生物氧化总结.ppt

1、第12章 生物氧化与氧化磷酸化,第一节 生物氧化概述,一、生物氧化的概念二、生物氧化的特点三、氧化还原电位与自由能四、高能化合物,一切生命活动都需要能量，维持生命活动的能量主要有两个来源：光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。（植物和某些藻类）化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。,一、生物氧化,糖、脂、蛋白质等有机物在细胞内氧化分解，最终生成CO2和H2O并释放能量的过程。又称细胞氧化或细胞呼吸。,1、CO2的生成,2、

2、水的生成 在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成,3、能量的生成 当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP 主要是通过呼吸链,底物水平磷酸化 氧化磷酸化,生物氧化的一般过程,TCA,二、生物氧化的特点,1.酶的催化2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4.氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。5.生物氧化是一个分步进行的过程，能量通过逐步氧化释放，不会引起体温的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。6.生物氧化释放的能量一般都贮存于一些特殊的

3、化合物中，主要是ATP.,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，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化 体外燃烧1、细胞内温和条件 高温或高压、干燥条（常温、常压、中性pH、水溶液）2、一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放3、释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失,三、自由能与氧化还原电位,（一）自由能（G）（1878）指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。用符号G表示。,（二）生化标准自由能变化(G0)指在标准条件下，即温度为25，参加反应

4、的物质浓度为1mol/L,若有气体，则为1个大气压，pH为7时，测定的自由能变化。单位为J/mol、KJ/mol。,四、高能化合物,糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O+能量,生物氧化,ATP,1、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，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。用 表示,但须注意：释放的能量并非集中在这个键上，而是与分子结构和水解反应有关，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”

5、理解为“键能高”,2、高能化合物的类型 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,（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,7.3千卡/摩尔,(C)烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,(2)氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,(3)硫酯键型,S-腺苷甲硫氨酸,(4)甲硫键型,3.最重要的高能化合物ATP

6、(三磷酸腺苷),ADP,ATP,AMP,ATP的特殊作用ATP在一切生物生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。ATP在磷酸化合物中所处的位置具有重要的意义，它在细胞的酶促磷酸基团转移中是一个“共同中间体”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。起贮存能量作用的物质称为磷酸原，在脊推动物中是磷酸肌酸。,ATP是磷酸基团转移反应的中间载体 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。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的G0。,ATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图,第二节 电子传递链,一、电子传递链的概念

7、 二、电子传递链的组成 三、电子传递链的电子传递顺序 四、呼吸链的电子传递抑制剂,一、电子传递链的概念,1.概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链。又称呼吸链。,典型的呼吸链,FADH2呼吸链NADH呼吸链,2、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,二、电子传递链的组成,由NADH到O2的电子传递链主要包括：FMN、辅酶Q(CoQ)、细胞色素b、c1、c、a、a3以及一些铁硫蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的还原电势大小可排成序列，它们

8、对电子亲和力的不断增加，推动电子从NADH向O2传递。电子传递中有四个复合体参与：,NADH-Q还原酶（复合体I）琥珀酸-Q还原酶（复合体）细胞色素还原酶（复合体 III）细胞色素氧化酶（复合体）,NADH 是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,烟酰胺脱氢酶类 以NAD,NADP为辅酶,电子传递中的四个复合体,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,（一）NADH-Q还原酶（复合体1）由FMN+铁硫蛋白,功能：先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。(将电子从NADH传递给泛醌

9、),1.黄素蛋白 以FMN,FAD为辅酶,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。,2.铁硫蛋白类（FeS）,表示无机硫原子,铁硫聚簇有几种不同的类型，有的只含有一个铁原子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的含有4个铁原子4Fe-4S,铁硫蛋白类,2.辅酶Q（CoQ）,辅酶Q（CoQ）又称泛醌，有时简称Q。是脂溶性辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。,3、琥珀酸-Q还原酶（复合体

10、）,琥珀酸脱氢酶，它是嵌在线粒体内膜的酶蛋白。也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。这一步不能形成ATP.,功能：将电子从琥珀酸传递给泛醌,4、细胞色素还原酶（复合体）,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。（有颜色）根据吸收光谱的不同将细胞色素分为a,b,c三类。,细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子，在电子传递中发生可逆的Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。,功

11、能：将电子从泛醌传递给细胞色素C,5、细胞色素c,是唯一能溶于水的细胞色素。总的说来，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。因此从化学反应计算是一个QH2分子的两个电子分别传递给2分子细胞色素C。这种通过辅Q的电子传递方式称为Q循环。通过上述方式使电子由携带两个电子的载体QH2转移给携带一个电子的载体细胞色素C。这有利于电子的有效利用。,6、细胞色素氧化酶（复合体）,10个亚基的多聚蛋白,功能：将电子从细胞色素C传递给O2,其中cyta3与CuB形成的活性部位将电子传递给O2.,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链）,三、电子传递

