生物氧化和磷酸化.ppt

第六章生物氧化与氧化磷酸化 主要内容和要求 重点讨论线粒体电子传递体系的组成 电子传递机理和氧化磷酸化机理 对非线粒体氧化体系作一般介绍 返回 思考 目录 第一节生物氧化概述第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用第四节非线粒体氧化体系 自学 6 1生物氧化概述 一 生物氧化的概念和特点二 生物能学简介三 高能化合物 生物氧化的特点和方式 1 生物氧化的特点2 生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成3 有机物在体内氧化释能的三个阶段 糖类 脂肪 蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 biologicaloxidation 其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程 一 生物氧化概念 1 生物氧化的特点 在活的细胞中 pH接近中性 体温条件下 有机物的氧化在一系列酶 辅酶和中间传递体参与下进行 其途径迂回曲折 有条不紊 氧化过程中能量逐步释放 其中一部分由一些高能化合物 如ATP 截获 再供给机体所需 在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体 又能使释放的能量尽可得到有效的利用 2 CO2的生成 方式 糖 脂 蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物 然后在酶催化下脱羧而生成CO2 类型 脱羧和 脱羧氧化脱羧和单纯脱羧 3 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 例 1 2O2 NAD 电子传递链 H2O 2e O 2H 脂肪 葡萄糖 其它单糖 三羧酸循环 电子传递 氧化 蛋白质 脂肪酸 甘油 多糖 氨基酸 乙酰CoA e 磷酸化 Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物 如丙酮酸 乙酰CoA等 共同中间物进入三羧酸循环 氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O 释放出大量能量 其中一部分通过磷酸化储存在ATP中 大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段 二 生物能学简介 1 生物能的转换及生物系统中的能流2 自由能的概念及化学反应自由能的计算 1 自由能 freeenergy 的概念 定义式 H T S物理意义 体系中能对环境作功的能量 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行 即 G0 反应不能自发进行 G 0 反应处于平衡状态 化学反应自由能的计算 a 利用化学反应平衡常数计算基本公式 G G RTlnQc Qc 浓度商 G RTlnKeq例 计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化b 利用标准氧化还原电位 E 计算 限于氧化还原反应 基本公式 G nF E E E E 例 计算NADH氧化反应的 G 计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 达平衡时 Keq 19 解 G RTlnKeq 2 303 8 314 311 log19 7 6KJ mol 1 G G RTlnQc Qc 浓度商 7 6 2 303 8 314 311 log0 1 13 6KJ MOL 1 未达平衡时 Qc 0 1 反应G 1 P G 6 P在380C达到平衡时 G 1 P占5 G 6 P占95 求 G0 如果反应未达到平衡 设 G 1 P 0 01mol L G 6 P 0 001mol L 求反应的 G 是多少 例题 例题 计算下反应式 G NADH H 1 2O2 NAD H2O正极反应 1 2O2 2H 2e H2OE 0 82负极反应 NAD H 2e NADHE 0 3 G nF E 2 96485 0 82 0 32 220KJ mol 1 生物系统中的能流 三 高能化合物 1 高能化合物的类型2 ATP的特点及其特殊作用 生化反应中 在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能 21千焦 摩尔 的化合物称为高能化合物 高能化合物类型 ATP的特点 在pH 7环境中 ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式 ATP4 具有较大势能 加之水解产物稳定 因而水解自由能很大 G 30 5千焦 摩尔 ATP4 H2O ADP3 Pi2 H G 30 5kJ MOL 1 ATP3 H2O ADP2 Pi3 H G 33 1kJ MOL 1 ATP的特殊作用 ATP是细胞内的 能量通货 ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体 6 2线粒体电子传递体系 一 线粒体结构特点二 电子传递呼吸链的概念三 呼吸链的组成四 机体内两条主要的呼吸链及其能量变化五 电子传递抑制剂 线粒体呼吸链 线粒体基质是呼吸底物氧化的场所 底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上 经过一系列氢载体和电子载体的传递 最后传递给O2生成H2O 这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链 eclctrontransferchain 因为其功能和呼吸作用直接相关 亦称为呼吸链 呼吸链的组成 1 黄素蛋白酶类 flavoproteins FP 2 铁 硫蛋白类 iron sulfurproteins 3 辅酶 ubiquinone 亦写作CoQ 