天津大學生物化學第九章課件

1、第九章第九章 生物氧化生物氧化1 1生物氧化生物氧化: :有機物質在生物體細胞內的氧化。有機物質在生物體細胞內的氧化。能源物質能源物質: :糖、脂肪、蛋白質。糖、脂肪、蛋白質。生物氧化主要討論的問題是：生物氧化主要討論的問題是：（1 1）細胞如何利用）細胞如何利用o o2 2將代謝物中的氫氧化成水。將代謝物中的氫氧化成水。 （2 2）代謝物中的碳如何在酶催化下生成）代謝物中的碳如何在酶催化下生成coco2 2。（3 3）有機物在氧化過程中如何產生能量。）有機物在氧化過程中如何產生能量。 第九章第九章 生物氧化生物氧化2 2 第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的特點生物氧化的特點第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化的一般

2、原理生物氧化的一般原理 第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用-atp-atp的生成的生成 第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化的特點生物氧化的特點1 1一、與非生物氧化或燃燒的化學本質相同一、與非生物氧化或燃燒的化學本質相同二、生物氧化的特點二、生物氧化的特點 三、生物氧化進行的場所三、生物氧化進行的場所 四、生物氧化的類型四、生物氧化的類型 五、生物氧化的方式五、生物氧化的方式 一、與非生物氧化或燃燒化學本質相同一、與非生物氧化或燃燒化學本質相同表現(xiàn)為：表現(xiàn)為：1.1.都是脫氧、失電子或與氧直都是脫氧、失電子或與氧直接化合的過程。接化合的過程。 2.2. 釋放出相等的能量。釋放出相等的能量。 二、生

3、物氧化的特點二、生物氧化的特點（1 1）場所：場所：在細胞內進行。在細胞內進行。（2 2）條件：條件：在體溫和近于中性在體溫和近于中性phph及有水的環(huán)及有水的環(huán)境中進行。境中進行。（3 3）催化劑：催化劑：在一系列酶、輔酶和某些傳在一系列酶、輔酶和某些傳遞體的作用下進行。遞體的作用下進行。（4 4）能量：能量：是逐步釋放的，氧化過程所釋放是逐步釋放的，氧化過程所釋放的能量通常先貯存在一些特殊的高能化合物的能量通常先貯存在一些特殊的高能化合物（如（如atpatp）中。）中。三、生物氧化進行的場所三、生物氧化進行的場所1 1參與生物氧化的各種酶類（如脫氫酶、電子傳參與生物氧化的各種酶類（如脫氫酶

4、、電子傳遞體系、偶聯(lián)磷酸化酶等）都分布在線粒體內膜遞體系、偶聯(lián)磷酸化酶等）都分布在線粒體內膜和嵴上。和嵴上。真核真核生物細生物細胞是在胞是在線粒體線粒體內進行。內進行。三、生物氧化進行的場所三、生物氧化進行的場所2 2原核生物細胞，是在細胞膜上進行原核生物細胞，是在細胞膜上進行四、生物氧化的類型四、生物氧化的類型1.1.一酶體系：一酶體系：不需傳遞體的生物氧化體系。不需傳遞體的生物氧化體系。（南大（南大p514p514圖圖13132 2）2.2.二酶及多媒體系：二酶及多媒體系：需要傳遞體的生物氧化需要傳遞體的生物氧化體系。（氧化呼吸鏈）體系。（氧化呼吸鏈） 五、生物氧化的方式五、生物氧化的方式

5、1 1脫氫：脫氫：包括失電子、加氧和脫氫反應。包括失電子、加氧和脫氫反應。2 2脫羧：脫羧：直接和氧化脫羧。直接和氧化脫羧。3 3生成水：生成水：代謝物被各種脫氫酶催化脫代謝物被各種脫氫酶催化脫氫，脫下的氫再經過一系列傳遞體的傳遞，氫，脫下的氫再經過一系列傳遞體的傳遞，最后與氧結合生成水?？梢?，生物氧化是最后與氧結合生成水?？梢?，生物氧化是需氧的過程。需氧的過程。1 1脫氫脫氫1 1( (失電子失電子) )fe2+ fe3+e +1 1脫氫脫氫2 2( (加加氧氧) )rc=o + o2 rc=o 12 h oh醛醛酸酸1 1脫氫脫氫3 3( (脫氫脫氫) )rc oh rc=o + hh醇醇

