生物氧化和氧化磷酸化.ppt

生物氧化与氧化磷酸化 第一节新陈代谢 生化定义 泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程 是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一 一 物质代谢与能量代谢的统一 二者相辅相成 研究物质代谢就是研究能量代谢 反应步骤繁多 具有严格的顺序性 与内外环境相适应 自动调节 通过酶活性调节来进行调节 逐步进行 新陈代谢的特点 细胞内温和的条件下 由酶催化进行的 1 研究材料活体研究 invivo 以生物整体 整体器官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体研究 又称体内研究 离体研究 invitro 以组织切片 匀浆或组织提取液为对象进行的代谢研究称为离体研究 又称体外研究 二 代谢的研究方法 A 同位素示踪法将含有同位素35S 32P 14C 15N 3H的物质参与代谢反应 测试该基团在不同物质间的转移情况 来认识代谢过程 2 研究方法 B 整体方法 典型案例脂肪酸的 氧化 以活动物为研究对象 分析其排泄物 血清 头发等 从而了解体内的代谢情况 属体内研究 C 组织提取法 各类组织细胞 典型例子糖代谢 生物氧化等等 D 代谢途径阻断等方法属体外研究 了解某一反应被抑制之后的结果 从而推测某物质在体内的代谢变化 如使用酶抑制剂 E 利用遗传缺陷型 基因突变 遗传缺陷型 某种酶缺乏 某代谢反应受阻 某代谢中间物积累 某产物不能合成遗传缺陷型微生物 F 气体测量法 代谢过程中气体的消耗或产生的变化量20世纪40年代 50年代 G 核磁共振波谱法 NMR 通过测定放射性同位素的磁矩来研究分子外围和骨架的结构信息 对样品不加任何破坏 能最好反映机体内化学反应的真实情况 一 生物氧化概念和特点 有机物质 糖 脂肪和蛋白质 在生物细胞内进行氧化分解而生成C2O和H2O并释放和储存能量的过程称为生物氧化 生物氧化通常需要消耗氧 所以又称为呼吸作用 1 概念 第二节 生物氧化 2 生物氧化的特点 实质相同 都是脱氢 失电子或与氧结合 消耗氧气 都生成C2O和H2O 所释放的能量也相同 方式和历程不同 提问 有机物的生物氧化与体外燃烧有何相同与区别 3 生物氧化的主要内容 1 细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成C2O C2O如何形成 脱羧反应 2 在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O H2O如何形成 电子传递链 3 当有机物被氧化成C2O和H2O时 释放的能量怎样转化成ATP 能量如何产生 底物水平磷酸化氧化磷酸化 基本方式 底物脱羧基作用 分类 二 生物氧化中CO2的生成 O CH3CCOOH 单纯脱羧 氧化脱羧 第三节 生物氧化中H2O的生成 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 生物体内主要以脱氢酶 传递体 氧化酶组成的生物氧化体系催化水的生成 氧化酶 2e H2O 1 2O2 电子传递体 氢传递体 脱氢酶 2H MH2 一 电子传递链的概念 生物氧化过程中 代谢物上脱下的氢原子 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 最后传递到氧分子生成水 这种氢和电子的传递体系称呼吸链或电子传递链 类型 NADH链和FADH2链 FADH2 1 烟酰胺脱氢酶类 递氢体NAD P 2HNAD P H H 2 黄素脱氢酶类 递氢体FAD 2HFADH23 铁硫蛋白类 递电子体Fe3 eFe2 4 细胞色素类 以卟啉铁为辅基 传递电子5 辅酶Q CoQ 递氢体 二 电子传递链的组分 1 烟酰胺脱氢酶类 递氢体 以NAD 或NADP 为辅酶 200多种 以前者为主递氢体总是作为NADH电子传递链上的原初电子供体 NAD P 2HNAD P H H 2 黄素脱氢酶类 递氢体 以FAD或FMN为辅基MH2 E FMN M E FMNH2MH2 E FAD M E FADH2类型NADH脱氢酶 以FMN为辅基 催化NADH将H传递给FMN FMNH2琥珀酸脱氢酶 以FAD为辅基 催化琥珀酸将H传递给FAD FADH2 3 铁硫蛋白类 Fe S 非血红素铁蛋白 Fe S在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物存在 9种 常以2Fe 2S或4Fe 4S存在通过铁的变价进行单电子传递 Fe3 eFe2 共有3种 4 细胞色素类 Cyt 