第五章生物氧化与氧化磷酸化.ppt

第五章生物氧化BiologicalOxidation,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化的概念,第一节生物氧化概述,（一）广义和狭义的生物氧化概念,广义：有机物（糖、脂肪、蛋白质等）在体内氧化分解生成CO2和H2O，并逐步释放能量，产生ATP的过程。包括有机物的氧化过程、呼吸链的电子传递和ATP的合成。,狭义：呼吸链的电子传递和ATP的合成。,（二）生物氧化的特点,在温和的条件下进行。在pH近中性及体温条件下水溶液内进行。2.是逐步进行的酶促反应3.能量是逐步释放的4.产生的能量贮存于特殊的化合物中。,生物氧化与体外燃烧的比较,(三)生物氧化中物质的氧化方式,（3）加氧,（2）脱氢(最主要),（1）失电子,RH+O2ROH,COOHC=O+2HCH3（2H+2e）,COOHHOCHCH3,Fe2+Fe3+e,（四）生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中二氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应。1、-脱羧和-脱羧；2、直接脱羧和氧化脱羧：氧化脱羧是指脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。,CO2,丙酮酸脱氢酶系,NADH+H+,NAD+,CoA,CH3CSCoA,O,（五）生物氧化中水的生成生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。多数情况下脱氢酶和氧化酶之间需要一些电子传递体才能将质子和电子交给氧生成水。,二、生物氧化中有关的酶类,（一）电子转移酶,只催化电子的得失，实际也是电子传递体。主要有铁硫蛋白和细胞色素类。,（二）氧化酶类,组成：结合酶,酶蛋白,辅基：含Fe、Cu,举例：细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等,特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O。,RH22Cu2+O2H2OR2Cu+O2,2H+,（三）需氧脱氢酶,特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O2。,组成：结合酶,酶蛋白,辅基：FMN、FAD,RH2FMN/FADH2O2RFMNH2/FADH2O2,2H,2H,举例：黄嘌呤氧化酶,（四）脱氢酶,特点：催化底物脱氢后，以CoQ、NAD、NADP、FAD或FMN等为直接受氢体。,组成：结合酶,酶蛋白,辅基：NAD、NADP、FAD等,RH2NADRNADHH,2H,举例：苹果酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等,（五）加氧酶,（1）单加氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）,RH+NADPH+H+O2,单加氧酶,ROH+NADP+H2O,（2）双加氧酶,O2,色氨酸加双氧酶,色氨酸,甲酰犬尿氨酸,（六）其它酶类,（1）过氧化氢酶,（2）过氧化物酶,RH2+H2O2R+2H2O,过氧化物酶,H2O2+H2O22H2O+O2,过氧化氢酶,（3）超氧物歧化酶（SOD）,2O2,+,2H,H2O2+O2,SOD,+,三、高能化合物,(一)高能化合物的概念一般将水解时能够释放20.92kJ/mol（5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。,按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫碳键型（硫酯键型、甲硫键型）,（二）高能化合物的类型,（1）磷氧键型（O-P),(A)酰基磷酸化合物,1,3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,(A)酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（B）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,（C）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物,（2）氮磷键型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,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。,H,（3）硫碳键型,酰基辅酶A,A、硫酯键型,B、甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,（三）最重要的高能化合物ATP,（1）ATP的分子结构特点与水解自由能的关系,ATP是生物体通用的能量货币。ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。,（2）ATP在能量转化中的作用,磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的G0。