《基础生物化学》PPT课件.ppt

,维持生命活动的能量有两个来源： 光能：光合作用（自养生物） 化学能：生物氧化（异养生物）,第五章,生物氧化,本章要求：,生物氧化 电子传递链（呼吸链） 氧化磷酸化 生物氧化与能量代谢,第一节 生物氧化概述,一、生物氧化的概念 二、生物氧化的特点 三、氧化还原电位与自由能 四、高能化合物,一、生物氧化的概念与意义 P167,CO2 + H2O +,生物体,燃料分子 （糖、脂、蛋白质）,O2,能量,1、CO2的生成,脱羧酶,2、水的生成,NADH或 FADH2,底物,电子传 递体,脱氢酶，电子传递体，氧化酶,3、释放能量,底物水平磷酸化 氧化磷酸化 （呼吸链）,热能（少） 储存到ATP （多）,生理意义：供给机体能量， 保证正常生命活动的进行。,生物氧化的一般过程,TCA,第一阶段,第三阶段,第二阶段,参与生物氧化的酶类： 脱氢酶类 NADH 脱氢酶类 需氧脱氢酶类 细胞色素酶类 加氧酶类,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子 （2）本质：耗氧、产物和能量相同,二、生物氧化的特点,相同点,条件剧烈 非酶促反应 碳和氧直接化合生成CO2 氢和氧直接化合 生成H2O 骤然放出能量,体外燃烧,生物氧化,温和环境 酶促反应 有机酸脱羧生成CO2 底物脱下的氢经呼 吸链生成H2O 逐步释放能量,热，ATP,光，热,三、自由能与氧化还原电位,1. 自由能（G） P169,G= GB - GA,A B,标准自由能变化(G0) 生化标准自由能变化(G0) 单位为J/mol、KJ/mol,pH0，25，0.1Mpa，1mol/L,pH7，25，0.1Mpa，1mol/L,2. 氧化还原电位,氧化还原电位：还原剂失去电子的倾向 （或氧化剂得到电子的倾向）的大小。 标准氧还原电位用E0 表示 生化标准氧还原电位用E0 表示 E0愈大，得电子的倾向愈强 与电子的亲和力愈大 E0愈小，失电子的倾向愈强 与电子的亲和力愈小,单位为伏特(v),自由能与氧化还原电位的关系： G0 = nFE0 N:转移的电子数 F:为法拉第常数（96.403KJ/V/mol） E0:生化标准氧化还原电位的变化 E0 = E0受体 - E0供体 G0:生化标准自由能的变化,四、高能化合物,1、高能化合物的概念 在标准条件下发生水解时，能够释放21kJ/mol以上自由能的化合物。,高能键：在高能化合物分子中，水解断裂 释放出大量自由能的活泼共价键。 用 表示。,不稳定,高能磷酸化合物,2、高能化合物的类型 按其分子结构特点及所含高能键的特点：,磷氧键型 磷氮键型 硫酯键型 甲硫键型,（1）磷氧键型（O P）,酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,焦磷酸化合物,ATP （三磷酸腺苷）,焦磷酸,！,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,(2) 氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,这两种在生物体内起储存能量的作用,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,(3) 硫酯键型,S-腺苷甲硫氨酸,(4) 甲硫键型,3.最重要的高能化合物ATP (三磷酸腺苷),ADP,ATP,AMP,负电荷集中 共振杂化,磷酸基团转移的共同中间体 ATP是生物体通用的能量货币 ATP是能量的携带者和转运者,ATP的特殊作用,磷酸精氨酸 能量贮存者 磷酸原 磷酸肌酸,ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图,ADP+Pi ATP,核苷单磷酸激酶 NMP + ATP NDP + ADP 核苷二磷酸激酶 NDP + ATP NTP + ADP,其它形式的高能磷酸化合物,UTP用于糖原的合成 CTP用于磷脂的合成 GTP用于蛋白质的合成,第二节 电子传递链,一、电子传递链的概念 二、电子传递链的组成 三、主要的电子传递链 四、电子传递抑制剂,一、电子传递链的概念,1.概念 （组成+定位+顺序） 由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列组成的连锁反应体系称为电子传递链(又称呼吸链)。