生物氧化专业知识市公开课获奖课件

1、生 物 氧 化Biological Oxidation第1页第1页有机物(主要指糖、脂肪、蛋白质等)在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2 和 H2O并释放能量过程称生物氧化(Biological Oxidation)，又称细胞氧化或细胞呼吸.糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能生物氧化概念 第2页第2页有机物中C CO2 (脱羧作用: TCA）有机物中H + O2 H2O (ETS）当有机物被氧化成CO2 和H2O时，释放能量如何储存于ATP（氧化磷酸化）广义生物氧化狭义生物氧化第3页第3页生物氧化特点和方式 条件温和（常温常压、近中性pH、有 水活细胞中）酶促反应

2、（是在一系列酶、辅酶和中间 传递体作用下逐步进行 逐步放能，释放能量储藏在ATP中第4页第4页 与磷酸化偶联 CO2是代谢物经脱羧作用产生 碳氧化与氢氧化是非同时进行 原核生物在细胞膜上进行，真核生物 在线粒体进行第5页第5页CO2生成 方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2 类型：-脱羧和-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：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第6页第6页H2O生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下氢由相应氢载体（NAD+、N

3、ADP+、FAD、FMN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H2O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢酶例：12 O2NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+第7页第7页化学反应自由能计算 a.利用化学反应平衡常数计算 基本公式：G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) G= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应自由能改变 b.利用原则氧化还原电位（E）计算（限于氧化还 原反应） 基本公式：G=nFE (E=E+-E-) 例：计算NADH氧化反应G第8页第8页计算磷酸葡萄糖异构酶反应自由能改变达平衡时 =Keq=19解：G= - RT

4、lnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商)=-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1=-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%，求 G0。假如反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应 G是多少？例题：第9页第9页例题：计算下反应式GNADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82负极反应：NAD+H+2e

5、 NADH E- -0.3G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1 第10页第10页 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应普通规律。物质在体内外氧化时所消耗氧量、最后产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第11页第11页是在细胞内温和环境中（体温，pH靠近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放，有助于机体捕获能量，提升ATP生成效率。进行广泛加水脱氢反应使物质能间接取得氧，并增长脱氢机会；脱下氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化能量是忽然释放。 产生

6、CO2、H2O由物质中碳和氢直接与氧结合生成。第12页第12页ATP相称于生物体内能量“转运站” 生物氧化过程产生能量通常都先贮存在一些特殊高能化合物中，主要是腺苷三磷酸，即ATP，然后通过ATP再供应机体需能反应，因此，是能量“流通货币” ATP是细胞内“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移中间载体第13页第13页ATP特点 在pH=7环境中，ATP分子中三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷离子形式（ATP4-），含有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+ATP4- + H2O ADP3

7、- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1第14页第14页糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC 2H 呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 * 生物氧化普通过程第15页第15页生物氧化方式 加氧反应 物质分子中直接加入氧分子或氧原子，这种物质即被氧化。【甲烷单加氧酶】 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O第16页第16页脱氢反应从作用物分子中脱下一对质子和一对电子。琥珀酸脱氢第17页第17页加水脱氢反应向作用物分子中

8、加入水分子，同时脱去两个质子和两个电子，其总结果是底物分子中加入一个来自水分子氧原子。脱电子（e）反应从作用物分子中脱下一个电子。细胞色素氧化酶Fe2+ Fe3+ + e-第18页第18页电子传递和氧化呼吸链第19页第19页电子传递链（呼吸链） 线粒体基质是呼吸底物氧化场合，底物在这里氧化所产生NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜载体上，通过一系列氢载体和电子载体传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体构成电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),由于其功效和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。第20页第20页电子传递链主要由下列五类电子传递体构成烟酰胺脱

9、氢酶类黄素脱氢酶类铁硫蛋白类细胞色素类辅酶Q（又称泛醌）它们都是疏水性分子。除脂溶性辅酶Q外，其它组分都是结合蛋白质，通过其辅基可逆氧化还原传递电子 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）第21页第21页四种含有传递电子功效酶复合体(complex) * 泛醌 和 Cyt c 均不包括在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素还原酶细胞色素氧化酶辅基FMN，Fe-S

10、FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu 多肽链数394 1013 复合体酶名称复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，Cu 多肽链数394 1013 第22页第22页NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物 II复合物 IV复合体 I复合物 IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链第23页第23页 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸

11、 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 e-e-e-e-e-第24页第24页烟酰胺脱氢酶类 特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理: NAD(P) + + 2H+ +2e NAD(P)H + H+第25页第25页黄素蛋白酶类 特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜构成蛋白类别：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：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第26页第26页1. 复合体: NADH-泛醌还原酶 功效: 将电子从NADH传递给泛醌 (u

12、biquinone) 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 由NADH脱氢酶（一个以FMN为辅基黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白（铁硫中心）构成 第27页第27页复合体功效 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2第28页第28页FMN结构中含核黄素，发挥功效部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。第29页第29页 铁硫蛋白 SS无机硫半胱氨酸硫第30页第30页泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长疏水侧链（人CoQ10）苯醌, 氧化还原反应时可生成中

13、间产物半醌型泛醌。第31页第31页辅酶Q 是呼吸链中唯一非蛋白氧化还原载体，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。可在膜中快速移动。它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下氢 第32页第32页2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 功效: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 含有1个FAD为辅基黄素蛋白、2个铁硫蛋白和1个细胞色素b 第33页第33页第34页第34页琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶结构简朴，由4个不同多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cyt b

14、560和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶作用是催化琥珀酸脱氢氧化和Q还原。第35页第35页细 胞 色 素（Cyt-Fe） 第36页第36页第37页第37页细胞色素种类较多已经发觉存在于高等动物线粒体电子传递链中细胞色素有b、c1、c、a和a3。其中细胞色素c为线粒体内膜外侧外周蛋白，其余均为内膜整合蛋白。 第38页第38页细胞色素排列顺序在典型线粒体呼吸链中，细胞色素排列顺序依次是：bc1caa3O2，其中仅最后一个a3可被分子氧直接氧化，但现在还不能把a和a3分开，故把a和a3合称为细胞色素氧化酶 在aa3分子中除铁卟啉外，尚含有两个铜原子，依托其化合价改变，把电子从a3传到氧，故在细胞色素体系中

15、也呈复合体排列 第39页第39页3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 功效：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1是细胞色素和铁硫蛋白复合体 第40页第40页第41页第41页4. 复合体: 细胞色素c氧化酶 功效：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成活性部位将电子交给O2。每个单体含1个细胞色素a，1个细胞色素a3和2个铜原子 第42页第42页第43页第43页电子传递 克制剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMN

16、Fe-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抗霉素 A克制部位NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸链比拟图解第44页第44页在含有线粒体生物中，经典呼吸链有两条依据接受代谢物上脱下氢初始受体不同区分 1. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2第45页第45页NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链第46页第46页电子传递链第47页第47页氧化磷酸化作用代谢物在生物氧化过程中释放出自由能用于合成ATP（即ADP+Pi

17、ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联过程称氧化磷酸化。ADP + Pi ATP + H2O生物氧化过程中释放出自由能第48页第48页主要有两种方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP过程。指ATP形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上磷酸基团转移相偶联作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。第49页第49页电子传递链磷酸化，也称氧化磷酸化机体产生ATP主要形式 ( 95%)电子传递水平磷酸化：电子沿着氧化电子传递链传递过程中所伴随将ADP磷酸化

18、为ATP作用，或者说是ATP生成与氧化电子传递链相偶联磷酸化作用。简言之，H经呼吸链氧化与ADP磷酸化为ATP反应偶联，就是电子传递链磷酸化（electron transport chain phosphorylation），又称氧化磷酸化第50页第50页电子传递链磷酸化需氧生物取得ATP一个主要方式生物体内能量转移主要环节需要氧分子参与真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行原核生物在细胞质膜上进行第51页第51页线粒体结构第52页第52页ATP合酶亲水部分F1（33亚基 ）疏水部分FO（a1b2c912亚基）ATP合酶结构模式图OSCP第53页第53页ATP合成酶是氧化磷酸化作用关键装置，也

19、是合成ATP关键装置。ATP合成酶分布很广泛，除线粒体内膜外，也存在于叶绿体类囊体膜、原核生物（如大肠杆菌、耐热细菌、嗜盐菌等）质膜上。第54页第54页头部 简称Fl（偶联因子），它由、五种亚基构成九聚体（33）。Fl还含有一个热稳定小分子蛋白质，称为Fl克制蛋白（F1 inhibitor protein），分子量为10 000，专一地克制FlATP酶活力。它也许在正常条件下起生理调整作用，预防ATP无谓水解，但不克制ATP合成。F1分子量共为370 000左右，其功效是催化ADP和Pi发生磷酸化而生成ATP。由于它尚有水解ATP功效，因此又称它为F1ATP酶。第55页第55页基部简称FO，由

