生物氧化课件

生物氧化8.1基本概念生物氧化1生物氧化的概念生物氧化是有机物在生物体内氧化分解并放出CO2和水,同时释放出能量的过程。也叫做细胞氧化,细胞呼吸,组织呼吸等2生物氧化的特点(1)条件温和，常温中性条件下进行，有酶、辅酶等参加。生物氧化(2)能量逐步释放，并储存到一些化合物中，供细胞使用。(3)生物氧化时产生的CO2是体内的有机酸脱羧产生；水是电子与氧结合生成的。(4)体内的生物氧化受到诸多因素调节。生物氧化3生物氧化的场所和类型（1）线粒体内的生物氧化又叫细胞呼吸，释放的能量以ATP的形式储存。（2）线粒体外的细胞器，如过氧化物酶体等，释放的能量以热能形式散失，不形成ATP储存。生物氧化4高能化合物

高能键——一般将水解时能释放出5000cal(20.92KJ)以上自由能的键称为“高能键”。用符号“~”表示。含有高能键的化合物叫做高能化合物生物氧化注意！生物化学中所用的“高能键”的含义和化学中使用的“键能”含义完全不同。化学中“键能”的含义是指断裂一个化学键所需要提供的能量；而生物化学中所说的“高能键”是指该键水解时所释放出的自由能。生物氧化生物体内高能化合物的种类很多，根据它们键型的特点，可分为以下几类：生物氧化a高能磷酸化合物,占高能化合物的大多数乙酰磷酸1,3－二磷酸甘油酸生物氧化氨酰腺苷酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸生物氧化焦磷酸化合物焦磷酸二磷酸腺苷生物氧化烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸生物氧化b氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸生物氧化c硫酯键型3’-腺苷磷酸-5’磷酰硫酸含有活性硫酸基团生物氧化酰基辅酶A生物氧化d甲硫键型活性甲硫氨酸生物氧化以上各种高能化合物中，磷酸高能化合物占大部分，但不是所有的磷酸键都是高能键。其中的ATP/ADP系统在能量转换中起非常重要的作用。生物氧化ATP的结构生物氧化ADP可以接受一个磷酸基团和能量而转变为ATP，ATP可以释放出一个磷酸基团，同时释放出大量能量而转变为ADP，释放的能量同时供应给需要能量的耗能反应。生物氧化ATP在磷酸基团的转移中作为中间体起重要作用。具有更高能量磷酸基团的化合物倾向于将含能的磷酸基团转移给ATP，从而将能量转移给ATP；而ATP再将能量转移给含有较低能量的含磷化合物。从而完成能量传递。生物氧化ATP是磷酸基团的共同中间传递体生物氧化ATP作为磷酸基团的共同传递体的实质是传递能量。ATP水解释放的能量可以推动一个热力学上不利的反应，使之顺利进行。例如有个反应AB,在热力学上不能进行，但是与ATP的水解反应偶联后就可以进行了。生物氧化细胞内有很多类似这样需要提供能量才能进行的反应，如蛋白质构象的转变，物质的逆浓度梯度的跨膜运输，一种低能态物质转变为高能态物质等。这些反应中ATP的参与意义十分重大。ATP形式中的能量是化学反应中可以直接利用的能量形式，ATP在细胞内的重要性不言而喻。生物氧化细胞内ATP的产生方式√底物水平磷酸化√氧化磷酸化√光合磷酸化(植物特有)生物氧化底物水平磷酸化是指物质在代谢过程中，底物分子内部发生变化，能量重新分布，形成高能磷酸键并伴有ADP被磷酸化生成ATP的过程。底物水平磷酸化不是细胞内产生ATP的主要途径。生物氧化1,3-二磷酸甘油酸＋ADP3-磷酸甘油酸＋ATP生物氧化磷酸烯醇式丙酮酸＋ADP丙酮酸＋ATP生物氧化琥珀酸单酰CoA琥珀酸生物氧化除了ATP外，其他的几种三磷酸核苷酸和脱氧核苷也参与能量的传递过程。生物氧化不同的核苷三磷酸在体内发挥作用的场所不同。生物氧化其它形式的高能化合物在生物体其它不同的反应中发挥重要的能量传递功能，作用各不相同。生物氧化8.2呼吸链的组成和作用我们首先看一下细胞内物质代谢和能量代谢的几个阶段。生物氧化糖原葡萄糖脂肪甘油脂肪酸蛋白质氨基酸乙酰辅酶A三羧酸循环H+,e呼吸链H2OATP呼吸链在新陈代谢中的位置ADP是指糖、脂肪、氨基酸等分解过程中形成的辅酶NADH和FADH2,通过电子传递链重新被氧化的过程。生物氧化1.电子传递过程生物氧化在这个过程中，脱氢酶从底物脱下的H和电子被传递到其辅酶，接着辅酶的H和电子再被脱下，电子沿着一系列电子传递体转移，最后到氧。H和氧结合产生水，电子传递过程中释放的能量使得ADP形成ATP。生物氧化原核生物的电子传递链在质膜上，真核生物的电子传递链在线粒体内膜上。生物氧化1948年EugeneKennedy

