理學(xué)生物氧化與氧化磷酸化課件

第一節(jié)生物氧化概述

（biologicaloxidation）一、生物氧化的概念1、概念：有機(jī)物在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量的過程，又稱“細(xì)胞呼吸”。第1頁/共79頁2、生物氧化的內(nèi)容主要包括三方面：

CO2如何形成？

H2O如何形成？能量如何產(chǎn)生？第2頁/共79頁CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧第3頁/共79頁CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第4頁/共79頁H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN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H2O

。第5頁/共79頁CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶1\2

O2電子傳遞鏈

H2OO2-2H+NAD+2e例：第6頁/共79頁

當(dāng)有機(jī)物被氧化成CO2和H2O時(shí)，釋放的能量怎樣轉(zhuǎn)化成ATP—能量如何產(chǎn)生？底物水平磷酸化氧化磷酸化ATP生成的產(chǎn)生第7頁/共79頁二、生物氧化的特點(diǎn)生物氧化和有機(jī)物在體外氧化（燃燒）的實(shí)質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣，都生成CO2和H2O，所釋放的能量也相同。但二者進(jìn)行的方式和歷程卻不同。第8頁/共79頁生物氧化體外燃燒細(xì)胞內(nèi)溫和條件（常溫、常壓、中性pH、水溶液）高溫或高壓、干燥條件一系列酶促反應(yīng)無機(jī)催化劑逐步氧化放能，能量利用率高能量爆發(fā)釋放釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用轉(zhuǎn)換為光和熱，散失生物氧化和體外氧化比較第9頁/共79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

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）

中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán)氧化釋放出大量能量，其中一部分儲(chǔ)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(gè)階段CoAO2ATPADP+Pi2CO2StageⅠStageⅡStageⅢ丙酮酸第10頁/共79頁三、生物氧化方式（Oxidativeandreductivereaction）脫氫

COOHCOOHOC

CO+2HCH3CH3脫電子

Fe2+Fe3++e加氧

RH+O2+2H+ROH+H2O上述反應(yīng)總是氧化與還原反應(yīng)偶聯(lián)；需酶（需氧脫氫酶、不需氧脫氫酶、加氧酶等）催化。HH第11頁/共79頁四、

高能化合物高能化合物：一般將水解時(shí)能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（

G

’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。第12頁/共79頁在高能化合物分子中，活潑共價(jià)鍵被水解斷裂時(shí)釋放大量自由能，這種化學(xué)鍵稱為髙能鍵。常用符號～表示。

ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。第13頁/共79頁

1、磷氧鍵型（-O-P)(1)?；姿峄衔?-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾（一）

高能化合物的類型第14頁/共79頁(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸?；佘账岚滨；佘账岬?5頁/共79頁（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）7.3千卡/摩爾焦磷酸第16頁/共79頁（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾第17頁/共79頁2、氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。第18頁/共79頁3、硫酯鍵型3’-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基輔酶A第19頁/共79頁4、甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第20頁/共79頁（二）

ATP的特殊的作用1、是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)的化學(xué)偶聯(lián)劑。2、在磷酸基轉(zhuǎn)移中的作用

。例如：已糖激酶催化：G+ATP→G-6-P+ADP。甘油激酶：甘油+ATP→3-磷酸甘油+ADP。第21頁/共79頁第二節(jié)

電子傳遞體系—呼吸鏈第22頁/共79頁電子傳遞鏈概念：在生物氧化過程中，代謝物上脫下的氫經(jīng)過一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和和電子傳遞體的傳遞，最后傳遞給分子氧并生成水，這種電子傳遞體系稱為電子傳遞鏈（ETS）。由于消耗氧，故也叫呼吸鏈。第23頁/共79頁電子傳遞鏈在原核生物存在于質(zhì)膜上，在真核細(xì)胞存在于線粒體內(nèi)膜上。第24頁/共79頁一、線粒體呼吸鏈的組成第25頁/共79頁呼吸鏈的組成1.煙酰胺脫氫酶類（NAD+）2.黃素蛋白酶類3.鐵-硫蛋白類4.輔酶Ｑ（CoQ）5.細(xì)胞色素類NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）第26頁/共79頁1、煙酰胺脫氫酶類

（nicotinamidedehydrogenases）

特點(diǎn)：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機(jī)理:

NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第27頁/共79頁2、黃素蛋白酶類

（flavoproteins，F(xiàn)P）

特點(diǎn)：

以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白。FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2遞氫機(jī)理：第28頁/共79頁類別：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）第29頁/共79頁3、鐵硫蛋白類

