第九章 生物氧化PPT课件

.,1,第九章生物氧化(biologicaloxidation),.,2,什么是生物氧化？,概念：糖、脂肪、蛋白质等生物燃料物质在生物体内进行氧化分解，逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。又称（细胞）呼吸作用(因为生物氧化是在组织细胞内进行的，消耗O2并放出CO2，所以生物氧化又称为组织呼吸或细胞呼吸作用。)方式：加氧、脱氢、失电子。提问：我们身体内的生物氧化与有机物体外氧化燃烧有何相同与区别？,.,3,答案：,相同点化学本质（物质、能量）不同点条件、过程（CO2的生成、H2O的生成、能量的生成呼吸链）点燃-酶催化CO2、H2O、能量的产生位置一体分离,乙酰CoA,TAC,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,(2H+2e),呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程：,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和常温）。氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。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。,生物氧化的特点,.,6,生物氧化主要讨论三个方面内容：,(1)细胞如何在酶作用下将有机化合物中的碳变成CO2？(2)在酶的作用下，细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的氢氧化成H2O？(3)当有机化合物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样贮存于ATP中？,.,7,二氧化碳的生成,体内二氧化碳的生成并不是代谢物中的碳原子与氧直接化合的结果，而是在酶的催化下代谢底物经一系列脱氢、加水等反应，转变成含羧基的化合物，然后经脱羧反应生成CO2，其中氧多来自H2O分子。生物氧化中有时需要H2O，有时产生H2O！,直接脱羧,（-脱羧）,（-脱羧）,氧化脱羧,：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。,.,9,水的生成-呼吸链,生物氧化中H2O的生成-生物氧化中所产生的H2O是代谢底物脱下的氢经呼吸链与氧结合而成的。概念代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。,.,10,注意,（1）此过程与细胞呼吸(经呼吸得到氧)有关，所以此传递链称为呼吸链。（2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶递氢体传递电子的酶和辅酶递电子体递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子传递体。,.,11,呼吸链的作用接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。,.,12,第一节生成ATP的氧化体系呼吸链;氧化磷酸化;影响氧化磷酸化的因素第二节其他氧化体系需氧脱氢酶和氧化酶;过氧化酶体中的酶类;超氧物歧化酶;微粒体中的酶类,.,13,第一节生成ATP的氧化体系,一、呼吸链（电子传递链）：递氢体和递电子体在线粒体内膜上构成一条递氢的连锁反应体系，称为呼吸链。（一）呼吸链的组成,.,14,线粒体的结构,呼吸链,.,15,.,16,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,.,17,氧化酶,2e,H2O,1/2O2,电子传递体,氢传递体,脱氢辅酶-2H,MH2,NADH链,辅酶Q,NADH-辅酶Q还原酶,细胞色素C还原酶,3复合体,细胞色素C,细胞色素氧化酶,4复合体,2e,间隙,.,18,NADH链是绝大部分有机物氢最终氧化的途径！,.,19,FADH2链以FADH2为起点，没有“”复合体，代以“”复合体，其余与NADH链相同。,呼吸链的组成1.复合体-NADH-泛醌还原酶：含黄素蛋白和铁硫蛋白（辅基FMN，Fe-S）组成：FMN+铁硫蛋白,铁硫蛋白电子传递体Fe3+eFe2+,.,20,.,21,功能氢传递体CoQ+2HCoQH2,泛醌即辅酶Q(CoQ),化学本质脂溶性醌类化合物（又称泛醌）,氧化态,还原态,.,22,2.复合体琥珀酸-泛醌还原酶含黄素蛋白（FAD）、铁硫蛋白和细胞色素b560,细胞色素（蛋白）a、a3、b、c、c1共性以卟啉铁为辅基,a类中的卟啉环,c类、b中的卟啉环,功能电子传递体Fe3+eFe2+,.,23,3复合体泛醌-细胞色素c还原酶,组成细胞色素b（Cytb562、b566）、C1蛋白+铁硫蛋白功能传递电子,.,24,4复合体细胞色素c氧化酶,组成Cyta+Cyta3+2铜（Cu)离子功能传递电子给氧,(名使Cytc氧化),.,25,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,呼吸链各组份的排列顺序(呼吸链简图),.,26,NADH链,FADH2链,1,2,3,Q,C,2,为什么是这样一个顺序呢？,Q,3,C,4,.,27,依据各传递体的Eo、复合体组成、链阻断试验提问：NADH链NADHFMNCoQbc1caa3O2判断各自所发生的“传递反应”Eo大小顺序？答案：升序。Eo-0.32-0.300.04(或0.1)0.070.220.250.290.82,（二）呼吸链中传递体的顺序确定,.,28,、氧化磷酸化作用（oxidativephosphorylation）,氧化氧化还原反应磷酸化特指ADP磷酸化成ATP（储能）根据氧化方式不同分为两类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）。无氧ATP形成机制,2电子传递体系氧化磷酸化：在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP，又称为偶联磷酸化。是与电子传递链相伴的有氧ATP形成机制。