生物化学 生物氧化 ppt课件

1、生物氧化生物氧化Biological Oxidation营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水和二氧化碳，并释放能量的过程，称生物氧化和二氧化碳，并释放能量的过程，称生物氧化(biological oxidation) ，又称，又称 细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)。n生物氧化的概念生物氧化的概念 营养物质营养物质根本单位根本单位糖原糖原葡萄糖葡萄糖脂肪脂肪脂肪酸脂肪酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸CO22HH2O呼吸链呼吸链ADP+Pi ATP阶段阶段 乙酰乙酰CoACoA阶段阶段阶段阶段 TAC 线粒体线粒体 第一节第一节 生物氧化的

2、特点及其酶类生物氧化的特点及其酶类一、生物氧化的方式和特点一、生物氧化的方式和特点酶促反响：体内、近中性、酶促反响：体内、近中性、 37、有水环境；、有水环境； CO2：脱羧产生；：脱羧产生； 水：底物脱氢经呼吸链传水：底物脱氢经呼吸链传送电子、泵出质子，与氧结合生成。送电子、泵出质子，与氧结合生成。能量：逐渐释放，利用率高，合成能量：逐渐释放，利用率高，合成ATP及维持及维持体温；体温；氧化速率：受生理功能需求和内外环境变化调氧化速率：受生理功能需求和内外环境变化调控控二、生物氧化中二、生物氧化中CO2的生成的生成 一一-脱羧脱羧 1. -单纯脱羧单纯脱羧 R RH2N CCOOH H2NC

3、H H HCO22.-氧化脱羧氧化脱羧CH3C=O + HSCoA+NAD+COOHCH3CO SCoA+NADH+H+CO2丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶氨基酸氨基酸 胺胺丙酮酸丙酮酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A(二二-脱羧脱羧1.-单纯脱羧单纯脱羧2.-氧化脱羧氧化脱羧CH2-COOHCH-COOHOH+NADP+CH3C-COOHO+ NADPH+H+CO2苹果酸酶苹果酸酶CH2-COOHC=OCOOHCH3C=OCOOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶CO2草酰乙酸草酰乙酸 丙酮酸丙酮酸苹果酸苹果酸 丙酮酸丙酮酸三、生物氧化的酶类三、生物氧化的酶类一氧化酶辅基多为含铁和铜的金

4、属离子一氧化酶辅基多为含铁和铜的金属离子二需氧脱氢酶辅基为二需氧脱氢酶辅基为FMN或者或者FADSH2SFMN or FADFMNH2 or FADH2O2H2O2SH2S2Cu2+2Cu+1/2O2O2-2e-H2O2H+(三不需氧脱氢酶三不需氧脱氢酶NADH+H+琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸FADFADH2呼吸链呼吸链琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸NAD+四加氧酶四加氧酶加单氧酶加单氧酶 RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O加双氧酶加双氧酶五过氧化物酶系五过氧化物酶系第二节第二节 生成生成ATPATP的生物氧化体系的生物氧化体系(The Oxidation S

5、ystem of ATP Producing)一、线粒体内膜的转运作用一、线粒体内膜的转运作用一线粒体的构造一线粒体的构造structure of mitochondria)内膜内膜外膜外膜基质基质胞浆胞浆膜间隙膜间隙H+H+H+H+e-e-e-e-二二 线粒体外线粒体外NADH+H+转运进入线粒体转运进入线粒体 苹果酸苹果酸-天冬酸穿越作用天冬酸穿越作用malate-aspartate shuttle 可生成可生成2.5分子分子ATP 主要存在于肝和心肌主要存在于肝和心肌2. -磷酸甘油穿越磷酸甘油穿越 (-glycerophosphate shuttle 可生成可生成1.5分子分子ATP

6、主要存在于脑和骨骼肌主要存在于脑和骨骼肌苹果酸苹果酸-天冬酸穿越天冬酸穿越：酸性氨基酸载体；：酸性氨基酸载体；：-酮戊二酸载体；酮戊二酸载体； ：天冬氨酸转氨酶；：苹果酸脱氢酶：天冬氨酸转氨酶；：苹果酸脱氢酶-磷酸甘油穿越主要存在于脑和骨骼肌中磷酸甘油穿越主要存在于脑和骨骼肌中 内膜内膜 外膜外膜膜间隙膜间隙 基质基质 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 NADH+H+ -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 二、氧化呼吸链二、氧化呼吸链(oxidati

7、ve respiratory chain) 线粒体内膜中由一系列电子传送复合体按一定线粒体内膜中由一系列电子传送复合体按一定顺序陈列成的链锁性氧化复原体系称为氧化呼吸顺序陈列成的链锁性氧化复原体系称为氧化呼吸链链, ,又称电子传送链又称电子传送链(electrotranfer chain).(electrotranfer chain).一、呼吸链的组成及作用一、呼吸链的组成及作用 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1、复合体、复合体(NADH-泛醌氧化复原酶泛醌氧化复原酶)作用作用 -将将NADH+H

