton enters from the in

28、termembrane space into the cytosolic half-channel to neutralize the charge on an aspartate residue in a c subunit. With this charge neutralized, the c ring can rotate clockwise by one c subunit, moving an aspartic acid residue out of the membrane into the matrix half-channel. This proton can move in

29、to the matrix, resetting the system to its initial state.,Proton Motion Across the Membrane Drives Rotation of the C Ring,Each proton enters the cytosolic half-channel, follows a complete rotation of the c ring, and exits through the other half-channel into the matrix.,Proton Path Through the Membra

30、ne.,六.呼吸链的加强、抑制和解偶联,(1) ADP与ATP的调节作用,ADP/ATP： 抑制氧化磷酸化，ATP生成 ADP/ATP： 促进氧化磷酸化，ATP生成,H2O + NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,84/92,(2)氧化磷酸化抑制剂的作用, 呼吸链抑制剂,丙二酸,鱼藤酮 安密妥,抗霉素A,作用：阻断电子传递,D,85/92,86/92,磷酸化抑制剂 作用：抑制氧化磷酸化过程 举例：寡霉素,解偶联剂: 能够使氧化过程与磷酸化过程脱节的物质称解偶联剂，它对电子传递没有抑制作用，但能抑制ADP磷酸化生成ATP的过程。,作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节 举例：2，4-二硝基苯酚

31、、三氟甲氧苯腙羰基氰化物,87/92,三氟甲氧苯 腙羰基氰化物,第四节、线粒体外NADH2的氧化,（一）-磷酸甘油穿梭,（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭,（三）两种穿梭系统的比较,89/92,NAD+,NADH + H+,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,FADH2,FAD,胞液,线粒体 内膜,胞液中-磷酸甘油脱氢酶(辅酶为NAD+),线粒体内-磷酸甘油脱氢酶(辅基为FAD),某些肌肉、神经组织,（一）-磷酸甘油穿梭,存在部位：肝脏、心肌组织,内膜,谷氨 酸,-酮 戊二酸,草酰 乙酸,天冬 氨酸,苹果酸,NAD+,NADH +H+,呼吸链,苹果酸,谷氨 酸,草酰 乙酸,NAD+,NADH +H+,-酮 戊二酸,天冬 氨酸,胞液,线粒体,苹果酸脱氢酶 天冬氨酸氨基转移酶,返回,（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭,91/92,（三）两种穿梭系统的比较,-磷酸甘油穿梭,苹果酸-天冬氨酸穿梭,穿梭物质,-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮,苹果酸、 谷氨酸 天冬氨酸、-酮戊二酸,进入线粒 体后转变 成的物质,FADH2,NADH+ H+,进入呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,NADH 氧化呼吸链,生成ATP数,2.5,存在组织,某些肌肉、神经组织,肝脏和心肌组织,相同点,将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内,1.5,92/92,