《g第六章生物氧化》PPT课件.ppt

生物氧化与氧化磷酸化,Biological Oxidation & Oxidative Phospharylation,本章内容,生物氧化概述 电子传递链 氧化磷酸化 其他末端氧化酶系统,（一）生物氧化概念 生物细胞将糖、脂肪、蛋白质等有机化合物氧化分解，最终生成CO2和H2O并释放能量的作用。 又称作组织呼吸、细胞呼吸。,一 生物氧化概述,（二）生物氧化的特点 1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH、常温、常压），需要大量的酶和辅酶参与。 2.氧化进行过程中，伴随有还原反应的发生。 3.氧化反应分阶段进行，能量逐步释放。 4.生物氧化释放的能量，通常被偶联的磷酸化反应利用，贮存于高能化合物中。,生物氧化与体外氧化之相同点：,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 都服从热力学规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化与体外氧化之不同点：,生物氧化,体外氧化,反应是在强酸、强碱、高温、高压条件下进行的。 能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,（三）生物氧化中物质氧化的方式,氧化反应 还原反应,失电子 脱氢 加氧 得电子 加氢 脱氧,乳酸脱氢酶,苯丙氨酸 酪氨酸,O2,（四）生物氧化中CO2 和H2O的生成,1.CO2的生成： 代谢底物在酶的作用下，经过一系列的脱氢与加水反应生成含羧基的化合物，通过脱羧反应生成。 包括直接脱羧和氧化脱羧,氧化脱羧,脱羧酶,直接脱羧,2.H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上的呼吸链作用下产生,NADH链,（五）高能磷酸化合物 1. 高能化合物 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物中。 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：,（1）磷氧键型,酰基磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,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,7.3千卡/摩尔,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,PEP,（2)氮磷键型,磷酸肌酸（CP）,磷酸精氨酸,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,(3)硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,(4)甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸( SAM),2.ATP的结构及其在能量转换中的作用,ATP是生物能存在的主要形式 ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 ATP被用作“能量通货” ATP作为磷酸基团转移的载体存在,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物电,热能-体温,光能-生物发光,ATP是生物系统能量交换的中心,荧火虫,ATP的特殊作用,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,二 电子传递链(electron transport chain) (呼吸链respiratory chain),（一）线粒体的结构,(二）概念 电子传递链：又叫电子传递体系，是指代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。由于好氧故又称呼吸链。 在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。,线粒体呼吸链,(三) 组成 呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、辅酶Q等。,1.黄素蛋白（flavoprotein）：,许多脱氢酶以NAD+/NADP+ 作为电子受体，大多 以NAD +为辅酶。 电子和氢离子一起被接受，还原型Co将氢移到 NADH（黄素）脱氢酶上。,电子传递链中的黄素蛋白有两种，分别以FMN或FAD为辅基,FAD和FMN,2.铁硫蛋白（ iron-sulfur protein ）,含铁-硫络合物的非血红素铁蛋白，为单电子传递体。通过Fe的变价传递电子。主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。,3.细胞色素（ctyochromes),是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。 其作用靠铁和铜的变价传递电子由CoQ传到氧。,Cytc,Cytaa3,4.辅酶Q（Coenzyme Q CoQ）,又称泛醌（ubiquinone，CoQ)。 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动 3.接受多种脱氢酶脱下的氢和电子变为泛醇（ CoQH2） 4.是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白） 5.可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用 6.泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体， H+释出,复合物 NADH-CoQ 还原酶 NADH脱氢酶,辅基为FMN的黄素蛋白. 铁硫蛋白 催化电子从NADH, 传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.,复合物 琥珀酸-泛醌还原酶 琥珀酸脱氢酶,由4-5种不同的蛋白质组成，140kD 含有一个FAD，2个铁硫蛋白及细胞色素b560. 催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。,电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。,复合物 Q-cytc还原酶 细胞色素b、c1复合体,二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。 催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。