8、+中的电子传送给泛醌中的电子传送给泛醌(1) 构造：构造：“L型型NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2复原型复原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2膜间隙膜间隙辅基递电子的机理辅基递电子的机理 FMN或或FAD中的异咯嗪接受中的异咯嗪接受1e、1个个H+成半醌型成半醌型FMN 或或FAD，再接，再接受受1个个e、1个个H+成复原型成复原型FMN或或FAD 。 氧化型氧化型FMN或或FAD复原型复原型FMN或或FAD半醌型半醌型FMN或或FAD铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进展子和硫原子，其中一个铁原子可

9、进展Fe2+ Fe3+e 反响传送电子。属于单电子传送体。反响传送电子。属于单电子传送体。 表示无机硫表示无机硫Fe泛醌辅酶泛醌辅酶Q, CoQ, Q由多个异戊二烯衔接构由多个异戊二烯衔接构成较长的疏水侧链人成较长的疏水侧链人CoQ10，氧化复原反响时可，氧化复原反响时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可挪动电子载体，生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可挪动电子载体，在各复合体间募集并穿越传送复原当量和电子。在电在各复合体间募集并穿越传送复原当量和电子。在电子传送和质子挪动的偶联中起着中心作用。子传送和质子挪动的偶联中起着中心作用。 (2) 传送电子的机理传送电子的机理4Fe-4S2Fe-2S 琥珀

10、酸脱氢琥珀酸脱氢FAD几种几种Fe-S CoQ QH2 经经-磷酸甘油穿越生成的磷酸甘油穿越生成的FADH2，也在此，也在此 递氢给递氢给Q生成生成QH2。2、复合体、复合体功能琥珀酸功能琥珀酸-泛醌复原酶泛醌复原酶 -将电子从琥珀酸传送到泛醌将电子从琥珀酸传送到泛醌3 3、复合体、复合体功能泛醌功能泛醌- -细胞色素细胞色素C C复原酶复原酶 - -将电子从复原型泛醌传送给细胞色素将电子从复原型泛醌传送给细胞色素c c 复合体复合体又叫泛醌又叫泛醌-细胞色素细胞色素C复原酶，细胞色复原酶，细胞色素素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素细胞色素c

11、1和一种可挪动的铁硫蛋白和一种可挪动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌从复合体泛醌从复合体、募集复原当量和电子并穿募集复原当量和电子并穿越传送到复合体越传送到复合体。 电子传送过程：电子传送过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传送的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。送的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。 Q循环：复合体循环：复合体III把把2分子分子QH2的的2个个e传给传给CytC ，另，另2个个e传给传给Q生

12、成生成1分子分子Q和和1分子分子QH2，并偶联泵出并偶联泵出 4个个H+到膜间隙的过程。到膜间隙的过程。功能：经过功能：经过Q循环传送电子、泵出质子循环传送电子、泵出质子4、复合体、复合体细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶 - 将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传送给氧传送给氧 13个亚基组成的跨膜酶蛋白；亚基个亚基组成的跨膜酶蛋白；亚基I、II、 为功能所必需；为功能所必需； I：Cyta、Cyta3-CuB2+活性中心活性中心, II ：2个个CuA2+组成的铜中心，组成的铜中心， ：构造不详；：构造不详；4Cyt c4e 铜中心传送铜中心传送4个个Cyt C的的4e给给4个个Cyt a 4个

13、个Cyt a再传此再传此4e到到Cyt a3-CuB2+中心，使中心，使1个个O2复原为复原为2个个 O2- ，结合，结合4H+生成生成 2H2O，同时把基质中，同时把基质中4H+泵入膜间隙。泵入膜间隙。 1QH2只能传只能传2e，故上述过程只生成，故上述过程只生成1H2O，泵出，泵出2个个H+功能功能 复合体复合体把把4个个Cyt c传来的传来的4个个e给给O2生成生成2H2O，并把并把4H+由基质泵出到膜间隙。由基质泵出到膜间隙。 过程：过程：质子泵质子泵proton pump 氧化呼吸链中在传送电子的同时能氧化呼吸链中在传送电子的同时能把质子从基质泵出到膜间隙的电子传送把质子从基质泵出到