6、醛醛 h2h2 2脫羧脫羧1 1（-直接脫羧）直接脫羧）乙醛乙醛丙酮酸丙酮酸ch3 c cooh-酮酸脫羧酶酮酸脫羧酶 mgmg2+2+,tpp,tpphch3 c + co2oo2 2脫羧脫羧2 2（-直接脫羧）直接脫羧）丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸coohc=och2coohcooh草酰乙酸脫羧酶草酰乙酸脫羧酶coohc=o + co2ch3cooh2 2脫羧脫羧3 3（-氧化脫羧）氧化脫羧）丙酮酸丙酮酸ch3 c cooh coash nad+o輔酶輔酶a丙酮酸氧化丙酮酸氧化脫羧酶系脫羧酶系ch3 c scoa nadh h+ co2o乙酰輔酶乙酰輔酶a2 2脫羧脫羧4 4（-氧化脫羧）

7、氧化脫羧）蘋果酸蘋果酸coohchohch2coohcooh蘋果酸酶蘋果酸酶 nadp丙酮酸丙酮酸coohcoohc=o + co2 + nadph + h+ch33 3生成水生成水水是生物氧化的產物之一。水是生物氧化的產物之一。生成機制：代謝物被各種脫氫酶催化生成機制：代謝物被各種脫氫酶催化脫氫，脫下的氫再經過一系列傳遞體的脫氫，脫下的氫再經過一系列傳遞體的傳遞，最后與氧結合，生成水。傳遞，最后與氧結合，生成水。第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化的一般原理生物氧化的一般原理1 1呼吸鏈：代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落呼吸鏈：代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧后，

8、經一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，生成水的全部體系稱做呼吸鏈，也叫電子分子，生成水的全部體系稱做呼吸鏈，也叫電子傳遞體系或電子傳遞鏈。傳遞體系或電子傳遞鏈。傳遞體系有多種，有的是傳氫體，如脫氫輔酶傳遞體系有多種，有的是傳氫體，如脫氫輔酶i i（nadnad）、）、iiii（nadpnadp）、黃酶（）、黃酶（fadfad，fmnfmn）、輔）、輔酶酶q q等；有的是傳電子體如：細胞色素酶系等；有的是傳電子體如：細胞色素酶系b b、c c1 1、c c、aaaa3 3等。等。第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化的一般原理生物氧化的一般原理2 2一、呼吸鏈的類型一、呼吸鏈的類型二、呼吸鏈的組成二、呼吸

9、鏈的組成 三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序 一、呼吸鏈的類型一、呼吸鏈的類型目前普遍認為生物體有兩條典型的呼吸鏈：目前普遍認為生物體有兩條典型的呼吸鏈：1 1nadhnadh呼吸鏈呼吸鏈2 2fadhfadh2 2（二酶氧化體系）呼吸鏈（二酶氧化體系）呼吸鏈1 1nadhnadh呼吸鏈呼吸鏈1 1( (總）總）糖、脂肪、蛋白質三大物質分解代謝中的脫糖、脂肪、蛋白質三大物質分解代謝中的脫氫氧化反應，絕大部分是通過此鏈。氫氧化反應，絕大部分是通過此鏈。如：糖的氧化分解中有五次脫氫反應：如：糖的氧化分解中有五次脫氫反應： 3 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛11，3 3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸

10、 丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰c co oa a 異檸檬酸異檸檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰c co oa a 蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸1 1nadhnadh呼吸鏈呼吸鏈1 1( (圖示）圖示）nadhnadh氧化呼吸鏈的組成氧化呼吸鏈的組成2 2fadhfadh2 2呼吸鏈呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈（ fadhfadh2 2呼吸鏈）的組成呼吸鏈）的組成二、呼吸鏈的組成二、呼吸鏈的組成1 1( (總）總）1 1煙酰胺脫氫酶類煙酰胺脫氫酶類2 2黃素脫氫酶類黃素脫氫酶類3 3鐵硫蛋白類（鐵硫蛋白類（fe-sfe-s）4 4輔酶輔酶q q（c co oq q）5

