生物氧化與氧化磷酸化2PPT課件

1、目錄第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈電子傳遞鏈( (呼吸鏈呼吸鏈) )第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化第四節(jié)第四節(jié) 其他氧化酶系其他氧化酶系（自學(xué)）（自學(xué)）第1頁/共54頁第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述一、一、生物氧化的概念和特點(diǎn)生物氧化的概念和特點(diǎn)二、二、生物能學(xué)簡介生物能學(xué)簡介三、三、 高能化合物高能化合物第2頁/共54頁生物氧化的特點(diǎn)和方式生物氧化的特點(diǎn)和方式1 1、生物氧化的特點(diǎn)2 2、生物氧化過程中COCO2 2的生成和H H2 2O O的生成3 3、有機(jī)物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成COCO2

2、 2和H H2 2O O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biological oxidationbiological oxidation），其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。第3頁/共54頁生物氧化的特點(diǎn) 在活的細(xì)胞中（在活的細(xì)胞中（pHpH接近中性、體溫條件下），接近中性、體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如高能化合物（如ATPATP）

3、截獲，再供給機(jī)體所需。截獲，再供給機(jī)體所需。 在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利而傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。用。第4頁/共54頁生物氧化體外燃燒細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行有酶的參與無酶的參與體外進(jìn)行能量逐步釋放并轉(zhuǎn)化成ATP能量一次釋放轉(zhuǎn)換成光和熱生物氧化的特點(diǎn)（與燃燒的區(qū)別）： 第5頁/共54頁COCO2 2的生成 方式方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成COCO2 2。 類型類型：-

4、脫羧和脫羧和-脫羧脫羧 氧化脫羧和單純脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第6頁/共54頁H2O的生成 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（體（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等）所接受，再通過等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙

5、醇脫氫酶例：12 O2NAD+電子傳遞鏈 H2O2eO=2H+第7頁/共54頁脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi 小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等） 共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位 生物氧化的三個階段第8頁/共54頁二、生物能學(xué)簡介1 1、生物能的轉(zhuǎn)換2 2、自由能的概念及化學(xué)反應(yīng)自由能的計(jì)算第9頁/共54頁第10頁/共54頁自由能（free energyfree energy）的概念 定義式：

6、= =H-TSH-TS 物理意義：* * ( (體系中能對環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即： G0G0G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。第11頁/共54頁化學(xué)反應(yīng)自由能的計(jì)算 a.a.利用化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)計(jì)算 基本公式：G=GG=G+ RTlnQc + RTlnQc (Qc-(Qc-濃度商) ) GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq 例：計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化 b.b.利用標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E E ）計(jì)算（限于氧化還原反應(yīng)） 基本公式：GG=nFEnFE (E (E=E=E+ +-E-E- -) 例：計(jì)算NADHN

7、ADH氧化反應(yīng)的GG第12頁/共54頁計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化達(dá)平衡時 =Keq=19解：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19-1G=GG=G+ RTlnQc (+ RTlnQc (Qc-Qc-濃度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1log0.1 =-13.6 =-13.6KJ.mol-1未達(dá)平衡時 =Qc=0.1反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達(dá)到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，

8、求 G0 。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol.L， 求反應(yīng)的 G 是多少？例題：第13頁/共54頁例題：計(jì)算下面反應(yīng)式GGNADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+ +H+H2 2O O正極反應(yīng)：1/21/2O O2 2+2H+2H+ +2e+2e- - H H2 2O O E E+ + 0.820.82負(fù)極反應(yīng)： NADNAD+ +H+H+ +2e +2e NADHNADH E E- - -0.32 -0.32GG -nFE-nFE -2-296403964030.82-(-0.32)0.82-(-0.32) -220 KJ-220 KJmol

9、mol-1-1 第14頁/共54頁三、高能化合物1 1、高能化合物的類型 2 2、ATPATP的特點(diǎn)及其特殊作用 生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（2121千焦/ /摩爾）的化合物稱為高能化合物。第15頁/共54頁高能化合物類型第16頁/共54頁ATPATP的特點(diǎn) 在pH=7pH=7環(huán)境中，ATPATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4 4個負(fù)電荷的離子形式（ATPATP4-4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（GG=-30.5=-30.5千焦/ /摩爾）。腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- +

10、H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1第17頁/共54頁ATPATP的特殊作用 ATPATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨” ATPATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體PPPPATPP02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸 （磷酸基團(tuán)儲備物） 6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第18頁/共54頁第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞鏈電子傳遞鏈( (呼吸鏈呼吸鏈) ) 一、線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、電子傳遞呼吸鏈的概念三、呼吸鏈的組成四、機(jī)體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化五、

11、電子傳遞抑制劑第19頁/共54頁線粒體結(jié)構(gòu)第20頁/共54頁線粒體呼吸鏈 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的生的NADHNADH和和FADHFADH2 2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給傳遞給O O2 2生成生成H H2 2O O。這種由載體組這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈電子傳遞鏈（eclctron transfer chain),eclctron transfer chain),因