,底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：,.,30,氧化磷酸化的作用机理,是1961年由Mitchell提出的,.,31,通过X射线衍射技术分析其结构,当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合成酶利用以合成ATP。,ATP可合成机制,ATP合成酶的分子结构,.,32,P/O比值及氧化磷酸化的偶联部位,研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。,P/O比值：,物质氧化时，每消耗1摩氧原子所消耗的无机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。,实验：,-羟丁酸,抗坏血酸,细胞色素C(Fe2+),P/O=2.42.8生成3ATP,P/O=1.7生成2ATP,P/O=0.88生成1ATP,P/O=0.610.68生成1ATP,.,34,氧化磷酸化的偶联部位,P/O比值：物质氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数。,.,35,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。,.,36,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,.,37,自由能变化,合成每摩尔ATP需能30.5kj（7.3kcal）大约每0.2V电势差可以释放30.5kj,区段,电位变化(E),自由能变化G=-nFE,能否生成ATP(G是否大于30.5KJ),Cytaa3O20.53V102.3KJ/mol能,NAD+CoQ0.36V69.5KJ/mol能,CoQCytc0.21V40.5KJ/mol能,.,38,三、影响氧化磷酸化的因素,（一）呼吸链抑制剂,MH2,NADH,-0.32,FMN,-0.30,CoQ,+0.10,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,鱼藤酮安密妥粉蝶霉素A,抑制剂：,抗霉素A、二巯基丙醇,氰化物，CO，H2S，叠氮化合物,.,39,2.解偶联剂：氧化与磷酸化偶联过程脱离例如：二硝基苯酚,3氧化磷酸化抑制剂：对电子传递及ADP磷酸化均抑制例如：寡霉素,（二）ADP的调节作用ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢,.,40,（三）甲状腺素,甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。总效应：ATP合成，ATP分解也表现为氧耗，产热甲亢：易热，易喘，情绪激动,线粒体DNA(mitochondialDNA)氧自由基氧化磷酸化突变ATP呼吸链及线粒体蛋白质合成mtDNA病线粒体DNA病与衰老有关。,(四)线粒体DNA突变,.,42,四、ATP和其它高能磷酸化合物,ATP的结构,ATP的功能,为体内各种生理活动提供能量形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰,高能磷酸键与高能磷酸化合物,高能磷酸键：水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。ATP水解时释放的能量为30.5KJ/mol高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物,.,45,各种高能磷酸化合物的生成及其在能量转换,腺苷酸激酶(adenylatekinase),二磷酸核苷酸激酶,磷酸肌酸激酶(creatinephosphate,CP),肌酸,磷酸肌酸,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),.,49,ATP的作用,作为能量载体，提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量；供给机体生命活动所需的能量；生成核苷三磷酸（NTP）；将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸（creatinephosphate）形式储存。,ATP在能量转运中地位和作用,ATP是细胞内的“能量通货”ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,.,51,五.、线粒体外NADH的穿梭,胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。,.,52,胞液中NADH的氧化磷酸化,NADH+H+,NAD+,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,线粒体内膜,1、-磷酸甘油穿梭作用,-磷酸甘油,FAD,磷酸二羟丙酮,FADH2,NADHFMNCoQbc1caa3O2,主要存在于骨骼肌、神经细胞1对H进入FADH2呼吸链，产生2个ATP。,.,53,酵解,NADH,草酰乙酸,天冬氨酸,NAD+,苹果酸,苹果酸,NAD+,草酰乙酸,NADH,天冬氨酸,NADH呼吸链,2、苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统,主要存在于肝、心肌组织中。1对H进入NADH呼吸链，产生3个ATP。,NADH+H+,NAD+,谷氨酸-天冬氨酸转运体,苹果酸-酮戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线粒体内膜,基质,天冬氨酸,.,55,.,56,.,57,第二节非线粒体氧化体系,与ATP合成无关，但具有重要生理功能,.,58,1、微粒体氧化体系,主要在细胞的光滑内质网上进行。催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。,一个O加到底物分子上，另一个O则与NADPH上的二个H作用形成H2O，不生成ATP。加单氧酶。,RH+NADPH+H+O2ROH+NADP+H2O,生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。,2.过氧化物酶体