,典型的呼吸链,FADH2呼吸链 NADH呼吸链,2、分布,原核细胞存在于质膜上 真核细胞存在于线粒体内膜上,按照氧化还原电位大小的顺序排列 E0小 E0大,3、顺序,二、电子传递链的组成,烟酰胺脱氢酶类 黄素蛋白类 铁硫蛋白（Fe-S） 泛醌（CoQ） 细胞色素类（Cyt）,递氢体,递氢体,递氢体,烟酰胺脱氢酶类 NAD+ 辅酶 NADP+ 作用: 递氢体,双电子 载体,2H + NAD+ NADH + H+ 传递给 FMN,吡啶环,黄素蛋白酶类(FP) FMN-NADH脱氢酶的辅基 (1) 辅基 FAD-琥珀酸脱氢酶的辅基 作用: 递氢体,（FP1）,(FP2),双电子 载体,NADH + H+ FMNH2 传递给COQ 琥珀酸 FADH2,呼吸链,（Fe-S）,1,10,异咯嗪环,呼吸链,CH2-S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,CH2-S,S-CH2,S-CH2,3. 铁硫蛋白类 (Fe-S ),常见铁硫族: Fe4-S4 或 Fe2-S2,在呼吸链中： FMN (Fe-S) 存在形式 FAD (Fe-S).b (2) 作用: 递电子体 递电子机理 Fe3+ Fe2+,和,Cyt.b. C1 (Fe-S),等复合物形式,- e,+ e,4. 泛醌（CoQ10 , UQ10）,结构 醌类化合物 作用: 递氢体,双电子 载体,FMNH2,COQ2H,Cyt类,在呼吸链中,（Fe-S）,FADH2,（Fe-S）,醌,酚,细胞色素类(Cyt),蛋白质部分,铁卟啉（辅基）,包括Cytb、c1、c、a和a3,(1) 组成,N,N,N,N,Fe3+,H3C-,-CH3,-CH - CH3,CH3,CH2 CH2 COO-,CH2 CH2 COO-,H3C-,Cys S H3C- CH,Cys S,多肽链,细胞色素,(2)作用：递电子体 (3)递电子机理 Fe3+ Fe2+,+ e,- e,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,2Fe2+,2Fe3+,2Fe2+,2Fe3+,2Fe2+,1/2 O2,O2- H2O,2e,2e,2e,2e,2e,2b,2c1,2c,2 a.a3,COQ2H 2H+- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -,2e,2H+,（4）递电子顺序 Cytb c1 c a a3 O2,Cytaa3: 细胞色素氧化酶,NADH呼吸链,NADH FMN COQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 +H+ (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+),复合体,复合体,复合体I,FADH2 呼吸链（琥珀酸呼吸链）,FAD H2 COQ Cyt.bc1 c a.a3 O2 (Fe-S) (Fe-S) (Cu2+),复合体,复合体,复合体II,琥珀酸,NADH ,复合体I,复合体II,复合体,复合体,线粒体呼吸链四大复合体,Q 是交汇点,电子传递方向,I的功能：将电子从NADH传递给UQ,质子泵 4H+,NADH 脱氢酶,的功能：将电子从琥珀酸传递给UQ(Q),琥珀酸脱氢酶,的功能：将电子 从UQ传递给cytc,质子泵 2H+,细胞色素还原酶,的功能：将电子 从cytc传递给O2,质子泵 4H+,细胞色素氧化酶,三、主要呼吸链,1.NADH氧化呼吸链 最初电子供体：NADH 最终电子受体：O2 NADH 复合体I COQ 复合体 CytC 复合体 O2 总反应式：NADH+H+1/2O2NAD+H2O,2.FADH2氧化呼吸链 最初电子供体：FADH2 最终电子受体：O2 FADH2 复合体II COQ 复合体 CytC 复合体 O2 总反应式：FADH2+1/2O2FAD+H2O,NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc aa3 + H+ (Fe-S) (Fe-S) ( Cu2+),FAD.H2 (Fe-S),II,I,III,IV,琥珀酸, O2,两条重要的呼吸链,四、电子传递抑制剂,1、概念 P181,鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素,抗霉素A,氰化物 一氧化碳 硫化氢 叠氮化合物,2、常用的电子传递抑制剂,第三节 氧化磷酸化,一、氧化磷酸化的概念 二、氧化磷酸化的作用机制 三、ATP合酶 四、氧化磷酸化的解偶联和抑制 五、线粒体穿梭系统 六、能荷,一、氧化磷酸化的概念,概念：伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程。 