生物氧化與能量轉(zhuǎn)換

1、關(guān)于生物氧化和能量轉(zhuǎn)換第一張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月生物氧化（biological oxidation）：細(xì)胞內(nèi)的糖、脂肪和蛋白質(zhì)進(jìn)行氧化分解而生成CO2 和H2O，并釋放能量的過程。又稱為細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸、組織呼吸。一、生物氧化的基本概念第一節(jié) 生物氧化概述CO2 如何形成? 直接脫羧、氧化脫羧H2O 如何形成? 脫氫酶、氧化酶、傳遞體能量如何形成?第二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月糖原 甘油三酯 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP CO2 2H TCA 生物氧化的一般過程第三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6

2、月（1）生物氧化是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的；（2）生物氧化是在溫和條件下進(jìn)行的；（3）生物氧化所產(chǎn)生的能量是逐步釋放的；（4）生物氧化所產(chǎn)生的能量首先轉(zhuǎn)移到一些特殊的高能化合物中。二、生物氧化的特點(diǎn)（與體外燃燒相比）第四張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 直接脫羧作用（direct decarboxylation）-直接脫羧：如氨基酸脫羧-直接脫羧：如草酰乙酸脫羧三、生物氧化中CO2的生成第五張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 氧化脫羧作用（oxidative decarboxylation ）-氧化脫羧：如異檸檬酸的氧化脫羧-氧化脫羧：如丙酮酸的氧化脫羧第六張，PPT共六十頁，創(chuàng)作

3、于2022年6月1. 底物脫水四、生物氧化過程中H2O的生成第七張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月在生物氧化中，水是代謝物上脫下的氫與生物體吸進(jìn)的O2化合生成的。代謝物上的氫需要在脫氫酶的作用下才能脫下；吸入的O2要通過氧化酶的作用才能轉(zhuǎn)化為高活性的氧。在此過程中，還需要有一系列傳遞體才能把氫傳遞給氧，生成水。 生物氧化過程中水的生成2. 由呼吸鏈生成水第八張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月五、自由能和氧化還原電位1878年，Josiah Willard Gibbs提出關(guān)于自由能的公式。G為在恒壓和恒溫下發(fā)生變化的體系的自由能的變化。反應(yīng)的自由能變化（G）是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的重要標(biāo)

4、準(zhǔn)。 自由能：一個化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是指能用于做功的能量。 G0，反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行； G = 0，體系處于平衡，不能發(fā)生凈變化； G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需要輸入自由能以推動這樣的反應(yīng)。第九張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 氧化還原反應(yīng)：凡有電子從一種物質(zhì)（還原劑）轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)（氧化劑）的化學(xué)反應(yīng) 氧化還原電勢（位）：在氧化還原體系中，丟失或獲得電子趨勢的大小。 電子總是從低的氧化還原電位向高的氧化還原電位流動。第十張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月自由能變化和氧化還原電位的關(guān)系：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，電子從氧化還原電位低的流向電位高的傾向是自由能降低的結(jié)果。電子總是向反

5、應(yīng)系統(tǒng)自由能降低的方向移動。第十一張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 化學(xué)上的高能鍵：指形成一個鍵需要釋放較多的能量或打開一個鍵需要消耗較多的能量，是指穩(wěn)定的鍵。六、高能化合物 一般將水解（或基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)）時能釋放出大量的自由能（20.92kJ/mol）的化學(xué)鍵稱為高能鍵， 用符號“”表示。 含有高能鍵的化合物就稱為高能化合物（high-energy or energy-rich compound）。 含磷酸基團(tuán)的這類化合物叫高能磷酸化合物（High-energy phosphate compound）。在這些高能磷酸化合物中的酸酐鍵，能釋放大量自由能。 ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能

6、磷酸化合物。第十二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月高能鍵型1. 磷氧鍵型（OP)2. 磷氮鍵型（NP)3. 硫碳鍵型（CS)根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把它們分成以下幾種類型：第十三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 1. 磷氧鍵型（- OP）（1）?；姿峄衔?,3 - 二磷酸甘油酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸第十四張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸第十五張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）焦磷酸化合物焦磷酸第十六張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 磷氮鍵型（-NP）磷酸肌酸磷酸精氨酸這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存