和AlbertLehninger

发现真核细胞的线粒体是氧化磷酸化进行的场所。生物氧化2.电子传递链的成员电子传递链的成员和电子的传递顺序是众多科学家们经过几十年的努力才逐步建立起来的，至今还有一些内容没有完全了解。生物氧化电子传递链的成员由大分子的蛋白质以及负责传递电子的若干电子和氢的传递体，它们组成4个蛋白复合体。生物氧化电子传递链共有4个复合物生物氧化4个蛋白质复合物镶嵌在线粒体的内膜中，不能移动；电子和氢的传递体被包含在复合物内部，只有细胞色素C可以在复合物之间移动。生物氧化和氧化磷酸化作用呼吸链的主要成员生物氧化和氧化磷酸化作用几种氢和电子的传递体NAD和NADPFMN和FAD铁硫集团（铁硫蛋白）辅酶I和II黄素类辅基细胞色素类泛醌（辅酶Q）铜离子等生物氧化和氧化磷酸化作用辅酶I(NAD)辅酶II(NADP)生物氧化和氧化磷酸化作用辅酶I全称是尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶II全称是尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸它们充当细胞内脱氢酶的辅酶，功能相同;每个分子的辅酶I或II可以携带1个H，2个电子。生物氧化和氧化磷酸化作用黄素类辅基:FMN和FADFMN:黄素腺嘌呤单核苷酸FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸功能也是电子和氢的载体，每个分子可以携带2个电子和2个氢原子。生物氧化和氧化磷酸化作用铁硫集团（铁硫蛋白）又叫铁硫聚簇，用Fe-S表示，含有铁硫聚簇的蛋白叫做铁硫蛋白。铁硫聚簇也起电子传递的作用。根据铁硫聚簇含的铁原子数目不同可以分为几种不同的类型，它们分别含有1，2或4个铁原子。生物氧化和氧化磷酸化作用生物氧化和氧化磷酸化作用含有1个铁原子的铁硫聚簇生物氧化和氧化磷酸化作用含有2个铁原子的铁硫聚簇生物氧化和氧化磷酸化作用含有4个铁原子的铁硫聚簇生物氧化和氧化磷酸化作用几种含有不同铁原子数目的铁硫聚簇生物氧化和氧化磷酸化作用从蓝细菌中分离到的铁硫蛋白，含有1个铁硫中心（含有2个Fe原子）生物氧化和氧化磷酸化作用泛醌（辅酶Q）一种脂溶性的辅酶，与蛋白质结合不紧密，既可以与内膜上的蛋白质结合，也可以游离到内膜基质中，在复合物之间起电子传递的作用。生物氧化和氧化磷酸化作用泛醌是以异戊二烯为单位构成的长碳氢化合物。哺乳动物中的异戊二烯单位是10，所以哺乳动物中的泛醌写为Q10。生物氧化完全氧化的泛醌需要2个电子和2个氢原子才能完全被还原，之间有个中间态称为“半醌”生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素细胞色素是一大类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称，由于含有血红素呈红色得名。生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素有氧化态和还原态之别，还原态的细胞色素有明显的可见光吸收光谱，氧化态的看不见有吸收峰。生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素可以根据它们的吸收光谱不同而分为abc三类，每一类的细胞色素又由于血红素所处的环境不同，其吸收峰的波长有所改变，所以又分为多种类型，如b566,b560等。生物氧化和氧化磷酸化作用不同类型的细胞色素区别在于分子内的卟啉环上的取代基不同，这与其中的铁原子的氧化－还原活性相关。细胞色素的差异在于血红素的结构生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素C是唯一的水溶性细胞色素，MW13000，负责在复合物III和复合物IV之间来回传递电子。生物氧化和氧化磷酸化作用3.电子传递链的成员电子传递链的成员形成4个蛋白复合物aNADH-CoQ还原酶复合物b琥珀酸-CoQ还原酶复合物c细胞色素还原酶复合物d细胞色素氧化酶复合物生物氧化和氧化磷酸化作用aNADH-CoQ还原酶复合物这是第I个复合物，名称很多：NADH-Q还原酶，NADH脱氢酶，或简单的称为复合物I。生物氧化和氧化磷酸化作用复合物I至少由34条多肽链组成生物氧化和氧化磷酸化作用复合物I的功能：与来自物质代谢过程中的还原态NADH结合，将其带有的电子和氢转移下来，使其进入电子传递链。生物氧化和氧化磷酸化作用*电子在复合物I中的传递顺序NADHFMNFe-S中心QH2结果：1对电子传递到了辅酶Q，同时有H＋被传递到内膜外空间。生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递的同时，H＋也往内膜外空间移动生物氧化和氧化磷酸化作用b琥珀酸-CoQ还原酶复合物(复合物II)生物氧化和氧化磷酸化作用复合物II实际上是电子传递链的另外一个电子入口。三羧酸循环中产生的电子有的从这里进入电子传递链。生物氧化和氧化磷酸化作用三羧酸循环产生NADH和FADH2生物氧化和氧化磷酸化作用三羧酸循环中的琥珀酸