,b566b562Fe-Sc1,QH2,Cytc,复合物 Cyt氧化酶,包含两个血红素（a、a3）和一个含铜蛋白(CuB) 通过Fe、Cu的变价传递电子 Cu2+ + e Cu+ Fe3+ + e Fe2+,Cyta Cyta3,Cyt c,O2,（三）呼吸链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上按照各组分的氧化还原电位的高低，由低向高排列。 在线粒体内膜上主要有两条呼吸链： NADH呼吸链 FADH2 呼吸链,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH-Q 还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2,琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,（四） 呼吸链的电子传递抑制剂,鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素A,抗霉素A,氰化物、叠氮化物、CO、H2S,鱼藤酮 杀粉蝶菌素 安密妥,抗霉素 二巯基丙醇,CO、CN-、N3-及,（一）氧化磷酸化 1.定义：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸 化，生成ATP的方式，这种氧化放能反应与磷酸 化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。 2.氧化磷酸化作用是体内产生ATP的主要方式,三 氧化磷酸化 oxidatire phosphorylation,3.根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及氧化磷酸化（电子传递磷酸化）。 底物水平磷酸化：Substrate-level phospharylation,底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。,底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP,P/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数. 根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。 实验指明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。,(二)P/O,(三)ATP产生的部位,氧化磷酸化偶联的部位就是ATP产生的部位。,呼吸链中产生ATP的部位有三个：NADH CoQ Cytb Cytc1 Cytaa3 O2,氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说： 化学偶联学说、结构偶联学说与化学渗透学说 化学渗透学说的主要论点 呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。,(四)ATP产生的机理,Fl蛋白：是球状结构，由5种不同的多肽链组成，催化ATP合成的部位在亚基上,F0质子通道：是跨线粒体内膜的疏水蛋白质，由4种多肽链组成,F0和Fl之间的柄 ：包含有两种蛋白质。一种为寡霉素敏感蛋白(OSCP) ，一种为偶合因子6,寡霉素结合区,(四)ATP产生的机理,1.线粒体偶联因子F1-F0-ATP合酶系统,ATP合成酶由疏水的F0 (a1b2c912)和亲水的F1(33)组成.,质子穿过a时,推动c环象转动,连带F1转动.,ATP酶的旋转催化理论,亚基有三种构象:松L、紧T、放O。,生产ATP的过程：,2. 化学渗透偶联假说 (chemiosmotic hypothesis):,P.Mitchell 1961年提出，1978年获诺贝尔化学奖 电子传递释出的能量用于形成跨膜的质子（ H+）梯度，此梯度用以驱动ATP的合成。,主要内容：电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，这个梯度的电化学电势驱动ATP的合成。,某些特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分成若干个反应阶段，根据这些试剂的作用方式将其分成三类： 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂,(四) 氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂,1.解偶联剂 （uncouplers）,作用： 使ADP磷酸化与电子传递两个过程分离，只抑制ATP的生成，而不抑制电子传递的过程，使电子传递过程中产生的能量全部以热能的形式散发出来。 典型的解偶联剂 2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP）,DNP的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,低 pH,高 pH,不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制ATP的生成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。,作用： 既抑制氧的吸收利用又抑制ATP的形成，却不直接抑制电子传递链上的载体的作用，直接干扰ATP的生成。 典型的抑制剂 寡霉素（oligomycin）,2.氧化磷酸化抑制剂,寡霉素(oligomycin) 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。,寡霉素,3.离子载体抑制剂（Ionophore）,作用方式： 插入线粒体内膜的脂质双分子层中，结合某些离子，并作为离子的载体，使离子穿过线粒体内膜，不能形成离子梯度。 典型的抑制剂： 缬氨霉素：结合K+ 短杆菌肽：结合K+ 、Na+和其他一些一价阳离子,五 线粒体的穿梭系统,生物氧化和氧化磷酸化主要发生在线粒体内， NAD +、 NADH都不能自由穿过线粒体内膜，细胞液中产生的NADH必须穿过线粒体内膜才能氧化，就必须通过特殊的穿梭系统进入线粒体内。已知的穿梭系统有两个： 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸穿梭系统,1. 磷酸甘油穿梭系统,NADH+H+,NAD+,FAD,FADH2,呼吸链,发生在肌肉、神经 细胞中，产生2/1.5 个ATP,2、苹果酸穿梭系统：,发生在肝、心肌细胞中，产生3/2.5个ATP,定义： 总的腺苷酸系统（ATP+ADP+AMP）中所负荷的高能磷酸基的数量。 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。,六 能荷（energy charge）,能荷对