生物化学-第五章 生物氧化课件

1、第五章 生物氧化第一节 生物氧化概论第二节 线粒体电子传递链第三节 氧化磷酸化第一节 生物氧化概论一、生物氧化的一般过程二、生物氧化的概念和特点三、生物氧化的3方面内容四、生物氧化的酶类五、高能化合物一、生物氧化的一般过程 TCA2. 小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）。 3. 共同中间物进入TCA，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。1. 大分子降解成基本结构单位。 生物体内能量产生的三个阶段返回节二、生物氧化的概念和特点（一）生物氧化的概念糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和水等，并释放能量

2、的过程，又称细胞氧化或细胞呼吸。生物氧化的场所：真核线粒体 原核细胞膜2.不同点（1）生物氧化反应以脱氢为主（2）生物氧化在酶催化下进行，条件温和（3）生物氧化在一系列酶、辅酶和电子传递体的作用下逐步进行，能量逐步释放。返回节 （1）-单纯脱羧1 单纯脱羧（2）-单纯脱羧COOH C =O CH2COOHCOOH C =O + CO2 CH3 O CH3 C COOH O CH3 C H + CO2 （一）CO2的生成三、生物氧化的3方面内容（二）水的生成 1. 底物脱水 2. 主要在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成。（三）能量的生成和储存 当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能

3、量怎样转化成ATP 。主要是通过呼吸链 底物水平磷酸化 氧化磷酸化1.底物水平磷酸化概念：是指代谢物在氧化分解过程中产生的高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。 3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸激酶ADPATP1,3-二磷酸甘油酸 OPO 3 2-返回节（一）脱氢酶 使代谢物的氢活化、脱落，传递给受氢体或中间传递体根据所含辅助因子的不同分为：1.以黄素核苷酸为辅助因子的（又称为黄素酶）根据受氢体不同分为需氧黄酶：以氧为直接受氢体生成H2O2不需氧黄酶：氢先传递给中间传递体，最后才给分子氧生成H2O代谢物-2H NAD+ 传递体-2H 1/2O2 (NADP+)代谢物 NADH+H+ 传递体 H2O

4、 (NADPH+H+) 2H2H2H2. 以烟酰胺核苷酸为辅因子的NAD（Co）、NADP（ Co）（四）过氧化物酶 1.过氧化氢酶 H2O2 + O2 O2+H2O 2.过氧化物酶 H2O2 + AH2 A+H2O返回节五、高能化合物（一）高能化合物的概念 在标准条件下(pH7,25,1mol/L)发生水解时，可释放出大量自由能的化合物，称为高能化合物。习惯上把“大量”定为5kcal/mol(即20.92KJ/mol)以上。 在高能化合物分子中，水解断裂时释放出大量自由能活泼共价键称为高能键。用 表示 须注意：生化上的“高能键”，涵义不同于普通化学上的“键能”，不能把“高能键”理解为“能键高

5、”P309（二）高能化合物的类型（了解） 按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫酯键型甲硫键型P311 1.磷氧键型（O-P)(A)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸(B) 焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸(C)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸S-腺苷甲硫氨酸（SAM）4.甲硫键型3.硫酯键型酰基辅酶A 2.ATP的特殊作用（1）ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”（2） ATP是生物体通用的能量货币。ATP是能量的携带者和转运者，但并不能量的贮存者。肌肉剧烈运动时，1s就消

6、耗完ATP 1.ATP的两个高能键(三)最重要的高能化合物ATP (三磷酸腺苷)P308 磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。以转移磷酸基团的形式传递能量ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图在紧张活动时，将ATP维持在恒定的水平，可维持4-6秒的能量需要。返回章第二节 线粒体电子传递链 一、电子传递链的概念 二、电子传递链的组成 三、呼吸链组分的排列顺序 四、呼吸链的电子传递抑制剂一、电子传递链的概念（一）概念： 在生物氧化过程中，代谢物上脱下的H经过一系列的按一定顺序排列的H传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种H和电子的传递体系称为电子传递链,又称