(succinate)被琥珀酸脱氢酶脱氢后变成延胡索酸(fumarate)，脱下的电子和氢进入琥珀酸-Q还原酶复合物(复合物II)，加入电子传递链。生物氧化和氧化磷酸化作用复合物II中的电子传递顺序*复合物II中参与传递电子的辅基有FAD和一系列的Fe-S中心，最后也将电子传递到辅酶Q。复合物I和II是电子传递链的2个入口，进入后电子均传递到辅酶Q。生物氧化和氧化磷酸化作用辅酶Q在电子传递过程中的中心地位，作用非常重要。生物氧化和氧化磷酸化作用c细胞色素

还原酶复合物(复合物III)生物氧化和氧化磷酸化作用复合物III有多种名称，如辅酶Q-细胞色素C还原酶，细胞色素还原酶，细胞色素bc1复合体等。生物氧化和氧化磷酸化作用电子经过传递后，最后到达细胞色素C。含有的电子传递体有细胞色素b，细胞色素c1，Fe-S中心等。生物氧化和氧化磷酸化作用复合物III中的电子传递生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素C是一个可以移动的电子载体，在复合物III和IV之间传递电子。生物氧化和氧化磷酸化作用d细胞色素氧化酶复合物(细胞色素C氧化酶，复合物IV)复合物IV由10个亚基组成。生物氧化和氧化磷酸化作用水*复合物IV中的电子传递顺序细胞色素C血红素a-CuA聚簇血红素a3-CuB聚簇氧生物氧化和氧化磷酸化作用通过复合物IV的电子传递顺序生物氧化和氧化磷酸化作用细胞色素氧化酶复合物催化电子的最终受体氧接受4个电子而生成水。电子传递途径总览生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递途径总览生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递途径总览(从I到III到IV)生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递途径(从II到III)*生物氧化电子传递的抑制剂能阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质叫电子传递抑制剂生物氧化阻断NADH到CoQ

如鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素

生物氧化和氧化磷酸化作用阻断Cytb到CytC1,如抗霉菌素A生物氧化和氧化磷酸化作用阻断细胞色素氧化酶中电子传递到O2，如氰化物、叠氮化合物、H2S、CO生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递抑制剂的抑制部位生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递抑制剂的抑制部位生物氧化和氧化磷酸化作用8.3氧化磷酸化作用机理生物氧化和氧化磷酸化作用1.线粒体结构特点√不同细胞中的线粒体数目和特征不同；√耗能多的细胞中线粒体数目多√同一细胞中，耗能多的细胞器周围线粒体多；生物氧化和氧化磷酸化作用√线粒体形状各异，且随生理活动而变化，具有动态结构；√有内外两层膜结构，内外膜的结构特点很不相同，特别是对物质的通透性和膜上的蛋白组成方面；生物氧化和氧化磷酸化作用√内膜上有非常重要的蛋白质类，包括电子传递体、ATP合成酶、各种脱氢酶以及各种代谢物运转系统蛋白等等。√线粒体内基质充满胶质液体，含有50%蛋白质以及DNA、核糖体、基粒等。生物氧化和氧化磷酸化作用√大小一般在1-2μm——0.1-0.5μm，但是会随呼吸作用的变化而变化。生物氧化和氧化磷酸化作用2.氧化磷酸化作用的概念与生物氧化作用相拌而生的磷酸化作用叫氧化磷酸化作用，或说是将生物氧化过程中释放出来的自由能转移到ADP而生成ATP的过程。生物氧化和氧化磷酸化作用NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2能量利用率为42%，保存在ATP中。NAD++4H2O+3ATP氧化磷酸化的总反应式生物氧化和氧化磷酸化作用ATP生成的部位Site1NADH/FADH2到CoQ之间Site2CoQ到CytC