7、能量的作用第十七張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 硫碳鍵型（- CS）?；o酶AS-腺苷甲硫氨酸硫酯鍵型甲硫鍵型第十八張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月ATP分子中含有兩個高能的不穩(wěn)定的酸酐鍵（A-PPP），均可以水解供能。ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。 ATP作為能量傳遞的中間載體，有“通用貨幣”之稱。ATP是能夠被生物細(xì)胞直接利用的能量形式，是能量的攜帶者和傳遞者，但不是能量的儲存物質(zhì)。ATPATP（三磷酸腺苷）第十九張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 表 各種磷酸化合物的水解自由能 磷酸化合物 水解自由能 G（k

8、J/moL）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.91,3-二磷酸甘油酸-49.3磷酸肌酸（CP）-43.1乙酰磷酸-42.3乙酰CoA-32.2ATP（ADP + Pi）-30.51-磷酸葡萄糖（G-1-P）-20.96-磷酸葡萄糖（G-6-P）-13.83-磷酸甘油-9.2ATP在能量交換中的作用如同能量“貨幣”，是一種可以流通的能量物質(zhì)：即可從能量較高的化合物獲得能量，也可較容易地向能量較低的化合物傳遞能量。第二十張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 在細(xì)胞內(nèi)如磷酸肌酸（脊椎動物肌肉、腦和神經(jīng)組織）和磷酸精氨酸（無脊椎動物肌肉中）才是真正的能量儲存物質(zhì)。 以高能磷酸形式貯能的物質(zhì)統(tǒng)稱為磷

9、酸原（phosphagen）。 當(dāng)機(jī)體消耗ATP過多致使ADP增多時，磷酸肌酸可將其高能鍵轉(zhuǎn)給ADP生成ATP，以供生理活動之用。磷酸原第二十一張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 線粒體及其內(nèi)部氧化體系 線粒體 線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈第二十二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月一、線粒體 線粒體有雙層膜結(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?；|(zhì)中含有全部三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸氧化作用酶系等；內(nèi)膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈；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。第二十三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月呼吸鏈（respi

10、ratory chain）：在生物氧化過程中，從代謝物上脫下的氫由一系列傳遞體依次傳遞，最后與氧形成水的整個體系稱為呼吸鏈。由于在傳遞過程中，在很多部位氫原子實(shí)際上以質(zhì)子形式進(jìn)入線粒體基質(zhì)，僅發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此呼吸鏈又稱為電子傳遞鏈（electron-transport chain） 。（一）電子傳遞鏈的基本概念原核細(xì)胞 質(zhì)膜真核細(xì)胞 線粒體內(nèi)膜二、線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈第二十四張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶以FMN或FAD為輔基的脫氫酶鐵硫蛋白（鐵硫中心）泛醌（CoQ）細(xì)胞色素（ Cyta 、Cytb、Cytc）（二）電子傳遞鏈的基本組成嵌于線

11、粒體內(nèi)膜上第二十五張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月以NAD+為輔酶的脫氫酶催化代謝物脫氫，脫下的氫由輔酶NAD+（CoI）接受，轉(zhuǎn)化為NADH+H+即可參與組成呼吸鏈而進(jìn)行電子傳遞。 NAD+和NADH結(jié)構(gòu)示意圖1. 以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶第二十六張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月以NADP+為輔酶的脫氫酶催化代謝物脫氫生成的NADPH，大多數(shù)存在于線粒體外，主要作為還原能用于物質(zhì)的合成代謝。線粒體內(nèi)生成的少量NADPH，可在轉(zhuǎn)氫酶催化下生成NADH，再進(jìn)入呼吸鏈被氧化。第二十七張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月以FMN（黃素單核苷酸）或FAD（黃素腺嘌呤二核