,磷酸基团转移势能（kcal/mol),2,4,6,8,10,12,14,16,ATP,PEP,1，3-二P甘油酸,6-P葡萄糖,3-P甘油,ATP是磷酸基团转移反应的中间载体,第二节电子传递链,一、电子传递链的概念和存在部位,概念:在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最终与氧结合生成水。这些氢和电子的传递体系称为电子传递链.由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链。,部位:真核线粒体的内膜上，原核生物在细胞膜上。,二、电子传递链的组分,（一）黄素蛋白类脱氢酶（二）铁硫蛋白类（三）辅酶Q（四）细胞色素类,黄素单核苷酸的结构,黄素蛋白类,黄素腺嘌呤二核苷酸的结构,黄素核苷酸的作用原理,核黄素(黄色),铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子。,表示无机硫,Fe2+Fe3+,-e,+e,铁硫蛋白的作用原理,辅酶Q的结构及作用原理,H3COH3CO,O,（CH2CH=CCH2）nH,O,泛醌,细胞色素体系（Cyt）,（1）Cyt的本质,细胞色素=酶蛋白+血红素,（2）Cyt的分类,30多种,a类：a、a1、a2、a3,b类：b、b17、P450,c类：c、c1、c2、c3,血红素A,b型血红素,c型血红素,b型血红素,线粒体（a、a3、b、c、c1）微粒体（b5、P450）,（3）Cyt的存在部位,Cytaa3（细胞色素氧化酶）：呼吸链中唯一直接将e传递给O2,（4）Cyt在呼吸链中的作用,总结：呼吸链各组分的作用,Fe2+Fe3+,-e,+e,总结：呼吸链各组分的作用,名称本质在呼吸链中作用,CoQCoQH2,+2H,-2H,辅酶Q(CoQ),脂溶性醌类化合物,Fe2+Fe3+,-e,+e,结合酶铁卟啉,细胞色素(Cyt),三、呼吸链上电子传递体的排列,（一）电子传递链在膜上的存在状态除了CoQ和细胞色素C外，电子传递链上的电子传递体组成了四个复合体。,复合体酶名称辅基,复合体NADH-泛醌还原酶FMN,Fe-S,复合体泛醌-细胞色素C还原酶铁卟啉,Fe-S,复合体琥珀酸-泛醌还原酶FAD,Fe-S,复合体细胞色素C氧化酶铁卟啉,Cu,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,呼吸链各复合体位置示意图,1、复合体NADH-泛醌还原酶,复合体将电子从还原型烟酰胺（尼克酰胺）腺嘌呤二核苷酸（NADH）传递给泛醌复合体含有以黄素单核苷酸为辅基的黄素蛋白和以铁硫簇（Fe-S)为辅基的铁硫蛋白。,复合体的功能,2、复合体琥珀酸-泛醌还原酶,复合体将电子从琥珀酸传递给泛醌复合体含有以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素（Cyt)b560,3、复合体泛醌-细胞色素C还原酶,复合体将电子从泛醌传递给细胞色素C复合体含有2种细胞色素b（Cytb562,Cytb566）、细胞色素C1和铁硫蛋白,4、复合体细胞色素C氧化酶,复合体将电子从细胞色素C传递给氧复合体中含有Cyta和Cyta3,还原态,氧化态,（二）呼吸链成分的排列顺序,1、研究方法,（3）利用呼吸链抑制剂,（2）呼吸链复合物重组,（1）测各组分氧化还原电位（E0）递增,（4）利用光谱变化确定各组分的氧还状态,呼吸链中各氧还对的Eo,氧化还原对(V),NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06Q/QH20.04(或0.10)Cytb(Fe3+)/(Fe2+)0.07Cytc1(Fe3+)/(Fe2+)0.22Cytc(Fe3+)/(Fe2+)0.25Cyta(Fe3+)/(Fe2+)0.29Cyta3(Fe3+)/(Fe2+)0.551/2O2/H2O0.82,_,_,_,Eo,呼吸链复合物重组,呼吸链中细胞色素的排列及电子传递过程,笔洗一洗AA3（散）,(三)线粒体内重要的两条呼吸链1、NADH氧化呼吸链,RH2NAD+FMNH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2（Fe-S）RNADHFMNCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）,每2H通过此呼吸链可生成2.5分子ATP。,2、琥珀酸氧化呼吸链,琥珀酸FADCoQH22Cyt-Fe3+O2-（Fe-S）b延胡索酸FADH2CoQ2Cyt-Fe2+1/2O2（Fe-S）b,每2H通过此呼吸链可生成1.5分子ATP。,3、分别进入两条呼吸链的底物,苹果酸异柠檬酸琥珀酸3-磷酸甘油醛谷氨酸FAD（Fe-S）NAD+FMNCoQbc1caa3O2FADFAD硫辛酸脂肪酰CoA丙酮酸-酮戊二酸,不同点:NADH呼吸链琥珀酸呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFADH2ATP2.51.5,两种呼吸链的比较:,相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反复使用；3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。,NAD+FMNCoQbc1caa3O2,鱼藤酮杀粉蝶菌素A安密妥,抗霉素A,H2SCOCN,作用：阻断电子传递,四、电子传递抑制剂,一、ATP的生成方式,底物水平磷酸化,氧化磷酸化(最主要),第三节氧化磷酸化,1、底物水平磷酸化：直接将代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。