生物氧化与氧化磷酸化2PPT课件

1、目录第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述第二节第二节 电子传递链电子传递链( (呼吸链呼吸链) )第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化第四节第四节 其他氧化酶系其他氧化酶系（自学）（自学）第1页/共54页第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述一、一、生物氧化的概念和特点生物氧化的概念和特点二、二、生物能学简介生物能学简介三、三、 高能化合物高能化合物第2页/共54页生物氧化的特点和方式生物氧化的特点和方式1 1、生物氧化的特点2 2、生物氧化过程中COCO2 2的生成和H H2 2O O的生成3 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COCO2

2、 2和H H2 2O O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidationbiological oxidation），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。第3页/共54页生物氧化的特点 在活的细胞中（在活的细胞中（pHpH接近中性、体温条件下），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。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（如高能化合物（如ATPATP）

3、截获，再供给机体所需。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而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。用。第4页/共54页生物氧化体外燃烧细胞内进行有酶的参与无酶的参与体外进行能量逐步释放并转化成ATP能量一次释放转换成光和热生物氧化的特点（与燃烧的区别）： 第5页/共54页COCO2 2的生成 方式方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2 2。 类型类型：-

4、脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第6页/共54页H2O的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（体（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等）所接受，再通过等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙

5、醇脱氢酶例：12 O2NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+第7页/共54页脂肪葡萄糖、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CoAe-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第8页/共54页二、生物能学简介1 1、生物能的转换2 2、自由能的概念及化学反应自由能的计算第9页/共54页第10页/共54页自由能（free energyfree energy）的概念 定义式：

6、= =H-TSH-TS 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： G0G0G0，反应不能自发进行 G=0G=0，反应处于平衡状态。第11页/共54页化学反应自由能的计算 a.a.利用化学反应平衡常数计算 基本公式：G=GG=G+ RTlnQc + RTlnQc (Qc-(Qc-浓度商) ) GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 b.b.利用标准氧化还原电位（E E ）计算（限于氧化还原反应） 基本公式：GG=nFEnFE (E (E=E=E+ +-E-E- -) 例：计算NADHN

7、ADH氧化反应的GG第12页/共54页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：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19-1G=GG=G+ RTlnQc (+ RTlnQc (Qc-Qc-浓度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1log0.1 =-13.6 =-13.6KJ.mol-1未达平衡时 =Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，

8、求 G0 。如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， 求反应的 G 是多少？例题：第13页/共54页例题：计算下面反应式GGNADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+ +H+H2 2O O正极反应：1/21/2O O2 2+2H+2H+ +2e+2e- - H H2 2O O E E+ + 0.820.82负极反应： NADNAD+ +H+H+ +2e +2e NADHNADH E E- - -0.32 -0.32GG -nFE-nFE -2-296403964030.82-(-0.32)0.82-(-0.32) -220 KJ-220 KJmol

9、mol-1-1 第14页/共54页三、高能化合物1 1、高能化合物的类型 2 2、ATPATP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（2121千焦/ /摩尔）的化合物称为高能化合物。第15页/共54页高能化合物类型第16页/共54页ATPATP的特点 在pH=7pH=7环境中，ATPATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4 4个负电荷的离子形式（ATPATP4-4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（GG=-30.5=-30.5千焦/ /摩尔）。腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- +

10、H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1第17页/共54页ATPATP的特殊作用 ATPATP是细胞内的“能量通货” ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物） 6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第18页/共54页第二节第二节 电子传递链电子传递链( (呼吸链呼吸链) ) 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、

11、电子传递抑制剂第19页/共54页线粒体结构第20页/共54页线粒体呼吸链 线粒体基质是呼吸底物氧线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产化的场所，底物在这里氧化所产生的生的NADHNADH和和FADHFADH2 2将质子和电子转将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后氢载体和电子载体的传递，最后传递给传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。这种由载体组这种由载体组成的电子传递系统称成的电子传递系统称电子传递链电子传递链（eclctron transfer chain),eclctron transfer chain),因

12、因为其功能和呼吸作用直接相关，为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为亦称为呼吸链呼吸链。第21页/共54页呼吸链的组成1.1.烟酰胺脱氢酶类2. 2. 黄素蛋白酶类3. 3. 铁- -硫蛋白类4 4. . 辅酶（ubiquinone,ubiquinone,亦写作CoQCoQ）5 5. . 细胞色素类（cytochromes）NADH辅 酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黄素蛋白（F AD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上 第22页/共54页烟酰胺脱氢酶类 特点特点：以

13、：以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +为辅酶，存在于线为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。粒体、基质或胞液中。 传递氢机理传递氢机理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +第23页/共54页黄素蛋白酶类 特点特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别：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）递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第24页/共54页铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子

14、机理：Fe3+ Fe2+ -e 特点特点：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FeS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。第25页/共54页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。 +2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2H第26页/共54页细胞色素 传递电子机理传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特点特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。 类别类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1

15、、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，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。第27页/共54页典型的呼吸链 FAD呼吸链NADH呼吸链第28页/共54页NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代 谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 细胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H

16、+H2O延胡索酸第29页/共54页第30页/共54页呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第31页/共54页电子传递中有四个复合体参与(P179)：NADH脱氢酶（复合体I）琥珀酸脱氢酶（复合体 ）细胞色素还原酶（复合体 III ）细胞色素氧化酶（复合体）第32页/共54页电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物 II复合物 IV复合物 I复合物 IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶第33页/共54页呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第34

17、页/共54页电电子子传传递递 抑抑制制剂剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物 II复合物 IV复合物 I复合物 III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO第35页/共54页第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化一、 氧化磷酸化氧化磷酸化和和磷氧比（磷氧比（P/O）的概念的概念二、二、氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理三、三、 线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用四、四、能荷能荷 第36页/共54页氧化磷酸化 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+PiATPATP）, ,这种氧化

18、放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别类别： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中释放出的自由能第37页/共54页磷氧比（ P/O ）呼吸过程中无机磷酸（P Pi i）消耗量和分子氧（O O2 2）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ATPATP消耗一分子P Pi i ，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ATPATP分子数。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2

19、O OH H2 2O O例 实测得NADHNADH呼吸链： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得FADHFADH2 2呼吸链： P/O 2O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP第38页/共54页二、氧化磷酸化的偶联机理1 1、化学渗透假说2 2、氧化磷酸化的抑制 解偶联剂和离子载体抑制剂 氧化磷酸化抑制剂第39页/共54页线粒体ATP酶第40页/共54页化学渗透假说示意图化学渗透假说示意图P1842H+2H+2H+2H+NAD

20、H+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜磷酸化 氧化 第41页/共54页2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外第42页/共54页化学渗透假说示意化学渗透假说示意图图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-2e-2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜F0-F1寡霉素第43页/共54页三、三、

21、线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作的氧化磷酸化作用用 磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统 酵解（细胞质）氧化磷酸化 （线粒体）第44页/共54页 -磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）（细胞液）第45页/共54页苹果酸穿梭系统细胞液细胞液线粒体内膜体线粒体内膜体天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸

22、苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、 、 、 为膜上的转运载体）呼吸链第46页/共54页四、能四、能 荷荷定义式：能荷定义式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意义意义： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相对数量决定，数值在的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和和AMP作为代谢中某些酶分作为代谢中某些酶分子的别子的别构效应物构效应物进行进行变构调节变构调节来实来实现。现。能荷相对速率ATP的利用途径 ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用