（iron-sulfurproteins）

+e

傳遞電子機(jī)理：Fe3+Fe2+

-e

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Fe-S中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第30頁/共79頁鐵硫蛋白第31頁/共79頁4、CoQ

（ubiquinone）

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(dòng)。

+2H

傳遞氫機(jī)理：CoQCoQH2

－2H第32頁/共79頁第33頁/共79頁5、細(xì)胞色素特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。

第34頁/共79頁類別:

根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，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35頁/共79頁細(xì)胞色素傳遞電子機(jī)理：

+e+e

Fe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

第36頁/共79頁細(xì)胞色素c氧化酶第37頁/共79頁二、呼吸鏈的電子傳遞順序呼吸鏈的各組分在線粒體內(nèi)膜上是按一定順序排列的，在線粒體內(nèi)膜上主要有兩條呼吸鏈：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈第38頁/共79頁1、NADH呼吸鏈MH2還原型代謝底物M氧化型代謝底物NAD+NADH+H+CoQH2CoQFeSH2O12O2O2-2H+FMNFMNH22Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c-c1-aa3第39頁/共79頁2、FADH2呼吸鏈琥珀酸延胡索酸FADFADH2FeSCoQH2CoQ2Fe2+2Fe3+

細(xì)胞色素b-c1-c-aa312O2O2-2H+H2O第40頁/共79頁電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-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C還原酶琥珀酸-輔酶Q還原酶第41頁/共79頁電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-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42頁/共79頁ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能

第三節(jié)

氧化磷酸化在生物氧化中，代謝物脫氫產(chǎn)生的NADH+H+化經(jīng)呼吸鏈氧化生成水時(shí)，所釋放的自由能用于ADP磷酸化形成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化作用。

進(jìn)行部位：線粒體內(nèi)膜（原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)行）第43頁/共79頁生物細(xì)胞內(nèi)，由ADP磷酸化形成ATP的方式有三種，分別是氧化磷酸化、底物水平磷酸化和光合磷酸化第44頁/共79頁底物水平磷酸化：底物氧化形成高能磷酸基因直接轉(zhuǎn)移給ADP偶聯(lián)生成ATP的過程。光合磷酸化：光合過程中伴隨ADP偶聯(lián)生成ATP的過程。第45頁/共79頁電子在呼吸鏈中按順序逐步傳遞同時(shí)釋放自由能，其中釋放自由能較多足以用來形成ATP的電子傳遞部位稱為偶聯(lián)部位（couplingsite）。一、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位與磷氧比（P/O）第46頁/共79頁實(shí)驗(yàn)證明，呼吸鏈四個(gè)復(fù)合物中，復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ是偶聯(lián)部位，復(fù)合物Ⅱ不是偶聯(lián)部位。第47頁/共79頁電子傳遞鏈偶聯(lián)部位

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIIADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP因此，NADH經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)生3ATP；FADH2產(chǎn)生2ATP。第48頁/共79頁磷氧比（P/O

）

呼吸過程中無機(jī)磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）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(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi

，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ATP分子數(shù)。第49頁/共79頁例實(shí)測得NADH呼吸鏈：P/O~3H2OADP+PiATPO2122e-ADP+PiATPADP+PiATPNADH第50頁/共79頁實(shí)測得FADH2呼吸鏈：P/O~2FADH2O212H2O2e-ADP+PiATPADP+PiATP第51頁/共79頁二、氧化磷酸化的機(jī)理

氧化磷酸化的全過程至今也沒有完全搞清楚。偶聯(lián)機(jī)理目前有三種假說:(1)化學(xué)偶聯(lián)假說:認(rèn)為電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng),而形成一個(gè)高能共價(jià)中間物,這個(gè)中間物在電子傳遞中形成,隨后又裂解將其能量供給ATP的形成。

沒發(fā)現(xiàn)這種中間物！第52頁/共79頁(2)構(gòu)象偶聯(lián)假說:

認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜上某種蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，當(dāng)此構(gòu)象再復(fù)原時(shí),釋放能量促使ATP的生成。也沒有試驗(yàn)證據(jù)！第53頁/共79頁(3)化學(xué)滲透假說:目前普遍接受，稱為學(xué)說。第54頁/共79頁三、化學(xué)滲透假說的內(nèi)容化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：