11、5細胞色素細胞色素 目前已發(fā)現(xiàn)，構成呼吸鏈的成分有目前已發(fā)現(xiàn)，構成呼吸鏈的成分有2020多種，多種，一般可分五類：一般可分五類：1 1煙酰胺脫氫酶類煙酰胺脫氫酶類以以nadnad+ +或或nadpnadp+ +為輔酶為輔酶nadnad+ +或或nadpnadp+ +nadh+hnadh+h+ +或或nadph+hnadph+h+ +2 2黃素脫氫酶類黃素脫氫酶類 以以fmnfmn（黃素單核苷酸）（黃素單核苷酸）或或fadfad（黃素腺嘌呤二核苷（黃素腺嘌呤二核苷酸酸) )為輔基為輔基 fmn + 2e + 2h+ fmnh2 fad + 2e + 2h+ fadh23 3鐵硫蛋白類（鐵硫蛋白類

12、（fe-sfe-s）1 1鐵硫蛋白在線粒鐵硫蛋白在線粒體內膜上往往和體內膜上往往和其他遞氫體或電其他遞氫體或電子傳遞體（如黃子傳遞體（如黃素酶或細胞色素）素酶或細胞色素）結合成復合物而結合成復合物而存在。復合物內存在。復合物內的鐵硫蛋白稱為的鐵硫蛋白稱為鐵硫中心。鐵硫中心。3 3鐵硫蛋白類（鐵硫蛋白類（fe-sfe-s）2 2 當鐵硫蛋白還原后，其中的三價鐵變成二價鐵。當鐵硫蛋白還原后，其中的三價鐵變成二價鐵。有人認為，兩個鐵原子中，只有一個被還原，故有人認為，兩個鐵原子中，只有一個被還原，故鐵硫蛋白可能是一種單電子傳遞體。鐵硫蛋白可能是一種單電子傳遞體。 4 4輔酶輔酶q q（c co oq

13、 q） 是一種脂是一種脂溶性的醌類化溶性的醌類化合物，其分子合物，其分子中的苯醌結構中的苯醌結構能可逆地加氫能可逆地加氫還原而形成對還原而形成對苯二酚衍生物，苯二酚衍生物，故屬于遞氫體。故屬于遞氫體。 5 5細胞色素細胞色素1 1 是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質，在是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質，在呼吸鏈中，也是依靠鐵的化合價的變化來呼吸鏈中，也是依靠鐵的化合價的變化來傳遞電子。目前發(fā)現(xiàn)的細胞色素有多種，傳遞電子。目前發(fā)現(xiàn)的細胞色素有多種，包括包括aaaa3 3、b b、c c、c c1 1。不同種類的細胞色素。不同種類的細胞色素的輔基結構及與蛋白質連接的方式是不同的輔基結構及與蛋白質連接的方式是

14、不同的。的。 5 5細胞色素細胞色素2 25 5細胞色素細胞色素3 3三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序1 1（1 1）1 1從從nadnad到分子氧，每個電子傳遞體的到分子氧，每個電子傳遞體的氧化還原電勢逐漸增加，實驗得氧化氧化還原電勢逐漸增加，實驗得氧化還原電勢變化為：氧化還原電位（還原電勢變化為：氧化還原電位（e e0 0）值越低，則該物質丟失電子的傾向越大，值越低，則該物質丟失電子的傾向越大，愈易成為還原劑，而在呼吸鏈的前面。愈易成為還原劑，而在呼吸鏈的前面。 （一）呼吸鏈中傳遞體順序確定的依據（一）呼吸鏈中傳遞體順序確定的依據不同種類的細胞色素在典型的線粒體呼吸不同種類