7、呼吸链。典型的呼吸链 FAD呼吸链NADH呼吸链P351（二）电子传递链分布原核细胞存在于质膜上真核细胞存在于线粒体的内膜上 返回节二、电子传递链的组成由NADH到O2的电子传递链主要包括：1. NADH脱氢酶2. 黄素酶（FMN、FAD）3.辅酶Q(CoQ)4.细胞色素b、c1、c、a、a35.铁硫蛋白4个蛋白复合体2个可灵活移动的成分P351 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 4H+（一）NADH-Q还原酶（复合体I） 42条多肽链 FMN + 铁硫中心其功能为：P352功能：NADH+H+FMN FMNH2+NA

8、D+FMNH2+Q FMN+QH2放能储能 从线粒体基质中转移4个质子到膜间隙（质子泵）。1. NADH烟酰胺脱氢酶类 以NAD、NADP为辅酶NAD+的作用原理+ H+ e+ H+ H+NAD+ NADH+H+2H-2H异咯嗪核醇2.黄素蛋白FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)黄素核苷酸的作用原理核黄素(黄色)FAD/FMN FADH2/FMNH2+2H-2H-2H+2H还原型 核黄素(无色)3.铁硫蛋白类（FeS）又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。铁除与硫连接外，

9、还与肽链中Cys残基的SH连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子，为单电子传递体。 4. 辅酶Q（CoQ）即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，可以结合到膜上，也可以游离状态存在,因此不包含在四种复合体中。辅酶-Q的功能:电子和质子的传递体还原成QH2氧化成Q分子中的苯醌结构能可逆地结合H，接受或给出1个或2个电子为递氢体。NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; F

10、e-SN-2 4H+ 复合体琥珀酸 CoQFAD; Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 （二）琥珀酸-Q还原酶（复合体 ）其功能为P352 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。 根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类。 细胞色素通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。1个细胞色素每次传递一个电子。 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1（三）辅酶Q-细胞色素c氧化还原酶（复合体） 泛醌作为流动的电子载体，从复合体或获取电子，“流动”到复合体，交出电子。功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C；将质子从基质转移到膜间隙4H+

11、Q循环两个QH2参与电子传递，使两个细胞色素C还原，经过全过程又产生了一个QH2分子。这种通过辅酶Q的电子传递方式称为Q循环。细胞色素c是唯一能溶于水的细胞色素。作为流动的电子载体从复合体获取电子流动到复合体，并将电子最终交给氧。细胞色素C（四）细胞色素C氧化酶（复合体）多个亚基的多聚蛋白（末端氧化酶） 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 4H+返回节其功能为：电子传递、质子泵4个Cyt c传递4个电子给O2生成水。 （一）研究方法及实验证据（了解）由以下实验确定 1. 标准氧化还原电位 2. 还原状态呼吸链缓慢给氧 3. 特异呼吸链抑制剂和人工电子受体 4. 拆开和重组三、呼吸链

12、组分的排列顺序呼吸链的排列顺序：各成分按低氧还电位高氧还电位电子传递方向：低氧还电位高氧还电位（释放能量）1. 根据标准氧化还原电位E0表示氧化还原能力的大小，值越小还原性越强，失电子能力越强，决定电子流动方向 （一）研究方法及实验证据（了解）由以下实验确定 1. 标准氧化还原电位 2. 还原状态呼吸链缓慢给氧 3. 特异呼吸链抑制剂和人工电子受体 4. 拆开和重组三、呼吸链成分的排列顺序（二）电子传递链的顺序NADH氧化呼吸链: 主要的呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）（二）电子传递链的顺序 b电子传递链返回节四、呼吸链的电子传递抑制剂1、概念 能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物

13、质称为电子传递抑制剂。 利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原状态情况，是研究电子传递中电子传递体顺序的一种重要方法。ReducedOxidized鱼藤酮安密妥杀粉蝶菌素抗霉素A氰化物一氧化碳硫化氢叠氮化合物2、几种电子传递抑制剂及其作用部位萎锈灵返回章第三节 氧化磷酸化一、ATP的生成方式二、氧化磷酸化的作用机制三、ATP合成机制四、氧化磷酸化的解偶联和抑制五、线粒体穿梭系统六、能荷一、ATP的生成方式根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为1. 底物水平磷酸化2. 电子传递体系磷酸化 伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即

