生物氧化200001的学习资料

生物氧化200001的学习资料第1页/共68页新陈代谢的特点严格的细胞内定位特异的酶促反应共通的代谢间关联高效率的调控机制酶的调节激素的调节神经系统的调节生物进化程度越高，代谢的调节机构越复杂第2页/共67页第2页/共68页第一节概述一、一般概念1、生物氧化：糖、脂、蛋白质等有机物在体内经过一系列的氧化分解，生成水和二氧化碳，同时放出能量的过程。需要消耗氧气并放出二氧化碳，也称组织呼吸或细胞呼吸

生物氧化主要包括以下三个方面的内容：（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2----CO2如何形成？（脱羧反应）（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O---H2O如何形成？（电子传递链）（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP---能量如何产生？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化）第3页/共67页第3页/共68页氧化方式：失电子、加氧、脱氢脱氢:生物氧化的主要方式二氧化碳生成：脱羧水的生成：耗氧，氢与氧结

2、生物氧化的方式第4页/共67页第4页/共68页生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同：都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气；都生成CO2和H2O；释放的能量也相同。可见，两者的结果是相同的，但是，二者进行的方式和过程有所不同。3、生物氧化的特点第5页/共67页第5页/共68页区别点体外燃烧生物氧化作用条件高温、高压、干燥，

一步完成，热能或光能形式爆发式释放

酶,温和条件,水，多步，逐步释放并转移到ATP中CO2的生成碳和氧气直接化合

有机物脱羧：氧化脱羧或直接脱羧水的生成氢和氧气直接化合底物分子脱下的氢经

一系列氧化还原反应，最后和氧化合为水

第6页/共67页第6页/共68页二、氢的去路--------水的生成底物分子脱下的氢，在有氧气的条件下，多数要经一系列传递过程，最后和氧化合为水。脱下的氢和失去的电子：氢或电子的传递过程----酶所催化的一系列连续发生的氧化还原反应----链锁式，又和呼吸有关------呼吸链第7页/共67页第7页/共68页第二节呼吸链（电子传递链）指由存在于线粒体内膜上的一系列能接受氢或电子的中间传递体所组成的传递体系。电子传递链在原核生物中存在于质膜上在真核细胞存在于线粒体内膜上呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：（1）NADH脱氢酶复合体（NADH-CoQ还原酶)[含有铁硫蛋白（Fe-S）]（2）辅酶Q(CoQ)（3）琥珀酸-Q还原酶(以FAD或FMN为辅酶，同时包含有铁硫中心)(琥珀酸脱氢酶)（4）细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体）（5）细胞色素氧化酶：包括细胞色素a和细胞色素a3

第8页/共67页第8页/共68页一、呼吸链的组成1、烟酰胺脱氢酶类以辅酶I或辅酶II为辅酶第9页/共67页第9页/共68页维生素PP（抗癞皮病维生素）：

尼克酸（烟酸）和尼克酰胺（烟酰胺），可以相互转化。第10页/共67页第10页/共68页

尼克酰胺（烟酰胺）是辅酶I和辅酶II的组成成分

辅酶I：CoI，

NAD+

辅酶II：CoII，

NADP+

第11页/共67页第11页/共68页辅酶I和辅酶II是多种脱氢酶的辅酶

在氧化还原反应中传递氢

其中烟酰胺可以作为氢的供体或受体脱氢酶脱掉底物分子上的2H，一个H以原子形式结合到吡啶环的C-4上,

HH++e,其中一个H+游离到溶液中,e与吡啶环上的N结合，N由+5价变为+3价。第12页/共67页第12页/共68页第13页/共67页第13页/共68页LDH，苹果酸脱氢酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等3-磷酸甘油醛NAD+

乳酸1，3-二磷酸NADH+H+

丙酮酸甘油酸第14页/共67页第14页/共68页维生素PP缺乏症：辅酶I（CoI，NAD+）和辅酶II（CoII，NADP+）合成量下降，影响机体代谢。主要症状：皮炎，腹泻，痴呆----癞皮病