15、的細胞色素在典型的線粒體呼吸鏈中其順序是：鏈中其順序是： nadhfmncoq b c1 c aa3 o2eo 0.32 0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816fad 0.18 p3adp p p3atp三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序1 1（1 1）三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序2 22 2用分離出的電子傳遞體進行重組實驗。用分離出的電子傳遞體進行重組實驗。nadhnadh可以使可以使nadhnadh脫氫酶還原，但不能直接脫氫酶還原，但不能直接使細胞色素使細胞色素b b、c c 或或aa3aa3還原。同樣，還原還原

16、。同樣，還原型型nadhnadh脫氫酶不能直接與細胞色素脫氫酶不能直接與細胞色素c c作用，作用，必須經過必須經過c co oq q和細胞色素和細胞色素c c1 1后，才能再細后，才能再細胞色素胞色素c c起作用。起作用。三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序3 33.3.在分離呼吸鏈的各成分中，從線粒體在分離呼吸鏈的各成分中，從線粒體中分離到傳遞體的復合物，這些復合物中分離到傳遞體的復合物，這些復合物在傳遞功能上都是有順序地聯(lián)在一起。在傳遞功能上都是有順序地聯(lián)在一起。如復合物細胞色素如復合物細胞色素b b、c c和一個鐵硫蛋和一個鐵硫蛋白等。白等。復合物各成分的相關性，說明了呼吸鏈

17、復合物各成分的相關性，說明了呼吸鏈各成分的順序性。各成分的順序性。三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序4 4（1 1）4.4.最直接的是用分光光度法通過吸收光譜的最直接的是用分光光度法通過吸收光譜的變化測定完整線粒體中呼吸鏈的各個電子傳變化測定完整線粒體中呼吸鏈的各個電子傳遞體的氧化還原狀態(tài)。遞體的氧化還原狀態(tài)。結果表明：在呼吸鏈的結果表明：在呼吸鏈的nadnad一端，電子傳一端，電子傳遞體的還原性最強。而在靠近氧一端，電子遞體的還原性最強。而在靠近氧一端，電子傳遞體（細胞色素傳遞體（細胞色素aaaa3 3）幾乎全部處于氧化狀）幾乎全部處于氧化狀態(tài)。在呼吸鏈中間的電子傳遞體，按照從

18、底態(tài)。在呼吸鏈中間的電子傳遞體，按照從底物到氧的方向，氧化程度逐漸升高，這說明物到氧的方向，氧化程度逐漸升高，這說明電子是沿著底物到氧的方向傳遞。電子是沿著底物到氧的方向傳遞。 三、呼吸鏈中傳遞體的順序三、呼吸鏈中傳遞體的順序4 4（2 2） nadhfmncoq b c1 c aa3 o2eo 0.32 0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816fad 0.18（二）呼吸鏈的順序（二）呼吸鏈的順序第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用1 1在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的稱為氧在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的稱為氧化磷酸化作用?；姿峄饔?。氧化磷

19、酸化作用是需氧細胞生命活動的基礎，氧化磷酸化作用是需氧細胞生命活動的基礎，是主要的能量來源，現(xiàn)已證明線粒體內膜是能是主要的能量來源，現(xiàn)已證明線粒體內膜是能量傳遞系統(tǒng)的重要部位。量傳遞系統(tǒng)的重要部位。氧化磷酸化作用是將生物氧化中釋放出的自氧化磷酸化作用是將生物氧化中釋放出的自由能轉移而使由能轉移而使adpadp生成生成atpatp的作用。的作用。第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用2 2氧化磷酸化的全過程為：氧化磷酸化的全過程為：nadh + h+ + 3adp + 3pinad+ + 4 h2o + 3atp +o212第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（1 1） atpa

20、tp為為主要主要的高的高能化能化合物合物第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（2 2）含高能鍵的化合物有多種含高能鍵的化合物有多種- -焦磷酸化合物焦磷酸化合物o-poo-o poo-o-焦磷酸焦磷酸adp（二磷酸腺苷）（二磷酸腺苷）第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（3 3）含高能鍵的化合物有多種含高能鍵的化合物有多種- -烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物opoocoohcoch2磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（pep）第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（4 4）含高能鍵的化合物有多種含高能鍵的化合物有多種- -胍基磷酸化合物胍基磷酸化合物opoo