12、苷酸）為輔基的脫氫酶，稱為黃素酶類。此類酶催化代謝物脫下2H并分別加到FMN或FAD上，從而生成FMNH2或FADH2。2. 以FMN或FAD為輔基的脫氫酶第二十八張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 鐵硫蛋白（鐵硫中心）是一類金屬蛋白質(zhì)，在生物氧化中起傳遞電子的作用。分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫。根據(jù)所含鐵原子的數(shù)目不同，可將鐵硫蛋白分為2Fe-2S、4Fe-4S。利用鐵的化合價的改變來傳遞電子。第二十九張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 泛醌泛醌（輔酶Q，CoQ，Q）是游離存在于線粒體內(nèi)膜中的脂溶性有機(jī)化合物，由多個異戊二烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈，氧化還原反應(yīng)時可

13、在醌型與氫醌型之間相互轉(zhuǎn)變，因此是遞氫體。第三十張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 細(xì)胞色素（cytochrome，Cyt）其傳遞電子的方式如下： 這是一類以血紅素（鐵卟啉）為輔基的 電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱，因其有顏色又普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，故稱為細(xì)胞色素。細(xì)胞色素為單電子傳遞體。第三十一張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu) 細(xì)胞色素根據(jù)其鐵卟啉輔基的結(jié)構(gòu)以及吸收光譜的不同而分類。第三十二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月在已知的細(xì)胞色素中，只有Cyt a3可以直接以氧分子為電子和質(zhì)子受體，它是催化氫和氧結(jié)合生成水的氧化酶。但Cyt a3常與Cyt a結(jié)合在一

14、起，不能分開，故統(tǒng)稱該復(fù)合物Cyt aa3為細(xì)胞色素氧化酶。由于它處于電子傳遞連的最末端，故又稱為末端氧化酶（terminal oxidase）。它不僅含有血紅素鐵，還含有兩個銅原子，也能進(jìn)行電子傳遞。第三十三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月NADH氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈（FADH2呼吸鏈）（三）電子傳遞鏈及其各組分的排列順序在有線粒體的生物中，電子傳遞鏈有兩條：第三十四張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月各復(fù)合物之間的相互關(guān)系 在NADH氧化呼吸鏈及琥珀酸氧化呼吸鏈中，除NADH、CoQ和細(xì)胞色素C外，其余組分形成嵌入內(nèi)膜的結(jié)

15、構(gòu)化超分子復(fù)合體。第三十六張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. NADH氧化呼吸鏈?zhǔn)羌?xì)胞內(nèi)最主要的呼吸鏈，因?yàn)樯镅趸^程中絕大多數(shù)脫氫酶都是以NAD+為輔酶，當(dāng)這些酶催化代謝物脫氫后，脫下來的氫使NAD+轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH，后者通過這條呼吸鏈將氫最終傳給氧而生成水。第三十七張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 琥珀酸氧化呼吸鏈這個呼吸鏈由琥珀酸脫氫酶復(fù)合體、CoQ和細(xì)胞色素組成。琥珀酸氧化呼吸鏈的電子傳遞途徑如圖：第三十八張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月能夠阻斷呼吸鏈中某一特定部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞鏈抑制劑。（四）電子傳遞鏈的抑制電子傳遞鏈抑制劑作用點(diǎn)第三十九張，

16、PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 氧化磷酸化作用 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：指生物氧化過程中釋放出的自由能驅(qū)動ADP磷酸化形成ATP的過程。一、氧化磷酸化的概念及類型第四十張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 底物水平磷酸化：（不需O2） 在底物氧化過程中，形成某些高能中間產(chǎn)物或某種高能狀態(tài)，再通過酶的作用使其能量轉(zhuǎn)給ADP生成ATP的過程。 能量來源于底物分子中能量的重新分布與集中。 2. 電子傳遞鏈的磷酸化：（需O2） 電子從NADH或者FADH2經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞給分子氧時，將釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP的方式。 通常所說的氧

17、化磷酸化即指電子傳遞鏈磷酸化。氧化磷酸化類型第四十一張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月底物水平磷酸化見于下列三個反應(yīng)：第四十二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位磷氧比（P/O） 指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧時所產(chǎn)生的ATP的分子數(shù)。一對電子從NADH傳遞到氧的途徑中產(chǎn)生了23分子的ATP，即P/O 2。表明呼吸鏈中有3個不連續(xù)的ATP形成部位。而當(dāng)一對電子從FADH2傳遞到氧時，其P/O1。P/O不一定是整數(shù)。第四十三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上合成ATP的酶系是一個復(fù)合物，稱為ATP合成酶或稱Fo F1 - ATP酶。它由兩

