生物氧化ppt课件

1、生生 物物 氧氧 化化Biological Biological OxidationOxidation物质在生物体内进展氧化分解称为生物物质在生物体内进展氧化分解称为生物氧化氧化(biological oxidation) (biological oxidation) ，主要指糖、，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐渐释放能脂肪、蛋白质等在体内分解时逐渐释放能量，最终生成量，最终生成CO2CO2和和H2OH2O的过程。的过程。定义：定义： 分为：分为： 线粒体内：线粒体内：ATPATP生成生成 线粒体外：无线粒体外：无ATPATP生成，生成， 生物转化生物转化生物氧化又称为细胞呼吸或组织呼

2、吸。生物氧化又称为细胞呼吸或组织呼吸。糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的普经过程生物氧化的普经过程生物氧化的特点生物氧化的特点1.1.生物氧化与体外氧化之一样点生物氧化与体外氧化之一样点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵照氧化复原反响的普通规律。失电子，遵照氧化复原反响的普通规律。 物质在体内外氧化时所耗费的氧量、最终产物质在体内外氧化时所耗费的氧量、最终产物物CO2CO2，H2OH2O和释放能量均一样。和释放能

3、量均一样。 反响环境温暖，酶促反响反响环境温暖，酶促反响逐渐进展，能量逐渐释放，逐渐进展，能量逐渐释放，能量容易捕获，能量容易捕获，ATPATP生效生效果率高。果率高。 经过加水脱氢反响使物质经过加水脱氢反响使物质能间接获得氧，并添加脱能间接获得氧，并添加脱氢的时机；脱下的氢与氧氢的时机；脱下的氢与氧结合产生结合产生H2OH2O，有机酸脱，有机酸脱羧产生羧产生CO2CO2。n 生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化 能量忽然释放。能量忽然释放。 物质中的碳和氢物质中的碳和氢直接与氧结合生直接与氧结合生成成CO2和和H2O 。 第第1 1节节生成生成

4、ATPATP的氧化体系的氧化体系代谢物脱下的成对氢原子代谢物脱下的成对氢原子2H经过多种经过多种酶和辅酶所催化的连锁反响逐渐传送，最终与酶和辅酶所催化的连锁反响逐渐传送，最终与氧结合生成水。氧结合生成水。一、呼吸链一、呼吸链 由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传送由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传送链称为呼吸链链称为呼吸链(respiratory chain)(respiratory chain)。呼吸链呼吸链递氢体递氢体递电子体递电子体(2H(2H2H+2e)2H+2e)电子传送链电子传送链( (一一) ) 呼吸链的组成呼吸链的组成黄素蛋白黄素蛋白NAD+和和NADP+的构造的构造一尼克酰

5、胺腺嘌呤二核苷酸一尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+NAD+NAD+的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H。NAD+NADP+和和NADHNADPH相互转变相互转变氧化复原反响时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化复原反响时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN构造中含有核黄素，发扬功能的部位是构造中含有核黄素，发扬功能的部位是异咯嗪环。异咯嗪环。二黄素蛋白二黄素蛋白110FAD构造中也含核黄素，发扬功能的部位是构造中也含核黄素，发扬功能的部位是异咯嗪环。异咯嗪环。110三铁硫蛋白三铁硫蛋白Fe-SFe2+ Fe2+ Fe3+e Fe3+e四泛醌四泛醌泛醌辅酶泛醌辅酶Q, CoQ, Q由多个异戊二烯衔接

6、由多个异戊二烯衔接构成较长的疏水侧链人构成较长的疏水侧链人CoQ10氧化复原反响时可生成中间产物半醌型泛醌。氧化复原反响时可生成中间产物半醌型泛醌。五细胞色素体系五细胞色素体系1. 1. 是位于线粒体内膜的含铁的电子传送体。其辅基是位于线粒体内膜的含铁的电子传送体。其辅基为铁卟啉。为铁卟啉。2. 2. 根据吸收光谱的不同可分为根据吸收光谱的不同可分为a a、b b、c c三类。每一三类。每一类又可分为几种亚类。类又可分为几种亚类。3. 3. 线粒体的电子传送链含五种不同的细胞色素：线粒体的电子传送链含五种不同的细胞色素：CytbCytb、CytcCytc、Cytc1Cytc1、CytaCyta

7、、Cyta3Cyta3。 Cyta Cyta与与Cyta3Cyta3是电子传送链中最后一个载体，是电子传送链中最后一个载体，很难分开，二者以复合物方式存在，又称为细胞色很难分开，二者以复合物方式存在，又称为细胞色素氧化酶素氧化酶(cytochrome oxidase)(cytochrome oxidase)。Cyta3Cyta3可将电子直接传送给氧分子。可将电子直接传送给氧分子。在呼吸链中具有四种传送电子功能的酶复合体在呼吸链中具有四种传送电子功能的酶复合体(complex) 人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NAD