21、nhcnhnch3ch2coohopoonhcnhnch3ch2ch2ch2chcoohnh2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用3 3（5 5）3 -磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酰硫酸磷酰硫酸rcoscoa?；o酶?；o酶a含高能鍵的化合物有多種含高能鍵的化合物有多種- -高能硫酯鍵化合物高能硫酯鍵化合物第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用4 4（總（總）一、一、atpatp的生成的生成二、氧化磷酸化的作用機制二、氧化磷酸化的作用機制 一、一、atpatp的生成的生成1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2 2電子傳遞體系磷酸化（呼吸鏈磷酸化）電子傳

22、遞體系磷酸化（呼吸鏈磷酸化） 1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化1 1底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產物，通過酶的作用可使酸化合物的中間產物，通過酶的作用可使adpadp生成生成atpatp。底物磷酸化形成高能化合物，其能量來源底物磷酸化形成高能化合物，其能量來源于伴隨著底物的脫氫，分子內部能量的重新于伴隨著底物的脫氫，分子內部能量的重新分布。底物磷酸化和氧的存在與否無關。分布。底物磷酸化和氧的存在與否無關。 1 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化2 21 1底物水平磷酸化底物水平磷酸化3 32 2電子傳遞體系磷酸化電子傳遞體系磷酸化1 1當

23、電子從當電子從nadhnadh或或fadhfadh2 2經過電子傳遞體系（呼經過電子傳遞體系（呼吸鏈）傳遞給氧形成水時，同時伴有吸鏈）傳遞給氧形成水時，同時伴有adpadp磷酸磷酸化為化為atpatp，這一全過程稱電子傳遞體系磷酸化。，這一全過程稱電子傳遞體系磷酸化。它是生成它是生成atpatp的一種主要方式，是生物體內能的一種主要方式，是生物體內能量轉移的主要環(huán)節(jié)。根據實驗證明量轉移的主要環(huán)節(jié)。根據實驗證明, ,從從nadhnadh到到分子氧的呼吸鏈中，有三處能使氧化還原過程分子氧的呼吸鏈中，有三處能使氧化還原過程釋放的能量轉化為釋放的能量轉化為atpatp，這三處也即是傳遞鏈，這三處也即是

24、傳遞鏈上可被特異性抑制劑切斷的地方。上可被特異性抑制劑切斷的地方。2 2電子傳遞體系磷酸化電子傳遞體系磷酸化2 2nadhnadh呼吸鏈生成呼吸鏈生成atpatp的三個部位是：的三個部位是：+0.8+0.6+0.4+0.2- 0.0-0.2-0.401020304050nadhfadfmncoqbc1aa3o2cnadfmnhcoqcytbcytc1cytaa3代謝物代謝物2 2h hadp+piadp+piadp+piadp+piadp+piadp+pio2atpatpatpatpatpatpe ogo/kcal2 2電子傳遞體系磷酸化電子傳遞體系磷酸化3 3研究氧化磷酸化最常用的方法是測定

25、線粒體的研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體的p/0p/0比值和電化學實驗。比值和電化學實驗。p/0p/0比值指每消耗一摩爾氧所消耗無機磷酸的摩比值指每消耗一摩爾氧所消耗無機磷酸的摩爾數。實驗測得爾數。實驗測得nadhnadh呼吸鏈的呼吸鏈的p/0p/0值是值是3 3，即每消，即每消耗一摩爾氧原子就可形成耗一摩爾氧原子就可形成3 3摩爾摩爾atpatp。fadhfadh2 2呼吸呼吸鏈的鏈的p/0p/0值是值是2 2，即可形成，即可形成2 2摩爾摩爾atpatp。從理論推算：。從理論推算：g g0 0(自由能自由能) )的變化，也與的變化，也與p/0p/0比值一致。比值一致。2 2電子傳遞體系磷酸化電子傳遞體系磷酸化4 4作用物作用物呼吸鏈組成呼吸鏈組成p/o比值比值生成生成atp數數-羥丁酸羥丁酸琥珀酸琥珀酸抗壞血酸抗壞血酸細胞色素細胞色素c cnad+fmn coq cyt o2fad coq