1、呼吸鏈中電子傳遞體有序地定位于完整的線粒體內(nèi)膜上，使氧化還原反應(yīng)定向進(jìn)行。

第55頁/共79頁2、氫和電子在呼吸鏈中交替?zhèn)鬟f，使質(zhì)子（H+)定向從線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。第56頁/共79頁3、由于質(zhì)子（H+

）的定向轉(zhuǎn)移，而質(zhì)子又不能自由返回膜內(nèi)（膜對H+是不通透的），因此形成了線粒體膜兩側(cè)的跨膜質(zhì)子梯度

(

pH)（膜內(nèi)濃度低，膜外濃度高）和電位梯度（

）（膜內(nèi)帶負(fù)電，膜外帶正電）。第57頁/共79頁4、內(nèi)膜上嵌有FoF1-ATP酶,它有特殊的質(zhì)子通道，當(dāng)膜外側(cè)的H+經(jīng)此道流回基質(zhì)時(shí)FoF1-ATP酶則利用電化學(xué)勢能釋放的自由能驅(qū)動(dòng)ADP和Pi合成ATP。第58頁/共79頁ATP合酶復(fù)合體：含有5種不同的亞基（按3

、3

、1

、1

和1

的比例結(jié)合）。F0為一個(gè)疏水蛋白，是膜外質(zhì)子返回膜內(nèi)的通道，F(xiàn)1是催化ADP和Pi合成ATP的部位。第59頁/共79頁化學(xué)滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+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60頁/共79頁四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑（一）解偶聯(lián)劑和解偶聯(lián)作用

某些化合物能使電子傳遞過程和ATP形成過程相分離，電子傳遞仍可進(jìn)行，但不能形成ATP。這類化合物稱為解偶聯(lián)劑。這種作用稱為解偶聯(lián)作用。第61頁/共79頁分為三類：1、化學(xué)解偶聯(lián)劑：如2，4-二硝基苯酚2、離子載體：一類能與K+、Na+等陽離子結(jié)合的抗菌素。如纈氨霉素。3、解偶聯(lián)蛋白。第62頁/共79頁（二）氧化磷酸化抑制劑：

抑制O2的利用和ATP的形成。不同于電子傳遞抑制劑，也不同于解偶聯(lián)劑，它主要是指直接作用于ATP合酶復(fù)合體而抑制ATP合成的一類化合物。如寡霉素。第63頁/共79頁四、線粒體穿梭系統(tǒng)穿梭作用：不能跨膜運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)通過轉(zhuǎn)化為可跨膜物質(zhì)進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)淖饔?。如NADH就不能穿過線粒體內(nèi)膜。第64頁/共79頁

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)第65頁/共79頁磷酸甘油穿梭線粒體基質(zhì)（襯質(zhì)）磷酸二羥丙酮FADH2CoQbc1caa3O2線粒體內(nèi)膜細(xì)胞液膜內(nèi)空間外膜線粒體磷酸二羥丙酮NADH+H+3-磷酸甘油NAD+胞液3-磷酸甘油脫氫酶3-磷酸甘油FAD內(nèi)膜3-磷酸甘油脫氫酶第66頁/共79頁胞液中的NADH在酶的催化下，以3-磷酸甘油作為還原當(dāng)量（2H+，即2e-）的載體穿梭往返于胞液和線粒體之間，間接轉(zhuǎn)變?yōu)榫€粒體內(nèi)膜上的FADH2而進(jìn)入呼吸鏈，這種過程稱為磷酸甘油穿梭（glycerol-3-phosphateshuttle）。因此胞液NADH經(jīng)過呼吸鏈氧化，P/O比為2，生成2ATP。第67頁/共79頁蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體蘋果酸草酰乙酸NADH+H+線粒體基質(zhì)蘋果酸NAD+蘋果酸脫氫酶

-酮戊二酸天冬氨酸ⅣⅠⅡⅢ草酰乙酸NAD+NADH+H+蘋果酸脫氫酶谷氨酸谷草轉(zhuǎn)氨酶天冬氨酸

-酮戊二酸谷氨酸谷草轉(zhuǎn)氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)載體）呼吸鏈第68頁/共79頁胞液中的NADH在酶的催化下，以蘋果酸作為還原當(dāng)量（2H+，即2e-）的載體穿梭往返于胞液和線粒體之間，間接轉(zhuǎn)變?yōu)榫€粒體襯質(zhì)中的NADH進(jìn)入呼吸鏈，這種過程稱為蘋果酸穿梭（malateshuttle）。