是维生素中最稳定的一种体内色氨酸可以转化为尼克酸玉米：缺少色氨酸和烟酸第15页/共67页第15页/共68页2、

黄素脱氢酶类以FMN或FAD作为辅基NADH脱氢酶：FMN琥珀酸脱氢酶、脂酰辅酶A脱氢酶：FAD第16页/共67页第16页/共68页FMN和FAD是一些氧化还原酶的辅基

琥珀酸脱氢酶，脂酰辅酶A脱氢酶：FAD

细胞色素C还原酶，L-氨基酸脱氢酶：FMN广泛参与体内各种氧化还原反应，对糖、脂、蛋白质代谢影响重大。缺乏症：口角炎，唇炎，舌炎第17页/共67页第17页/共68页3、铁硫蛋白金属蛋白质传递电子Fe3++eFe2+第18页/共67页第18页/共68页4、辅酶Q（CoQ）脂溶性的醌类物质，又称泛醌能可逆地加氢形成氢醌，属于递氢体

CoQ+2HCoQH2

泛醌氢醌第19页/共67页第19页/共68页5、细胞色素类只存在需氧生物中，以铁卟啉作为辅基,递电子体铁离子的氧化与还原

Fe3++eFe2+b，c1，c，a，a3:辅基结构不同，与蛋白质的连接方式也不同。细胞色素a3：铁还保留一个配位键，能与氧气、CO、CN-相连，正常功能是结合氧气。只有细胞色素a3能直接将电子交给氧。第20页/共67页第20页/共68页电子传递顺序b-----c1----c----aa3-----O2细胞色素aa3-----细胞色素C氧化酶1/2O2-----O2-，与游离在介质中的H+结合成为水。第21页/共67页第21页/共68页二、呼吸链顺序AH2NAD+FMNCoQbc1caa3O2

FADBH2NADH呼吸链：大多数代谢产物

FADH2呼吸链：琥珀酸、脂酰辅酶A，-磷酸甘油第22页/共67页第22页/共68页呼吸链----几个大蛋白质复合物组成NADH呼吸链：复合物I：NADH脱氢酶复合物（NADH-Q还原酶）复合物II：细胞色素bc1复合物，细胞色素还原酶复合物III：细胞色素氧化酶FADH2呼吸链：复合物IV：琥珀酸-Q还原酶复合物II：细胞色素bc1复合物，细胞色素还原酶复合物III：细胞色素氧化酶第23页/共67页第23页/共68页呼吸链四个复合物的

电子和质子流动总图IV:琥珀酸-Q还原酶II:细胞色素还原酶III:细胞色素氧化酶I:NADH-Q还原酶第24页/共67页第24页/共68页顺序的确定1、各种电子传递体的标准氧化还原电势（EO’）值NAD+FMNCoQbc1caa3O2-0.32

-0.300.100.070.220.250.290.390.82

FAD

-0.18电子总是从低EO’高EO’流动，EO’数值越小，供电子趋向越大，越排在呼吸链前面。第25页/共67页第25页/共68页呼吸链中电子传递体的氧化还原电位第26页/共67页第26页/共68页2、由阻断传递体的抑制剂来确定：抑制剂阻断某一部位，电子传递不能正常进行阻断部位前：还原状态阻断部位后：氧化状态鱼藤酮、大黄酸、大黄素：NADH--CoQ抗霉素A：b---c1

氰化物、CO等：aa3---O2第27页/共67页第27页/共68页第28页/共67页第28页/共68页3、呼吸链各组分在体外重组：

NADH可以使NADH脱氢酶（FMN）还原，但不能直接还原b，c1

，c，aa3

第29页/共67页第29页/共68页NADH呼吸链：大多数代谢产物FADH2呼吸链：琥珀酸、脂酰辅酶A第30页/共67页第30页/共68页三、线粒体外NADH的氧化线粒体外NADH不能穿过线粒体膜，要借助穿梭作用才能参加呼吸链。线粒体外的NADH将所带的H交给某种能穿过线粒体膜的化合物，进入线粒体后再氧化。担任穿梭作用的主要物质：