12、因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)，為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為亦稱為呼吸鏈呼吸鏈。第21頁/共54頁呼吸鏈的組成1.1.煙酰胺脫氫酶類2. 2. 黃素蛋白酶類3. 3. 鐵- -硫蛋白類4 4. . 輔酶（ubiquinone,ubiquinone,亦寫作CoQCoQ）5 5. . 細(xì)胞色素類（cytochromes）NADH輔 酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黃素蛋白（F AD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）原核細(xì)胞存在于質(zhì)膜上真核細(xì)胞存在于線粒體的內(nèi)膜上 第22頁/共54頁煙酰胺脫氫酶類 特點(diǎn)特點(diǎn)：以

13、：以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +為輔酶，存在于線為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機(jī)理傳遞氫機(jī)理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +第23頁/共54頁黃素蛋白酶類 特點(diǎn)特點(diǎn)： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類別類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機(jī)理：遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第24頁/共54頁鐵硫蛋白 +e 傳遞電子機(jī)理傳遞電子

14、機(jī)理：Fe3+ Fe2+ -e 特點(diǎn)特點(diǎn)：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第25頁/共54頁CoQ 特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。 +2H 傳遞氫機(jī)理：CoQ CoQH2 2H第26頁/共54頁細(xì)胞色素 傳遞電子機(jī)理傳遞電子機(jī)理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特點(diǎn)特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1

15、、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。第27頁/共54頁典型的呼吸鏈 FAD呼吸鏈NADH呼吸鏈第28頁/共54頁NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代 謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H

16、+H2O延胡索酸第29頁/共54頁第30頁/共54頁呼吸鏈各復(fù)合體在線粒體內(nèi)膜中的位置第31頁/共54頁電子傳遞中有四個復(fù)合體參與(P179)：NADH脫氫酶（復(fù)合體I）琥珀酸脫氫酶（復(fù)合體 ）細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合體 III ）細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體）第32頁/共54頁電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合物 I復(fù)合物 IIINADH脫氫酶輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶琥珀酸-輔酶Q還原酶第33頁/共54頁呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADH第34

17、頁/共54頁電電子子傳傳遞遞 抑抑制制劑劑NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合物 I復(fù)合物 III魚藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO第35頁/共54頁第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化一、 氧化磷酸化氧化磷酸化和和磷氧比（磷氧比（P/O）的概念的概念二、二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理三、三、 線粒體外線粒體外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用四、四、能荷能荷 第36頁/共54頁氧化磷酸化 代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATPATP）, ,這種氧化

18、放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別類別： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化過程中釋放出的自由能第37頁/共54頁磷氧比（ P/O ）呼吸過程中無機(jī)磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（O O2 2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATPATP消耗一分子P Pi i ，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATPATP分子數(shù)。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2

19、O OH H2 2O O例 實(shí)測得NADHNADH呼吸鏈： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP實(shí)測得FADHFADH2 2呼吸鏈： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP第38頁/共54頁二、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理1 1、化學(xué)滲透假說2 2、氧化磷酸化的抑制 解偶聯(lián)劑和離子載體抑制劑 氧化磷酸化抑制劑第39頁/共54頁線粒體ATP酶第40頁/共54頁化學(xué)滲透假說示意圖化學(xué)滲透假說示意圖P1842H+2H+2H+2H+NAD

20、H+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 第41頁/共54頁2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外第42頁/共54頁化學(xué)滲透假說示意化學(xué)滲透假說示意圖圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-2e-2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜F0-F1寡霉素第43頁/共54頁三、三、

21、線粒體外線粒體外NADH的氧化磷酸化作的氧化磷酸化作用用 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸穿梭系統(tǒng)蘋果酸穿梭系統(tǒng) 酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化 （線粒體）第44頁/共54頁 -磷酸甘油穿梭（線粒體基質(zhì)）（線粒體基質(zhì)）磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+線粒體內(nèi)膜（細(xì)胞液）（細(xì)胞液）第45頁/共54頁蘋果酸穿梭系統(tǒng)細(xì)胞液細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸

22、蘋果酸蘋果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)蘋果酸脫氫酶NADH+H+蘋果酸脫氫酶谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）呼吸鏈第46頁/共54頁四、能四、能 荷荷定義式：能荷定義式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意義意義： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在的相對數(shù)量決定，數(shù)值在01之間，反映細(xì)胞能量水平。之間，反映細(xì)胞能量水平。 能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP 、 ADP和和AMP作為代謝中某些酶分作為代謝中某些酶分子的別子的別構(gòu)效應(yīng)物構(gòu)效應(yīng)物進(jìn)行進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié)來實(shí)來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)。能荷相對速率ATP的利用途徑 ATP的生成途徑能荷對ATP的生成途徑和ATP的利用