根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为 底物水平磷酸化 电子传递体系磷酸化（主要方式）,底物水平磷酸化：由高能中间产物上的磷酸基团转移到ADP分子上形成ATP的过程。 电子传递体系磷酸化：电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的过程。,二、氧化磷酸化的作用机制,1.ATP产生的数量 2.ATP产生的部位（偶联部位） 3.能量偶联假说,1.ATP产生的数量 P185,P/O：每消耗1mol 氧原子，所消耗的无机磷的摩尔数,一对电子通过呼吸链,生成ATP的个数,NADH呼吸链的P/O值是2.5 FADH2呼吸链的P/O值是1.5,（氧 还 电 位）,NADH,Q,Cyt b,Cyt c,Cyt a,O2,ADP+Pi ATP 合成1mol ATP需30.5KJ,2.ATP产生的部位,O2,aa3,c,b,Q,NADH,69.5KJ,102.3KJ,40.5KJ,偶联部位：电子传递过程中产生ATP 的部位,NADH呼吸链: 3个偶联部位 FADH2呼吸链：2个偶联部位,3.能量偶联假说,目前主要有三个学说：,化学耦联学说 结构耦联学说 化学渗透学说,化学偶联假说（1953） 产生一种活泼的高能共价中间物，它的裂解驱动氧化磷酸化作用。,构象偶联假说（1964） 蛋白质组分形成一种高能构象，并通过ATP的合成而恢复其原来的构象。,化学渗透学说（1961）,内 膜,膜间 空间,基质,ATP 合酶,PH低 电位高,PH高 电位低,化学渗透学说（1961）,递H体与递e体交替排列 H+泵出内膜 递H体有H泵作用 e传给递e体 线粒体膜对H+不通透，造成跨膜H+电化 学梯度 H+通过ATP酶回流，生成ATP,基质,质子梯度 (pH) 和电位梯度（）,ADP + P,ATP,化学渗透假说示意图,氧化作用 （电子传递）,磷酸化作用 （ATP 生成）,跨膜H+电化学梯度,动力,三、ATP合酶（FoF1ATP酶）,由FO和F1组成 FO疏水蛋白， 为返回提供通道 F1由3 3 亚基组成 其亚基可催化ADP磷酸 化为ATP,头,柄,基质,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,1.解偶联剂：,不抑制递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化 主要的解偶联剂有2,4-二硝基苯酚（DNP）,胞液,基质,膜,阻止H+从 Fo单元回流,抑制ATP合成,寡霉素,2.氧化磷酸化抑制剂:,抑制O2的利用,抑制电子传递,3.离子载体抑制剂 能携带离子（H+离子以外）穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。,缬氨霉素 K+ 短感菌肽 Na+ K+,脂溶性,五、线粒体外NADH的氧化磷酸化,穿梭系统,3.植物线粒体外NADH的氧化磷酸化,1.-磷酸甘油穿梭,2.苹果酸穿梭,磷酸甘油穿梭系统,NADH,磷酸甘油,FADH2,部位：脑、骨骼肌 NADH（细胞液） 催化酶：磷酸甘油脱氢酶 FAD（膜间空间） 产生能量： 1NADH 1.5ATP,1.-磷酸甘油穿梭,-磷酸甘油 穿梭,苹果酸穿梭机制,NADH,NADH,苹果酸,部位：肝、心肌 NADH（细胞液） 催化酶：苹果酸脱氢酶 NAD（基质） 产生能量： 1NADH 2.5ATP,2.苹果酸穿梭,苹果酸穿梭,3.植物线粒体外NADH的氧化磷酸化,1NADH 1.5ATP,六、能荷,腺苷酸库：细胞内存在着三种腺苷酸ATP、 ADP和AMP。,能荷：指细胞内腺苷酸库中充满高能磷酸基团的程度。,能荷是细胞所处能量状态的一个指标: 当腺苷酸库全为AMP时,能荷值为0; 当腺苷酸库全为ATP时，能荷值为1。 大多数细胞的能荷处