4 细胞色素类 cytochromes NADH 辅酶Q CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 琥珀酸等 黄素蛋白 FAD 黄素蛋白 FMN 细胞色素类 铁硫蛋白 Fe S 铁硫蛋白 Fe S NADH呼吸链 H2O O2 FMN FMNH2 CoQH2 CoQ NAD NADH H 2Fe2 2Fe3 细胞色素b c c1 aa3 2H NADH呼吸链和FADH2呼吸链 电子传递链中各中间体的顺序 复合物II 复合物IV 复合物I 复合物III NADH脱氢酶 辅酶Q 细胞色素还原酶 细胞色素C还原酶 琥珀酸 辅酶Q还原酶 呼吸链中电子传递时自由能的下降 FADH2 2e NADH NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化 总反应 NADH H 1 2O2 NAD H2O G nF E 2 96 5 0 82 0 32 220 07千焦 mol 1 烟酰胺脱氢酶类 特点 以NAD 或NADP 为辅酶 存在于线粒体 基质或胞液中 传递氢机理 黄素蛋白酶类 特点 以FAD或FMN为辅基 酶蛋白为细胞膜组成蛋白 类别 黄素脱氢酶类 如NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 需氧脱氢酶类 如L 氨基酸氧化酶 加单氧酶 如赖氨酸羟化酶 铁硫蛋白 特点 含有Fe和对酸不稳定的S原子 Fe和S常以等摩尔量存在 Fe2S2 Fe4S4 构成Fe S中心 Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结 CoQ 特点 带有聚异戊二烯侧链的苯醌 脂溶性 位于膜双脂层中 能在膜脂中自由泳动 细胞色素 特点 以血红素 heme 为辅基 血红素的主要成份为铁卟啉 类别 根据吸收光谱分成a b c三类 呼吸链中含5种 b c c1 a和a3 cytb和cytc1 cytc在呼吸链中的中为电子传递体 a和a3以复合物物存在 称细胞色素氧化酶 其分子中除含Fe外还含有Cu 可将电子传递给氧 因此亦称其为末端氧化酶 CoQ的结构和递氢原理 CoQ 2HCoQH2 铁硫蛋白的结构及递电子机理 细胞色素的结构和递电子机理 线粒体结构 6 3氧化磷酸化作用 一 氧化磷酸化和磷氧比 P O 的概念二 氧化磷酸化的偶联机理三 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用四 能荷 氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP 即ADP Pi ATP 这种氧化放能和ATP生成 磷酸化 相偶联的过程称氧化磷酸化 类别 底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化 磷氧比 P O 呼吸过程中无机磷酸 Pi 消耗量和分子氧 O2 消耗量的比值称为磷氧比 由于在氧化磷酸化过程中 每传递一对电子消耗一个氧原子 而每生成一分子ATP消耗一分子Pi 因此P O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数 NADH FADH2 H2O H2O 例实测得NADH呼吸链 P O 3 实测得FADH2呼吸链 P O 2 2e 2e 氧化磷酸化的偶联机理 1 化学渗透假说2 氧化磷酸化的抑制解偶联剂和离子载体抑制剂氧化磷酸化抑制剂 三 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 磷酸甘油穿梭系统 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 磷酸甘油穿梭 线粒体基质 磷酸二羟丙酮 3 磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 3 磷酸甘油 FAD FADH2 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 NADH NAD 线粒体内膜 细胞液 苹果酸 草酰乙酸穿梭作用 细胞液 线粒体内膜体 天冬氨酸 酮戊二酸 苹果酸 草酰乙酸 谷氨酸 酮戊二酸 天冬氨酸 苹果酸 谷氨酸 NADH H NAD 草酰乙酸 NAD 线粒体基质 NADH H 为膜上的转运载体 呼吸链 2 4 二硝基苯酚的解偶联作用 H H 线粒体内膜 内 外 线粒体ATP酶 化学渗透假说示意图 2H 2H 2H 2H NADH H 2H 2H 2H ADP Pi ATP 高质子浓度 H2O 2e 质子流 线粒体内膜 ATPase的旋转催化模型 旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和 及 亚基一起转动 这种旋转配置 亚基之间的不对称的相互作用 引起催化位点性质的转变 亚基的中心 螺旋被认为是转子 亚基I和II与 亚基组合在一起组成定子 它压住 异质六聚体 ADP Pi ProtenFlux H2OH ATP酶作用机理 电子传递抑制剂 NADH FMN CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 Fe S FMN Fe S 琥珀酸 复合物II 复合物IV 复合物I 复合物III 能荷 意义 能荷由ATP ADP和AMP的相对数量决定 数值在0 1之间 反映细胞能量水平 能荷对代谢的调节可通过ATP ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现 化学渗透假说示意图 6 4非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物 植物 微生物主要氧化途径 它与ATP的生成紧密相关 除此以外 生物体内还存在非线粒体氧化系统 其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化