14、膜间隙的电子传送复合体，有复合体复合体，有复合体、。酶复合体酶复合体分子分子(kD)亚基亚基 辅酶辅酶/辅基辅基 主要功能主要功能复合体(NADH-泛醌氧 化还原酶)1000 40 FMN、Fe-S传递NADH+H+中2个e到Q，并由基质向膜间隙泵出4个H+复合体(琥珀酸-泛醌氧 化还原酶)140 4 FAD、Fe-S传递琥珀酸中2个电子、2个质子到Q复合体(泛醌-细胞色素 氧化还原酶)250 11 血红素bH、bL、c1 Fe-S通过Q循环传递QH2中2个e到细胞色素C，并把4H+ 由基质泵出到膜间隙 细胞色素C*13 1 血红素C传递复合体中2个电子到复合体复合体(细胞色素C氧 化酶)20

15、0 13 血红素a、a3 CuA2+、CuB2+把4个Cyt c传来的4个e转交给O2，在摄取基质中4H+与O2生成2H2O的同时，把基质中另外4H+ 泵出到膜间隙哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能 呼吸链中各种氧化复原对的规范氧化复原电位呼吸链中各种氧化复原对的规范氧化复原电位氧化还原对氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.30Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.06Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH)

16、 Fe3+/Fe2+0.04(0.10)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.55Q10 /Q10H20.071/2O2 /H2O0.816二呼吸链的种类二呼吸链的种类二氧化呼吸链各传送体陈列顺序：二氧化呼吸链各传送体陈列顺序：由以下实验确定由以下实验确定: 规范氧化复原电位规范氧化复原电位 ; 拆开和重组拆开和重组; 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断; 复原外形呼吸链缓慢给氧复原外形呼吸链缓慢给氧NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复复合体合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复复合体合体

17、O2每对氢经过此呼吸链生成每对氢经过此呼吸链生成 2.5mol ATP;又称主要呼吸链又称主要呼吸链;以以NADH的方式进入的方式进入;每对氢经过此呼吸链生成每对氢经过此呼吸链生成1.5mol ATP;又称次要呼吸链和又称次要呼吸链和 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链以以FADH2 的方式进入的方式进入;三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化 氧化磷酸化营养物质脱氢生成的氧化磷酸化营养物质脱氢生成的NADH+H+或或FADH2，经氧化呼吸链传送电子、泵出质子构成，经氧化呼吸链传送电子、泵出质子构成质子梯度而蕴藏的电化学势能，被质子梯度而蕴藏的电化学势能，被ADP利用、磷利用、磷酸化生成酸化生成ATP的过程

18、，是体内生成的过程，是体内生成ATP的主要方式。的主要方式。 底物程度磷酸化底物程度磷酸化 代谢物脱氢或脱水引起分子内部代谢物脱氢或脱水引起分子内部能量聚集，高能键直接转移给能量聚集，高能键直接转移给ADP(GDP)磷酸化生磷酸化生成成ATP(GTP)的过程。不经电子传送。的过程。不经电子传送。ATP生成方式生成方式本质：氧化呼吸链氧化释能和本质：氧化呼吸链氧化释能和ADP磷酸化储能的偶联磷酸化储能的偶联一氧化磷酸化偶联部位一氧化磷酸化偶联部位线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O 比比值值底底 物物呼呼 吸吸链链 组组成成P/O 比比 值值生生成成 ATP 数数-

19、羟羟丁丁酸酸NAD + 复复合合体体CoQ 复复合合体体2.42.8 2.5Cytc复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ 复复合合体体1.7 1.5Cytc复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cytc复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素复复合合体体O20.61-0.68 1 氧化磷酸化中每耗费氧化磷酸化中每耗费1mol氧原子时，氧原子时，所耗费无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产所耗费无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产生生ATP的效率。的效率。磷氧比值磷氧比值P/OP/O电子传送链自在能变化电子传送链自在能变化 ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 1. ATP合

20、酶 2. 化学浸透假说二氧化磷酸化偶联机制二氧化磷酸化偶联机制ATP合酶构造方式合酶构造方式F1的功能是催化的功能是催化ATP生成生成F0的作用是构成质子的通道的作用是构成质子的通道亲水亲水F1：基质中，：基质中， 9个亚基个亚基(33)； 33为有中间孔隙的头部；为有中间孔隙的头部； 在此孔隙中，可转动；在此孔隙中，可转动； 与与1个个，与与衔接；衔接；疏水疏水F0： 跨越内膜，跨越内膜， 12-15个亚基个亚基ab2C9-12； C9-12排成对称排成对称C环；环； 基质侧衔接基质侧衔接,外侧衔外侧衔接接a; b2衔接衔接a与与;膜间隙膜间隙内膜内膜基质基质ATP合酶合酶a、c亚基构造亚基

21、构造2 2化学浸透学说化学浸透学说chemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesis 跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当H+H+从膜间从膜间隙回流到基质时释出能量，驱动隙回流到基质时释出能量，驱动ATPATP合成。合成。H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+pH8pH7H+浓度梯度浓度梯度电位梯度电位梯度 ABADP+Pi ATP ATP合酶合酶亚基经亚基经“结合变构机制合成结合变构机制合成ATP3