18、個主要部分Fo和F1再加柄連接而構(gòu)成。F1即偶聯(lián)因子，呈球形，通過一個柄（由蛋白質(zhì)組成）接到包埋在線粒體內(nèi)膜的柄底F0上，故又稱三聯(lián)體。（一）ATP合成酶三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理頭部：F1，含、五種亞基， 亞基催化ADP和Pi發(fā)生磷酸化，生成ATP?；撞浚篎o，具有質(zhì)子通道的作用，傳送質(zhì)子通過膜到達(dá)F1的催化部位。柄部：連接F1和Fo，控制質(zhì)子的流動，從而控制ATP的生成速度。含有寡霉素敏感性蛋白。第四十四張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理三種假說：化學(xué)偶聯(lián)假說 高能共價中間產(chǎn)物構(gòu)象偶聯(lián)假說 高能構(gòu)象中間產(chǎn)物化學(xué)滲透假說 1961，P.Mitchell 第四十

19、五張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 1. 化學(xué)偶聯(lián)假說（1953年） chemical coupling hypothesis 認(rèn)為電子傳遞反應(yīng)釋放的能量通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成高能共價中間物，最后將其能量轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。第四十六張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964） conformational coupling hypothesis 認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。 第四十七張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月線粒體內(nèi)膜的完整性和質(zhì)子

20、的不可通透性是氧化和磷酸化偶聯(lián)的基礎(chǔ)。質(zhì)子泵：借助電子傳遞產(chǎn)生的自由能將H+從基質(zhì)泵入膜間隙。3. 化學(xué)滲透學(xué)說（Chemiosmotic hypothesis）該學(xué)說認(rèn)為呼吸鏈上的電子在傳遞過程中產(chǎn)生的能量驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。這種電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子驅(qū)動力，驅(qū)使H+返回線粒體基質(zhì)。H+通過內(nèi)膜上專一的質(zhì)子通道（Fo）返回。這樣，驅(qū)使H+返回基質(zhì)的質(zhì)子驅(qū)動力為ATP的合成提供了能量。第四十八張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月NADH呼吸鏈完全氧化：（4+4+2）/ 4 = 2.5個ATPFADH2呼吸鏈完全氧化：（4+2）/ 4

21、 = 1.5個ATP第四十九張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 解偶聯(lián)劑2. 氧化磷酸化抑制劑3. 離子載體抑制劑四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑第五十張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 解偶聯(lián)劑機(jī)理: 使電子傳遞和ATP的生成的兩個過程分離。只抑制ATP的形成，而不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮芏⑹А?2,4 - 二硝基苯酚（DNP），中性環(huán)境以解離形式存在，不能透過線粒體膜；酸性環(huán)境下形成脂溶性的非解離形式，易于透過線粒體膜，并將一個質(zhì)子帶入膜內(nèi)基質(zhì)中，破壞了電子傳遞形成的跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，抑制了ATP的合成。DNP作用機(jī)理圖第五十一張，PPT

22、共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 氧化磷酸化抑制劑機(jī)理：抑制氧化磷酸化（抑制ATP的形成），不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。寡霉素第五十二張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 離子載體抑制劑機(jī)理：為脂溶性物質(zhì)，與某些離子結(jié)合并作為離子載體（除H+以外的一價陽離子）使這些離子能夠穿過膜，從而破壞膜兩側(cè)的電位梯度，最終破壞氧化磷酸化。纈氨霉素：結(jié)合K+短桿菌肽：結(jié)合K+ 、Na+及其他一價陽離子第五十三張，PPT共六十頁，創(chuàng)作于2022年6月真核細(xì)胞的線粒體是合成ATP的主要場所，而細(xì)胞很多利用ATP代謝過程主要是在細(xì)胞質(zhì)中。通過什么機(jī)制將合成的ATP進(jìn)行跨線粒體內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)哪?？通過線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體負(fù)責(zé)這種雙向運(yùn)輸，稱為AD