20、嵌入线粒体内膜疏水蛋白构成，至少含有4条多肽链，分子量共为70 000。FO含有质子通道作用，它能传送质子通过膜到达Fl催化部位。第56页第56页柄部柄部连接F1和FO ，分子量为18 000。这种蛋白质没有催化活力。F1和FO之间柄含有寡霉素敏感性蛋白（oligomycin sensitivity conferring protein, OSCP），因此，柄部简称OSCP。OSCP为一个蛋白，是能量转换通道。OSCP能控制质子流动，从而控制ATP生成速度第57页第57页Fl、OSCP和FO三部分统称ATP合成酶（ATP synthase）或Fl- FO- ATPase复合物（Fl- FO -

21、 ATP synthase complex）或三联体。由于它是从线粒体内膜上分离出第五个复合物，因此又被称为复合物。第58页第58页氧化磷酸化偶联部位呼吸链中氧化是放能过程（exergonicc process）ADP磷酸化是吸能过程（endergonic process）两者只有偶联起来才干形成ATP电子在呼吸链中按顺序逐步传递放自由能，其中释放自由能较多足以用来形成ATP电子传递部位称为偶联部位（coupling site） 氧化磷酸化偶联部位：复合体、第59页第59页电子传递链自由能改变 区段电位改变(E)自由能改变G=-nFE能否生成ATP(G是否不小于30.5KJ) Cytaa3O2

22、 0.53V 102.3KJ/mol 能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能CoQCytc 0.21V 40.5KJ/mol 能第60页第60页磷氧比（ P/O ）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量比值称为磷氧比。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ATP消耗一分子Pi ，因此P/O数值相称于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例 实测得NADH呼吸链： P/O 3ADP+Pi ATP实测得FADH2呼吸链： P/O 2O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPA

23、DP+Pi ATPADP+Pi ATP第61页第61页线粒体离体实验测得一些底物P/O比值底物呼吸链组成P/O比值可能生成ATP数-羟丁酸NAD+复合体CoQ复合体2.42.8 3Cytc复合体O2琥珀酸复合体CoQ复合体1.7 2Cytc复合体O2抗坏血酸Cytc复合体O20.88 1细胞色素c (Fe2+) 复合体O20.61-0.68 1第62页第62页氧化磷酸化偶联机理在NADH和FADH2氧化过程中，电子传递是如何偶联磷酸化？当前主要有三个假说，即化学偶联假说、构象改变偶联假说、化学渗入假说 第63页第63页氧化磷酸化偶联机理化学渗入假说(chemiosmotic hypothesi

24、s) 化学渗入假说要点是：a. 线粒体内膜电子传递链是一个质子泵；b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来能量，用于驱动膜内侧H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透）。这样，在膜内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；第64页第64页c. 在膜内外势能差（pH 和）驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶构成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。第65页第65页 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧

25、 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗入假说详细示意图第66页第66页（1）氧化磷酸化调整 a.ADP和ATP调整：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化主要调整者， ADP则氧化磷酸化。b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶生成使ATP分解,因ADP造成氧化。它还使解偶联蛋白基因表示和耗氧，产热。（2）线粒体DNA突变mtDNA突变率是核内DNA10-20倍，如突变发生在氧化磷酸化基因上，将使ATP生成,造成疾病。影响氧化磷酸化原因第67页第67页（3）克制剂呼吸链克制剂【作用】阻断呼吸链中一些部位电子传递，造成生命活动停止,引起死亡。

26、 例1鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等:克制复合物IFe-S蛋白。 例2抗霉素A、二巯基丙醇:克制CytbCytc1(复合物)电子传递。例3CO、CN-、N3及H2S等:克制Cyt aa3（复合物）。第68页第68页鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链克制剂阻断位点第69页第69页解偶联剂（uncoupler）【作用】使氧化磷酸化脱离 例1二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度. 例2解偶联蛋白:人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼肌，心肌） 氧化磷酸化克制剂【作用】对电子传递和ADP磷酸化都有克制。例寡霉素:与ATP合酶F0部位结合，破坏H+回流，影响呼吸链