12、链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：,电子传递链,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的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。,2、常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A：它是由链酶素分离出的抗生素，有干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素bH的传递作

13、用，从而抑制电子从还原型QH2向cytC1的传递作用。（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。,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,呼吸链的电子传递抑制剂图示,萎锈灵,鱼藤酮,一种杀虫剂，存在于亚洲热带及亚热带区所产豆科鲁藤属植物根中，在一些中草药如地瓜子、苦檀子、昆明鸡血藤根中也含有。鱼藤酮杀虫作用较强，可用作蔬莱的杀虫剂，对蚜虫的毒性较烟碱大1015倍，对家蝇的毒性比除虫菊大6倍,对人畜没有大的危害。鱼藤酮对鱼毒性特大，浓度为 1：13000000就可使鱼

14、类昏迷而导致死亡，故民间将鱼藤用于捕鱼。鱼藤酮的急性毒性与滴滴涕相仿，使用中仍须注意。,萎锈灵,萎锈灵是一种具有内吸作用的杂环类杀菌剂。纯品为白色针状结晶。难溶于水，可溶于甲醇、丙酮、苯等有机溶剂。遇碱性物质容易分解失效。剂型有可湿性粉剂、乳油等。主要用于防治高粱丝黑穗病等禾谷类黑穗病，也可防治小麦锈病、棉草病害、粟白发病等。对人畜低毒。,抗霉素A,抗霉素A（antimycin A，A3），化学式C26H36N2O9，相对分子质量520.5，是一类由链霉菌产生的大环内脂类天然抗生素,具有抗昆虫、螨类和真菌等生物活性。,第三节 氧化磷酸化,一、氧化磷酸化的概念二、氧化磷酸化的作用机制三、质子梯度

15、的形成四、ATP合成机制五、氧化磷酸化的解偶联和抑制六、线粒体穿梭系统七、能荷,一、氧化磷酸化的概念,概念 伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程即是氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为 底物水平磷酸化 电子传递体系磷酸化。,底物水平磷酸化：ATP的形成直接由一个代谢中间产物（如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸基团转移到ADP分子上的作用。电子传递体系磷酸化：是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP

16、，又称为偶联磷酸化。是与电子传递链相伴的有氧ATP形成机制。,二、氧化磷酸化的作用机制,(1)ATP产生的数量 研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实验。P/O比值:是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传至O2所产生的ATP分子数。实验表明：NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。,(2)ATP产生的部位,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成A

17、TP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,(3)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。,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。,3.化学渗透学说（1961）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。呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸

18、链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。,1.递H体与递e体交替排列2.递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程共泵出3对H+3.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度4.H+通过ATP酶回流，生成ATP,质子的流向,电子的流向,ADP+P,ATP,化学渗透假说示意图,化学渗透假说详细示意图,三、质子梯度的形成,电子传递使复合体、和推动H+跨过线粒体内膜到线粒体的间隙，线粒体间隙与细胞溶胶相接触。H+跨膜流动的结果造成线粒体内膜内部基质的H+离子浓度低于间隙。线粒体基质形成负电

19、势，而间隙形成正电势，这样产生的电化学梯度即电动势称为质子动势或质子动力势。其中蕴藏着自由能即是ATP合成的动力。,质子转移的机制有两种假设,质子传递链的4种电子传递复合体中的3种复合体都和质子转移有密切关系。质子主动转移和电子传递产生的自由能相偶联的机制当前存在两种假说：,氧化还原回路机制质子泵机制,四、ATP合成机制,ATP的合成 是由一个酶的复合体系完成的。这个复合体系称为ATP合酶由两个主要的单元构成。起质子通道作用的单元称为Fo单元和催化ATP合成的单元称为F1单元。因此，ATP合酶又称为Fo F1ATP酶,ATP合酶 在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体，即ATP合酶。该

20、酶主要由Fo（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。F1在线粒体内膜的基质侧形成颗粒状突起。它主要由3 3 亚基组成，其功能是催化生成ATP;催化部位 在亚基中，但亚基必须与亚基结合才有活性。Fo镶嵌在线粒体内膜中。它由a1b2c9-12亚基组成。C亚基形成环状结构，a亚基位于环外侧，与c亚基之间形成质子通道。Fo与F1之间，其中心部位由亚基相连，外侧由b和亚基相连，F1中的3 3 亚基间隔排列形成六聚体，部分亚基插入六聚体中央。,ATP合酶结构示意图,FoF1侧视图,由于3个亚基与亚基插入部分的不同部位相互作用，使每个形成不同构象。当H+顺浓度递度经Fo中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，