1）

-磷酸甘油：FADH2呼吸链

2）苹果酸：NADH呼吸链第31页/共67页第31页/共68页-磷酸甘油：FADH2呼吸链

大脑、肌肉组织第32页/共67页第32页/共68页苹果酸：NADH呼吸链

肝脏、心肌组织第33页/共67页第33页/共68页线粒体外NADPH的氧化将H交给NAD+形成NADH+H+，进入穿梭作用但大多数情况下，作为供氢体参与合成反应，如脂肪酸的合成需要以NADPH+H+作为供氢体第34页/共67页第34页/共68页第三节ATP的生成及生理功能一、高能化合物高能键：水解或基团转移时释放大量能量的键。一般释放20.90千焦/摩尔以上，用~表示类型：磷氧键型：酰基磷酸化合物，焦磷酸化合物，烯醇式磷酸化合物氮磷键型：硫酯键型：甲硫键型：第35页/共67页第35页/共68页ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)氨甲酰磷酸1，3-二磷酸甘油酸烯醇式磷酸丙酮酸磷氧键型：第36页/共67页第36页/共68页硫酯键型：乙酰辅酶A甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸氮磷键型：磷酸肌酸第37页/共67页第37页/共68页两种方式：1、底物水平磷酸化2、氧化磷酸化---电子传递体系磷酸化二、ATP的生成第38页/共67页第38页/共68页1、底物水平磷酸化物质在分解时，由于脱氢或脱水，引起底物分子内部能量重新分布，结果形成了高能键。(形成了某些高能磷酸化合物的中间物).底物分子中的高能键再转移给ADP生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化.底物水平磷酸化：与氧气是否存在无关糖无氧氧化中取得能量的唯一方式第39页/共67页第39页/共68页底物水平磷酸化反应第40页/共67页第40页/共68页2、氧化磷酸化---电子传递体系磷酸化

生成ATP的主要方式，占95%物质氧化脱氢，氢及电子沿呼吸链传递，逐步放出能量，同时伴随ADP磷酸化生成ATP的反应，------氧化磷酸化。第41页/共67页第41页/共68页

在结构完整的线粒体中,氧化（底物脱氢或失电子）与磷酸化（ADP与Pi合成ATP）这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化。第42页/共67页第42页/共68页依靠呼吸链上的电子传递体系完成-----电子传递体系磷酸化。第43页/共67页第43页/共68页（1）氧化磷酸化偶联部位的确定A、自由能变化值

1molATP水解生成ADP与Pi所释放的能量为30.54千焦；凡氧化过程中释放的能量大于30.54千焦，均有可能生成1molATP，就是说可能存在有一个偶联部位。第44页/共67页第44页/共68页呼吸链中电子对传递时氧化还原电位及自由能的变化

NADHFMN

CoQbC1Caa3-0.320.070.250.290.82标准氧化还原电位（从低到高）O2自由能变化值

电子流动方向第45页/共67页第45页/共68页E0在NADH(FMN)→CoQ,Cytb→Cytc和Cyta3→O2处部位有大的“跳动”，产生较高的自由能---可能存在着偶联部位。E0’

值（V）FMN→CoQ,0.40Cytb→Cytc0.18Cyta3→O20.53ΔG反应自由能，ΔG=-nFE0’

(n反应中得失电子数，F法拉第常数96500，E0’电位差）第46页/共67页第46页/共68页ΔE’(V)0.400.180.53ΔG(KJ/mol)77.234.74102.3偶联部位示意图第47页/共67页第47页/共68页生成ATP部位大量实验证明：NADH呼吸链:FMN→CoQ,Cytb→CytcCyta3→O2FADH2呼吸链：