8、H-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体又

9、称又称NADH-泛醌复原酶。泛醌复原酶。 复合体复合体电子传送：电子传送：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ。 每传送每传送2个电子可将个电子可将4个个H+从内膜基质侧泵到从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体胞浆侧，复合体有质子泵功能。有质子泵功能。1、复合体、复合体作用是将作用是将NADH+H+中的电子传送中的电子传送给泛醌给泛醌(ubiquinone)。复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2复原型复原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2 复合体复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸称琥珀酸-泛醌复原酶。泛

10、醌复原酶。 电子传送：琥珀酸电子传送：琥珀酸FAD几种几种Fe-S CoQ 复合体复合体没有没有H+泵的功能。泵的功能。2、复合体、复合体功能是将电子从琥珀酸传送到泛醌。功能是将电子从琥珀酸传送到泛醌。3 3、复合体、复合体功能是将电子从复原型泛醌传送给细功能是将电子从复原型泛醌传送给细胞色素胞色素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c1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

11、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 复合体复合体又称细胞色素又称细胞色素c氧化酶氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传送：电子传送：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2。 Cyt a3CuB构成活性双核中心，将电子传送给构成活性双核中心，将电子传送给O2。每。每2个电子传送过程使个电子传送过程使2个个H+跨内膜向胞浆跨内膜向胞浆侧转移侧转移 。4、复合体、复合体将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传送给氧传送给氧复复合合体体的的电电子

12、子传传送送过过程程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形状呼吸链缓慢给氧复原形状呼吸链缓慢给氧二呼吸链成分的陈列顺序二呼吸链成分的陈列顺序 由以下实验确定: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)(V)氧化还原对氧化还原对E0 (V)NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.23FMN /FMNH20.30Cyt c Fe3+ /Fe2+0.25FAD /FADH20.06Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Q10 /Q10H20.04(0.

13、 01)Cyt a3 Fe3+ /Fe2+0.55Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.071/2O2 /H2O0.82复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体CoQCoQCytCCytC三主要的呼吸链三主要的呼吸链1. 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 复合体复合体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 复合体复合体O2 NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链NADHFMN(Fe-S)琥珀琥珀酸酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt aa

14、3O2Cyt c二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)(oxidative phosphorylation)定义：定义：代谢物氧化脱氢经呼吸链传送给氧生成水的代谢物氧化脱氢经呼吸链传送给氧生成水的同时，释放能量用以使同时，释放能量用以使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，由，由于是代谢物的氧化反响与于是代谢物的氧化反响与ADP的磷酸化反响偶联的磷酸化反响偶联发生，故称为氧化磷酸化。发生，故称为氧化磷酸化。呼呼 吸吸 链链AH2 2H(2H+2e)A能量能量O21 2 氧氧 化化H2OADP+PiATP磷酸化磷酸化偶偶联联1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷

15、酸甘油酸 3- 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸琥珀酰琥珀酰CoA CoA 琥珀酸琥珀酸底物程度磷酸化底物程度磷酸化(substrate level phosphorylation) (substrate level phosphorylation) ：是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADPADPGDPGDP磷酸化生成磷酸化生成ATP ATP GTPGTP的过程。的过程。( (一一) ) 氧化磷酸化的耦联部位氧化磷酸化的耦联部位1 1、P/OP/O比值测定比值测定P/OP/O比值指每耗费一摩尔氧原子所需的比

16、值指每耗费一摩尔氧原子所需的无机磷的摩尔数。无机磷的摩尔数。 在氧化磷酸化过程中，无机磷酸是用于在氧化磷酸化过程中，无机磷酸是用于ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的，所以无机磷的原子数可的，所以无机磷的原子数可间接反映间接反映ATPATP的生成数。的生成数。呼呼 吸吸 链链AH2 2H(2H+2e)A能量能量O21 2 氧氧 化化H2OADP+PiATP磷酸化磷酸化偶偶联联 经过测定离体线粒体内几种物质氧化时的经过测定离体线粒体内几种物质氧化时的P/OP/O比值，可大体推测出偶联部位。比值，可大体推测出偶联部位。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

17、值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.8 3Cyt c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 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 12.2.电子传送链自在能变化电子传送链自在能变化 区区段段电电位位变变化化(E)自自由由能能变变化化G=-nFE能能否否生生成成ATP(G是是否否大大于于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ

18、/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能ATPATP ATP氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀琥珀酸酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt c1Cyt aa3O2Cyt c( (二二) ) 氧化磷酸化耦联机制氧化磷酸化耦联机制1、化学浸透假说、化学浸透假说(chemiosmotic hypothesis)电子经呼吸链传送电子经呼吸链传送时，可将质子时，可将质子(H+)从线从线粒体内膜的基质侧泵到粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存外质