电子传递体 Cytb和Cytc1 细胞色素c还原酶 Cytaa3 末端氧化酶 以Fe卟啉为辅基的色素蛋白 只存在于需氧细胞 依靠铁和铜的变价传递电子Fe3 e Fe2 Cu2 e Cu 呼吸链中的Cyt蛋白 Cytb Cytc1 Cytc和Cytaa3 存在于细胞色素a a3的血红素A 存在于细胞色素b c c1的血红素 5 辅酶Q CoQ 泛醌 递氢体 非蛋白组分 醌类 侧链为异戊二烯 中间传递体 通过醌 酚结构互变传递电子只能从黄素酶的FMNH2或FADH2 接受和传递H 复合体 NADH脱氢酶或NADH Q还原酶 包括黄素蛋白 FMN 和铁硫蛋白 催化电子从NADH CoQ 复合体 琥珀酸脱氢酶或琥珀酸 Q还原酶 包括黄素蛋白 FAD 铁硫蛋白和细胞色素b560 催化电子从琥珀酸 CoQ 复合体 细胞色素还原酶 包括Cytb Cytc1和铁硫蛋白 催化电子从CoQH2 Cytc 复合体 细胞色素氧化酶 包括Cytaa3和含铜蛋白 催化电子从还原型Cytc O2 电子传递链的组成 从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q CoQ 和细胞色素C Cytc 复合体I NADH Q还原酶 组成 FMN Fe S蛋白 CoQ 功能 递氢 Fe S蛋白 递电子体Fe3 eFe2 NADH链 复合体II 琥珀酸 Q还原酶 组成 FAD Fe S蛋白功能 递氢 FADH2链 2 3 2 复合体III 细胞色素还原酶 组成 Cytb Cytc1 Fe S蛋白功能 传递电子 复合体IV 细胞色素氧化酶 组成 Cytaa3 2Cu 功能 递电子给氧 NADH链 CoQ NADH Q还原酶 细胞色素C 2e NADH链 FADH2链 I III IV Q C II Q C 三 电子传递链的类型和组成 NADH链 复合体I CoQ III Cytc IV FADH链 复合体II CoQ III Cytc IV 四 电子传递链中传递体的排列顺序 依据 各传递体的E 重建组成 抑制剂的阻断试验 NADH链NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 FADH2链 FADH2 CoQ b c1 c aa3 O2 E0 低 高 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 鱼藤酮 NADH链断 FADH2链通 FADH2 五 电子传递抑制作用 链阻断试验 电子传递抑制剂 能够抑制电子传递链上某一部位电子传递的物质 安蜜妥杀粉蝶菌素A 毒鱼藤 两广一带有毒鱼作用的一类藤本植物的统称 毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮 一 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 氰化物CO 氰化物 CO 窒息剂 剧毒 抗霉素A 分离自霉菌 二 三 第四节 氧化磷酸化与ATP的生成 生物氧化释放的能量 通过与ATP合成相偶联 转换成生物体能够直接利用的生物能ATP 一 高能化合物 1 定义 在生化反应中 随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能 20 92KJ mol 的化合物 其中断裂释放出大量自由能的共价键称为高能键 提问 两反应如何可以结合在一起呢 P177 A 高能化合物 B 低能化合物 G0 0 能自发进行 高能基团的传递 2 生物意义 3 高能化合物的种类 硫脂键化合物 S 31 4甲硫键化合物CH3 S C C 40 8 P177 1 ATP的分子结构 4 最重要的高能化合物ATP 生物体通用的能量货币 产能反应产生的能量物质主要是ATP提供反应所需能量 提供细胞活动的机械能 提供细胞吸收物质时的能量 产生电效应 转变成光能或热能 磷酸基团转移反应的中间载体 2 ATP在能量转化中的作用 能量源自 能源物质 糖 脂 偶尔是蛋白质 的分解 分解代谢氧化产能 ADP 机械能 运动 化学能 合成反应 渗透能 分泌 吸收 电能 生物电 热能 体温维持 光能 生物发光 UTP GTP CTP TTP合成 供能 ATP 5 ATP生成的途径 光合磷酸化氧化磷酸化 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 储能物质 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 二 氧化磷酸化作用 定义 代谢物的氧化作用与ADP的磷酸化作用相偶联生成ATP的过程 根据氧化方式不同分为两类底物水平磷酸化氧化磷酸化电子传递链磷酸化 