21、3个亚基的构象发生改变。紧密结合型（T）亚基变成开放型（O），释放ATP；ADP和Pi与疏松型（L）亚基相结合；与紧密型亚基结合的ADP和Pi生成ATP.因此，ATP在紧密结合型亚基中生成，在开放型中被释放。化学计算估计每生成1分子ATP需3个H+从线粒体内膜外侧回流进入 基质中。,ATP合酶的工作机制,ATP合酶的工作机制,3个亚基构象不同 O开放型；T紧密结合型；L疏松型,五、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：,1.解偶联剂：使电子传递与ADP磷酸化两个过程分开，失掉它们的紧密联系。它只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过

22、程，使电子传递产生的自由能都变成热能。因为这种试剂使电子传递失去正常的控制，亦即不能形成离子梯度。造成过分地利用氧和燃料底物而能量得不到贮存。解偶联剂的作用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。,例：弱酸性亲脂试剂DNP(2,4-二硝基苯酚）原理：增加膜的通透性，破坏跨膜蛋白质化学梯度（H+梯度）（酸性状态下为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基质侧时释出H+，返回胞浆侧时结合H+，从而破坏了电化学梯度。）,2.氧化磷酸化抑制剂 抑制氧的利用和ATP形成，不直接稀缺电子传递。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

23、Fo的一个亚基结合而抑制合抑制F1DNP(解偶联剂）可解除它对氧的抑制作用。,3.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+以外的一价阳离子透性。,六、线粒体穿梭系统,线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白对各种物质的转运。NADH脱氢酶位于线粒体内膜的内侧，只作用于线粒体内部（衬质）的NADH，而胞液中的NADH又不能直接穿赤线粒体内膜进入内部，这就需要通过一种间接途径穿梭系统。不同真核生物细胞的胞液N

24、ADH进入线粒体呼吸链的途径有所不同：,3-磷酸甘油穿梭系统苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,1.3-磷酸甘油穿梭系统,3-磷酸甘油穿梭机制,3-磷酸甘油脱氢酶,3-磷酸甘油脱氢酶,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,七、能荷,生物细胞通过氧化磷酸化和底物水平磷酸化生成ATP，在需要能量的生化反应或生命活动中又分解ATP,使ATP转化为ADP和Pi，或转化为AMP和Pi。这样在细胞内存在着三种腺苷酸：ATP、ADP和AMP，称为腺苷酸库。,能荷：是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，也就是指细胞内ATP ADPAMP系统中充满高能磷酸基团的程度。,能荷是细胞所处能量状态的一个指标，

25、当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1。高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。（同位素实验）能荷的调节是靠ATP、ADP、AMP对代谢中酶的变构调节实现的。,能荷对ATP生成途径（分解代谢）和ATP利 用途径（合成代谢）相对速率的影响,当ATP的生成速率和利用速率相等时，在两条曲线的相交点，能荷约0.9,能荷,第四节 其他氧化酶系,其他末端氧化酶系统是指除细胞色素系统之外的氧化体系，又称非线粒体氧化体系，与ATP生成无关

26、。,1.抗氰氧化酶系统2.多酚氧化酶系统3.抗坏血酸氧化酶系统4.超氧化物歧化酶、过氧化氢 酶和过氧化物酶系统,一.抗氰氧化酶系统,1.抗氰呼吸 有些植物存在抗氰氧化酶，当氰化物阻断正常呼吸链时，电子可以从Cytb直接传给抗氰氧化酶再交给氧。,3.意义 抗氰呼吸是放热反应，有利于低温地区植物开花和种子早期萌发。,2.反应,二、多酚氧化酶系统,1.组成：脱氢酶、醌还原酶、酚氧化酶,2.生物学意义：此酶与植物组织受伤反应有关，植物组织受伤后多酚氧化酶活力增高，呼吸作用增强；植物受病菌侵害时，多酚氧化酶活力也增高，有利于把酚类化合物氧化为醌，醌对病菌有毒害而起抗 病作用。,脱氢酶,醌还原酶,酚氧化酶,三、抗坏血酸氧化酶系统,1.反应：抗坏血酸+O2 脱氢抗坏血酸+H2O,抗坏血酸氧化酶,3.生物学意义：可能与植物的抗病有关,2.与其他氧化酶系统偶联,四、超氧化物歧化酶（SOD),作业,一、问答题 1、什么是生物氧化？有何特点？试比较体内氧化和体外氧化的异同。2、写出NADH呼吸链并注明与ATP偶联的部位。3、简述化学渗透学说的主要内容。二、名词解释 生物氧化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 磷氧比 呼吸链,