22、 3结合变构机制：结合变构机制：未接触未接触时为时为L型，型，可结合可结合ADP和和Pi；接接触触后变构为后变构为T 型，催型，催化化ADP和和Pi合成合成ATP；分开分开变构为变构为O型，型，释出释出ATP后，恢复为后，恢复为L型。型。ATP合酶的合酶的C环逆时针方向转动环逆时针方向转动 H+由膜间隙向基质由膜间隙向基质 回流推进回流推进C环逆时针环逆时针转动，带动转动，带动在头部在头部中央孔隙转动；中央孔隙转动；四、氧化磷酸化的调理及影响要素四、氧化磷酸化的调理及影响要素一调理：一调理：1 1、ADP/ATPADP/ATP调理作用最主要调理作用最主要: : ADP/ATP比值比值氧化磷酸化

23、增快氧化磷酸化增快呼吸控制呼吸控制respiratory control： 由于由于ATP/ADP比值变化对氧化磷酸化的调理效应比值变化对氧化磷酸化的调理效应 ，称谓吸控制称谓吸控制 ，调控的关键物质是，调控的关键物质是ADP。 呼吸控制呼吸控制氧化磷酸化减慢氧化磷酸化减慢 2. 甲状腺激素：甲状腺激素：甲状腺激素甲状腺激素Na+,K+ATP酶合成酶合成解偶联蛋白合成解偶联蛋白合成需求需求ATP合成合成ATP合成合成氧化磷酸化增快氧化磷酸化增快二线粒体二线粒体DNA突变的影响：突变的影响：点突变点突变LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经病( Lebers hereditary opt

24、ic neuropathy, ( Lebers hereditary optic neuropathy, LHON). LHON). 大片段丧失大片段丧失Kerans-Sayre综合症综合症 慢性进展性眼外肌麻木综合症慢性进展性眼外肌麻木综合症 突变渐进性积累突变渐进性积累帕金森氏病帕金森氏病(Parkinson(Parkinsons s病病) ) 1. 1. 呼吸链抑制剂：呼吸链抑制剂： 鱼藤酮、抗霉素鱼藤酮、抗霉素A A 、氰化物等氰化物等三某些化学试剂及药物的影响：三某些化学试剂及药物的影响：2.2.氧化磷酸化解偶联剂：氧化磷酸化解偶联剂： 2 2，4-4-二硝基酚二硝基酚(DNP)(D

25、NP)：破坏电子传送过程建：破坏电子传送过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能方式释放，梯度储存的能量以热能方式释放，ATPATP的生的生成遭到抑制成遭到抑制3. 3. 氧化磷酸化抑制剂：氧化磷酸化抑制剂： 寡霉素：可共价结合寡霉素：可共价结合F0F0的的c c亚基谷氨酸亚基谷氨酸残基，阻断质子从残基，阻断质子从F0F0质子半通道回流，抑质子半通道回流，抑制制ATPATP合酶活性。合酶活性。NADFMN(FeS)I IFAD(FeS)Cyt b Cyt c1(FeS) Cyt aa3 (Cu)CoQCyt cO2鱼藤酮鱼藤酮阿米妥阿米

26、妥粉喋霉素粉喋霉素A A 抗霉素抗霉素A A CN , N3,CO, H2S H+mH+cH+mH+cH+mH+c ATP ATP合酶合酶F1,F0,OSCPF1,F0,OSCPH+mH+c寡霉素寡霉素 2,4-2,4-二硝基酚二硝基酚双香豆素双香豆素氟羰基氰苯腙氟羰基氰苯腙缬氨霉素缬氨霉素 药物和试剂作用的药物和试剂作用的 氧化磷酸化位点氧化磷酸化位点 寡霉素寡霉素(oligomycin) 寡霉素寡霉素ATP合酶构造方式图合酶构造方式图可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回质子通道回流，抑制流，抑制ATP生生成。成。解偶联蛋白作用机制棕色脂肪组织线粒体解偶联蛋白作用机制棕色脂肪组织线粒体Cy

27、t cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能ADP+Pi ATP 2,4-2,4-二硝基酚二硝基酚双香豆素双香豆素氟羰基氰苯腙氟羰基氰苯腙缬氨霉素缬氨霉素 鱼藤酮鱼藤酮阿米妥阿米妥粉喋霉素粉喋霉素A A 抗霉素抗霉素A A CN , N3,CO, H2S 寡霉素寡霉素 五、五、ATP在能量代谢中的中心作用在能量代谢中的中心作用ATPATP循环循环ATP ADP 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物程度磷酸化底物程度磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )浸透能浸透能( (物质自动转运物质自动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )体内