P185 1 底物水平磷酸化 无O2参与 S M P ADP ATP 定义 底物被氧化的同时 分子内部能量重新分布产生高能磷酸化合物 高能磷酸化合物在酶 激酶 的作用将高能磷酸基团转移至ADP上形成ATP的过程 与底物催化过程相伴的无氧ATP形成机制 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶 GTP ADP GDP ATP 琥珀酰CoA合成酶 2 电子传递体系磷酸化 通常称的氧化磷酸化 电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给O2形成水时 同时偶联ADP磷酸化为ATP 这一过程称电子传递体系磷酸化 氧化过程和磷酸化过程同时进行 与电子传递链相伴的有氧ATP形成机制 P O 一对电子经呼吸链传给氧原子的过程中所产生的ATP分子数 实质指每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸 产生ATP的摩尔数 3 P O比和氧化磷酸化偶联部位 1940年S Ochoa提出P O比概念 NADH链 P O 3 FADH2链 P O 2 偶联部位的证实 专一性的抑制剂 电化学实验当传递体间 E0 0 18时 满足ADP Pi ATP的需要 NADH FMN CoQ b c1 c a a3 O2 0 32 0 30 0 1 0 07 0 22 0 25 0 29 0 39 0 816 ATP ATP ATP 复合物I III和IV具有质子泵功能 能利用电子传递释放的自由能将质子泵出线粒体内膜 形成质子电化学梯度 此梯度可推动ATP的合成 氧化磷酸化的耦联部位是 复合物I III和IV 三 氧化磷酸化的偶联机制 化学偶联假说 1953 chemicalcouplinghypothesis 构象偶联假说 1964 conformationalcouplinghypothesis 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 1 化学渗透学说 P Mitchell 英 1961年提出 1978年诺贝尔化学奖 在电子传递和ATP合成之间起偶联作用的是质子电化学梯度 要点 线粒体内膜是完整的封闭系统 内膜上递氢体和递电子体交替排列 催化反应定向进行e传递过程中释放的能量将H 由内膜内侧泵到内膜外侧 内膜对H 不通透 阻止H 自由进入 形成膜内外质子电化学梯度 足够大的质子电化学梯度使质子经F1 F0复合体回到内膜内侧 推动ADP磷酸化形成ATP 化学渗透假说示意图 ATP合酶是ATP合成的场所 FO镶嵌在内膜中 是膜外质子返回膜内的通道 F1伸向膜内基质 是催化ATP合成的部位 当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成 2 ATP的合成机制 FOF1 ATP合酶 3 ATP酶的旋转催化理论 Boyer P D 1994 L O T 四 氧化磷酸化的阻断作用 电子传递抑制剂氧化磷酸化抑制作用解偶联作用离子载体抑制作用 2 氧化磷酸化抑制作用 既抑制氧的利用又抑制ATP的生成 但不直接抑制呼吸链上载体的作用 如寡霉素 阻断方式 寡霉素 通过抑制ATP合酶Fo质子通道的作用抑制氧化磷酸化 1 电子传递抑制作用 如鱼藤酮 安密妥等 概念 将电子传递过程和ATP形成过程分离的作用称为 产生这种作用的物质为 能抑制ATP的形成 但不抑制电子传递 不抑制底物水平磷酸化 解偶联剂 2 4 二硝基苯酚 DNP 3 解偶联作用与解偶联剂 uncoupler 中性解离脂不溶不能过膜酸性不解离脂溶容易过膜质子载体 将H 带入膜内 消除跨膜的 H 梯度 中性 酸性 DNP的解偶联机制 呼吸链可与磷酸化脱离 能量全部转化为热 熊冬眠婴儿初生哺乳动物 颈背部褐色脂肪细胞 维持体温 4 离子载体抑制剂 ionophores 能与某些一价阳离子结合 作为载体使离子穿过线粒体内膜 消除跨膜电位梯度 例如 颉氨霉素 可结合K 离子短杆菌肽 K Na 五 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用 甘油 3 磷酸穿梭作用 肌肉 神经组织 苹果酸 天冬氨酸穿梭作用 肝 肾等组织 植物细胞质NADH的转运 真核胞液中的NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成ATP 1 甘油 3 磷酸穿梭作用 胞质的甘油 3 磷酸脱氢酶 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭作用 P O 3或2 5 3 植物细胞质