,糖酵解过程,3-磷酸甘油酸,这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应,糖酵解过程,丙酮酸激酶(Mg2+,K+),糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应,TCA循环,琥珀酰CoA,琥珀酰CoA合成酶,呼吸链,AH22H(2H+2e),能量,ADP+Pi,ATP,氧化,磷酸化,偶联,H2O,氧化磷酸化,2、氧化磷酸化：电子从NADH或FADH2经电子传递链传递到分子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化生成ATP，称。或称为电子传递磷酸化，是需氧生物合成ATP的主要途径。,二、氧化磷酸化偶联部位,P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷的mol数,即生成ATP的mol数。,2、测P/O值,实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。,1、根据呼吸链中各电子传递体的氧化还原电位差进行判断,不同底物的P/O值,底物呼吸链的组成P/O值,1.NADHNAD+FMNCoQCytO22.52.琥珀酸FADCoQCytO21.53.CytcCytcCytaa3O214.NADHNAD+FMNCoQCytb15.琥珀酸FADCoQCytb0,氧化磷酸化偶联部位,三、氧化磷酸化的偶联机制,1、化学偶联假说,认为电子传递反应产生的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价结合的中间产物，最后再将其能量转移到ATP中。,2、构象偶联假说,认为电子传递所产生的能量使线粒体内膜蛋白组分发生了构象变化，从而形成一种高能构象状态。这种高能构象状态通过ATP的合成而恢复其原来的构象。,3、化学渗透假说,认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是，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质子电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动ATP的合成。,化学渗透假说,电子传递的过程中将H+泵至内膜胞液侧，形成化学梯度（势能）,当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP,磷酸化为ATP,化学渗透假说简单示意图,ATP合酶,由亲水部分F1（33亚基）和疏水部分F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,不同的化学因素对氧化磷酸化作用的影响方式不同。根据影响方式不同可划分为三类：解偶联剂氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂,1、解偶联剂,使电子传递和ATP形成两个过程分离，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成过程。不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能都变为热能。这种试剂使电子传递失去正常的控制，亦不能形成离子梯度。,作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节举例：2，4-二硝基苯酚,如：2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,2、氧化磷酸化抑制剂,即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载体的作用。抑制ATP的形成，造成质子电化学梯度处于高能状态，从而抑制了电子的传递。如：寡霉素,3、离子载体抑制剂:能够向线粒体内膜内运送阳离子，破坏电化学梯度中的电势梯度，使氧化过程与磷酸化过程脱节，抑制ADP磷酸化生成ATP。与解偶联剂的区别：是除H+以外其他一价阳离子的载体。,举例：缬氨霉素（K）短杆菌肽（K，Na）,五、线粒体穿梭系统,甘油-3-磷酸穿梭系统（主要存在于肌细胞）苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（主要存在于肝细胞）,1、动物外源NADH的氧化磷酸化,NAD+,NADH+H+,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,FADH2,FAD,胞液,线粒体内膜,胞液中-磷酸甘油脱氢酶(辅酶为NAD+),线粒体内-磷酸甘油脱氢酶(辅基为FAD),-磷酸甘油穿梭,某些骨骼肌、神经组织,线粒体外膜,（2）苹果酸一天冬氨酸穿梭（Themalateaspartateshuttle）,两种穿梭系统的比较,-磷酸甘油穿梭,苹果酸-天冬氨酸穿梭,穿梭物质,-磷酸甘油磷酸二羟丙酮,苹果酸、谷氨酸天冬aa、-酮戊二酸,进入线粒体后转变成的物质,FADH2,NADH+H+,进入呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,生成ATP数,1.5,2.5,存在组织,骨骼肌、神经组织,肝脏和心肌组织,相