CoQ之前途径较短，释放的能量不足以形成ATP，因此只有后两个部位生成ATP。

Cytb→CytcCyta3→O2第48页/共67页第48页/共68页1961年英国生物化学家P.Mitchell首先提出，1974年P.Mitchell与Moyle又作了修改。

电子传递的结果使H+从线粒体内膜基质“泵”到膜外液体中，形成一个跨内膜的H+离子梯度，这梯度所含的势能促使ATP生成。

（2）氧化磷酸化偶联机理:

化学渗透假说第49页/共67页第49页/共68页

设想：在完整的线粒体膜中，呼吸链中传氢体和电子传递体间隔交替排列，电子传递链在内膜上构成3个回路，每个回路均有质子泵作用。三个质子泵将H+从线粒体膜内基质“泵”到膜间空间，产生跨膜质子梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）第50页/共67页第50页/共68页电子在呼吸链上传递，通过三个质子泵将质子从线粒体膜内基质泵到膜间空间，产生跨膜质子梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）。第51页/共67页第51页/共68页

跨膜电势差：

内膜外侧的H+离子浓度比膜内侧高------包含一种势能，这种能量为膜上的ATP合成酶所利用，驱使ADP磷酸化生成ATP。第52页/共67页第52页/共68页

线粒体内膜，在完整的线粒体上使ADP加磷酸合成ATP。包括F1（F1ATP酶）和Fo两部分ATP合成酶

（FoF1ATP酶）第53页/共67页第53页/共68页ATP合成酶：

F1部分（F1ATP酶）：亲水，MW=38万，9个亚基组成，似球形把手。单独存在不能使ADP与磷酸合成ATP，但能水解ATP成为ADP和磷酸。Fo部分：疏水，嵌埋于内膜并横跨内膜。是跨膜的质子通道。Fo-F1柄部：寡霉素敏感蛋白。第54页/共67页第54页/共68页H+

是不能自由回到膜内侧的，但内膜上ATP合成酶将膜外侧的H+转化成内侧的H+------质子逆向回流。

ATP合成酶的基部（Fo部分）有一个通道，能使2H+穿过内膜双分子层进入ATP合成酶的头部（F1部分），进入内膜内侧，与磷酸的一个氧反应，脱去一分子水，形成非常活泼的磷酸基团和ADP结合形成ATP第55页/共67页第55页/共68页化学渗透学说的缺陷1）未能解释质子究竟怎样通过电子传递链从线粒体膜内基质泵到膜间空间？2）有不少报道与化学渗透学说相矛盾的实验结果.

化学渗透学说的电子传递顺序与前面所提出的呼吸链顺序并不完全一致：CoQ可以在细胞色素b和细胞色素c之间。

-------生物能研究中关注的问题第56页/共67页第56页/共68页

一对电子从NADH2或FADH2到氧有多少质子从线粒体基质泵出，以及有多少质子必须通过FoF1ATP酶返回基质以用于ATP的合成。

到底生成几个ATP？第57页/共67页第57页/共68页最新测定：每对电子经NADH-Q还原酶、细胞色素bc1复合物、细胞色素氧化酶传递时，从线粒体内膜基质泵出到膜外的H+数分别为4、2、4。合成一个ATP需要3个H+通过ATP合成酶所驱动，将ATP从基质运往膜外可能需要1个H+，因此合成一个ATP需要4个质子的移动。一对电子：通过NADH呼吸链将产生2.5个ATP；通过FADH2呼吸链将产生1.5个ATP。NADH呼吸链：2.5

FADH2呼吸链:1.5第58页/共67页第58页/共68页（3）氧化磷酸化的解偶联和抑制作用

部位：NADH和CoQ之间，细胞色素b和c之间，细胞色素aa3和氧之间。即为用抑制剂所抑制的部位，哪三个？鱼藤酮，抗霉素A，氰化物-----电子传递抑制剂

第59页/共67页第59页/共68页解偶联剂

不抑制呼吸链中电子的传递，抑制ADP磷酸化生成ATP，使氧化和磷酸化作用不能偶联