19、子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学浸透假说简单表示图化学浸透假说简单表示图化学浸透假说化学浸透假说 氧化磷酸化依赖于完好封锁的线粒体内膜；氧化磷酸化依赖于完好封锁的线粒体内膜； 线粒体内膜对线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不离子是不通透的；通透的； 电子传送链可驱动质子移出线粒体，构成可测定电子传送链可驱动质子移出线粒体，构成可测定的跨内膜电化学梯度；的跨内膜电化学梯度； 添加线粒体内膜

20、外侧酸性可导致添加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线合成，而线粒体内膜参与使质子经过物质可减少内膜质子梯粒体内膜参与使质子经过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传送，但度，结果电子虽可以传送，但ATP生成减少。生成减少。 n化学浸透假说曾经得到广泛的实验支持。化学浸透假说曾经得到广泛的实验支持。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 电子传送过程复合体电子

21、传送过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和和 (2H+)有质子泵功能。有质子泵功能。 2. ATP合酶合酶F1：亲水部分：亲水部分 33亚基复合体，线粒体内膜的基亚基复合体，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化质侧颗粒状突起，催化ATP合成。合成。 F0：疏水部分：疏水部分ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚亚基，动物还有其他辅助亚基，镶嵌在线粒体内膜中，构成跨内膜质子通道基，镶嵌在线粒体内膜中，构成跨内膜质子通道 。1 1、呼吸链抑制剂、呼吸链抑制剂 复合体复合体抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A A及异戊及异戊巴比妥与铁硫蛋白结合阻断电子传送。巴比妥与铁硫蛋白结合阻断电

22、子传送。三、影响氧化磷酸化的要素三、影响氧化磷酸化的要素( (一一) )抑制剂抑制剂复合体复合体抑制剂：抗霉素抑制剂：抗霉素A A、二巯丙醇抑制、二巯丙醇抑制cytbcytb与与cytc1cytc1之间电子传送。之间电子传送。复合体复合体抑制剂：抑制剂：COCO、CNCN、H2SH2S抑制细胞色素抑制细胞色素c c氧化酶，阻断电子传送给氧化酶，阻断电子传送给O2O2。鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点NADHFMN(Fe-S)琥珀琥珀酸酸FAD(Fe-

23、S)CoQCyt bCyt c1Cyt aa3O2Cyt c2 2、解偶联剂、解偶联剂 解偶联剂解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联可使氧化与磷酸化的偶联相互分别，根本作用机制是破坏电子传送过程建立的相互分别，根本作用机制是破坏电子传送过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量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，以热能方式释放，ATP的生成遭到抑制。的生成遭到抑制。 如：二硝基苯酚如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ； 解偶联蛋白解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。解偶联蛋白作用机制棕色脂肪组

24、织线粒体解偶联蛋白作用机制棕色脂肪组织线粒体Cyt 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 3.3.氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂这类抑制剂对电子传送及这类抑制剂对电子传送及ADP磷酸化均有抑制造用。磷酸化均有抑制造用。 寡霉素寡霉素(oligomycin) 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。 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。化学浸透表示图及各种抑制剂对电子传送链的影响

25、化学浸透表示图及各种抑制剂对电子传送链的影响二二ADP ADP 的调理作用的调理作用 ADP ADP或或ADP/ATPADP/ATP比率是调理氧化磷比率是调理氧化磷酸化速率的主要要素。酸化速率的主要要素。ADPADP，氧化磷酸化速率，氧化磷酸化速率ADPADP，氧化磷酸化速率，氧化磷酸化速率 Na+ Na+，K+K+ATPATP酶和解偶联蛋白基因表达均添加。酶和解偶联蛋白基因表达均添加。三甲状腺激素三甲状腺激素 甲亢患者根底代谢率高，产热添加，喜冷甲亢患者根底代谢率高，产热添加，喜冷怕热，易出汗。怕热，易出汗。四、四、ATPATP一一ATPATP与高能磷酸化合物与高能磷酸化合物u高能磷酸键高能

26、磷酸键u水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于20KJ/mol20KJ/mol的磷酸酯键，的磷酸酯键，常表示为常表示为P P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物u含有高能磷酸键的化合物。含有高能磷酸键的化合物。由酰基和硫醇基构成的高能化合物，称为由酰基和硫醇基构成的高能化合物，称为高能硫酯化合物。高能硫酯化合物。( (二二)ATP)ATP的转换、储存和利用的转换、储存和利用1. 1. 参与糖、脂类及蛋白质的生物合成过程参与糖、脂类及蛋白质的生物合成过程ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用

27、 ADP + ADP ATP + AMP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶2. 2. 磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的储存方式磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的储存方式ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 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) )生物体内能量的储存和利生物体内能量的储存和利用都以用都以ATP为中心。为中心。 ATP ATP的生成和利用的生成和利用五、经过线粒体内膜的物质转运五、

28、经过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质经线粒体外膜通透性高，线粒体对物质经过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。对各种物质的转运。转运蛋白转运蛋白进入线粒体进入线粒体出线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶转位酶ADPATP磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4- + H+H2PO4- + H+-酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运线粒体内膜的某些转运蛋白对代