14、是氧化磷酸化作用。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化返回节二、氧化磷酸化的作用机制 （一）ATP产生的数量 研究氧化磷酸化最常用的方法：测定线粒体或其抑制剂的P/O比值和电化学实验。 1. P/O比值:每两个电子传递给1个氧原子所产生的ATP的分子数（ADP磷酸化为ATP）。最初的实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3（现2.5）， FADH2呼吸链的P/O值是2（现1.5）， 2.ATP产生的数量NADH氧化呼吸链传递2H仅生成 2.5分子ATP。FADH2氧化呼吸链传递2H仅生成 1.5分子ATP。(二)氧化磷酸化ATP 合成的能量来源 电子传递过程是一个高度放能过程（约220kJ

15、/mol），产生的能量主要用于转移质子，随后用于ATP的合成。这种能量的保存和随后ATP酶对能量利用称为能量偶联。P355（三） 能量偶联假说氧化与磷酸化作用如何偶联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说结构耦联学说化学渗透学说1. 化学偶联假说（1953） 认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。但未发现该物质的存在。2. 构象偶联假说（1964） 认为电子沿电子传递传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。 电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的，但未发现与氧化磷酸化偶联。3

16、.化学渗透学说（1961）目前最有说服力认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体的质子梯度相偶联的。P355化学渗透假说详细示意图ADP+PiATP化学渗透假说示意图3.化学渗透学说 （1）要点递H体与递e体按照特定的顺序排列在线粒体内膜上电子传递过程中释放的能量用于将H+泵出内膜，线粒体内膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度H+跨膜梯度蕴含的能量（通过ATP酶）用于生成ATP两个问题：质子梯度如何建立？如何利用质子梯度合成ATP？（2）支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。破坏H+ 浓度梯度的形

17、成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+ 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。返回节三、ATP合成机制在分离得到4种呼吸链复合体的同时还得到复合体，即ATP合酶。（一）ATP合酶的结构线粒体膜上的ATP合酶（ATP synthase)是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能，又称为FoF1-ATP酶；又可从质子动力获能，合成ATP。自然界最小

18、的旋转发动机P355F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起即头部含5种不同的亚基（3、3、1、1 、1 ） 。其功能是催化生成ATPF0镶嵌在线粒体内膜中。细菌的由a1b2c9-12亚基组成。与线粒体电子传递系统连接（质子通道）OSCP（动物中）：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。由Fo（疏水部分 ）和F1（亲水部分）组成。P356FoF1侧视图（二）ATP合酶的工作机制（结合变化和旋转催化学说）结合变化和旋转催化学说3个亚基与不同表面结合，构象不同呈现不同活性 O开放型（释放ATP）；T紧密结合型（催化）；L疏松型质子流动 驱动C单位转动 带动

19、亚基转动 诱导亚基构象改变 ATP释放和重新合成返回节P357四、氧化磷酸化的解偶联和抑制 不同的化学因素对氧化磷酸化过程的影响不同，根据它们不同的影响方式可分为三大类：（一）解偶联剂的解耦联作用 使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，失去它们的紧密联系。只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程 ，使电子传递产生的自由能都变成热能。 解偶联剂的作用：快速消除质子梯度，因此只抑制氧化磷酸化的ATP形成，对底物水平的磷酸化没有影响。 P357pH=7 脂不溶脂溶性增加膜对质子的通透性破坏跨膜质子化学梯度（H+梯度）2,4-二硝基苯酚双香豆素（二）解偶联蛋白（棕色脂肪组织线粒体） F0 F1 Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 H+ H+ ADP+Pi ATP （三）氧化磷酸化抑制剂 抑制氧的利用和ATP形成，不直接抑制电子传递。氧化磷酸化抑制剂的作用是直接干扰ATP的生成过程，结果也使电子传递不能进行。例：寡霉素：与F0的一个亚基结合而抑制ATP合成 寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成寡霉素（四）离子载体抑制剂 生物膜上的脂溶性物质，与某些离子结合，并作为它们的载体，使这些离子能够穿过膜，破坏跨膜电化学梯度，从而破坏氧化磷酸化过程。 与解偶联剂区别：H+离子以外的其它一价阳离子的载体，改变除H+以外的一价阳