之间Site3

CytC

到O2之间ATP形成的部位有2-3个生物氧化和氧化磷酸化作用P/O比1940年，OchoaS等最早研究了氧化磷酸化中的氧气的消耗与ATP形成之间的关系，这个比例关系称为P/O比，结果发现，消耗1个氧分子产生3个分子ATP。P/O比还可以看成是一对电子通过呼吸链传到氧所产生的ATP分子数。一般为2-3，从NADH出发是3，从FADH2出发是2。生物氧化和氧化磷酸化作用生物氧化和氧化磷酸化作用化学渗透学说，1961年提出，获1978年诺贝尔化学奖氧化磷酸化的机理生物氧化和氧化磷酸化作用化学渗透学说的主要内容电子传递体实际是一个H+泵，在电子传递的同时使H+从线粒体基质排到内膜外侧的内外膜之间的空间，在内膜的两侧形成一个H+梯度，平均pH差为1.4个单位。生物氧化和氧化磷酸化作用几个电子传递复合物实际是H+泵线粒体内膜上电子传递体的排列是有一定顺序的，在每个复合体中的电子传递部位至少有2-4个H+被排出内膜基质。生物氧化和氧化磷酸化作用电子传递的同时,H＋被运往内膜外测的内膜空间,形成跨膜H＋梯度生物氧化和氧化磷酸化作用跨膜H＋梯度的形成，使得内膜两侧形成跨膜的质子化学电势和质子浓度梯度，它们含有的能量（势能）可以促使ATP的形成。生物氧化和氧化磷酸化作用内外膜空间的H+回到内膜基质时，通过内膜上的ATP合酶而回到基质内，同时释放自由能，推动ATP的形成。生物氧化和氧化磷酸化作用生物氧化和氧化磷酸化作用ATP合酶也位于内膜上，又称为复合物V，结构与叶绿体中的ATP合酶类似。最早在20世纪60年代，由Racker等发现。生物氧化和氧化磷酸化作用ATP合酶由两个部分组成，称为Fo和F1，Fo位于膜内，F1位于内膜基质中，生物氧化和氧化磷酸化作用ATP合酶又叫FoF1-ATP酶（FoF1-ATPase）生物氧化和氧化磷酸化作用ATP合酶的F1结构呈哑铃形，直径8.5－9nm，由5种不同的多肽组成。ATP的合成就在F1的β亚基中完成，另2个亚基δε没有显示。生物氧化和氧化磷酸化作用细菌质膜中ATP合酶模型生物氧化和氧化磷酸化作用Fo由几种亚基组成，因有1个亚基对寡霉素敏感而得名。Fo主要的作用是构成质子通道。生物氧化和氧化磷酸化作用目前对于ATP合酶的结构有了一定的了解，但对于H＋是如何随着电子传递而进入内膜空间的，以及H+的回流是如何推动ATP形成的等仍有许多不明之处。ATP的形成要依赖于膜两侧的H＋梯度差的实验生物氧化基因工程构建的F1证明在合成ATP过程中亚基之间做相对运动。*ATP合酶合成ATP机理1

2氧化磷酸化的解偶联和抑制

生物氧化和氧化磷酸化作用解偶联剂—使电子传递和ATP形成两个过程分离，不抑制电子传递过程，只抑制ATP的形成，结果导致能量以热量形式散出，得不到储存。生物氧化和氧化磷酸化作用如2,4-二硝基苯酚(DNP)破坏线粒体内膜两侧的H+梯度而破坏ATP的形成。生物氧化和氧化磷酸化作用氧化磷酸化抑制剂—作用是直接干扰ATP的形成，最后使电子传递也受到破坏而不能进行。如寡霉素(oligomycin).生物氧化和氧化磷酸化作用离子载体抑制剂——是一些脂溶性物质，和一些离子结合，作为离子载体使这些离子穿过膜，使线粒体内膜对这些离子的通透性增大，从而破坏氧化磷酸化过程。这些主要是作为除H+之外的其他一价阳离子载体。如短杆菌肽和缬氨霉素等可以使K+和Na+等透过膜。8.4与ATP形成无关的生物氧化作用生物氧化和氧化磷酸化作用1微粒体内的生物氧化2过氧化体中的氧化作用这些反应称为生物氧化因为反应过程中有氧的参与，但是与线粒体中的生物氧化完全不同，不会产生ATP，但是在细胞内也具有重要生理功能。生物氧化和氧化磷酸化作用1微粒体内的生物氧化微粒体存在于光滑的内质网上，成分复杂。其中含有加氧酶，可以直接将氧直接加到底物的分子上。生物氧化和氧化磷酸化作用(1)双加氧酶（转氧酶）

催化2个氧原子加到底物分子上，使底物分解为2个部分。如色氨酸、β-胡萝卜素的转变。生物氧化和氧化磷酸化作用(2)单加氧酶（羟化酶，混合功能加氧酶）催化分子氧中的2个原子分别进行不同的反应，一个氧加到底物分子上，另外一个与NADPH作用而生成水。单加氧酶实际上是一个