生物化学-06-生物氧化与氧化磷酸化.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 生物氧化与氧化磷酸化,主要内容和要求：,重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。,1,第一节 生物氧化概述,第二节 电子传递链（呼吸链）,第三节,氧化磷酸化,目录,2,G+O,2,6CO,2,+6H,2,O+,能量,糖类的分解代谢,EMP,G,2ATP,2,乙酰,CoA,4CO,2,2,丙酮酸,2NADH,2NADH,2CO,2,6NADH,、,2FADH,2,2GTP,TCA,3,一、生物氧化,(biological oxidation),1,、概念,有机物在生物细胞内进行氧化分解而生成,CO,2,和,H,2,O,并释放能量形成,ATP,的过程。,生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸。,第一节 生物氧化概述,营养物,+O=H,2,O+CO,2,+ATP,4,有机物中的,H+O,2,H,2,O,（,ETS,）,广义,生物,氧化,有机物中的,C,CO,2,（脱羧作用：,TCA,）,有机物被氧化成,CO,2,和,H,2,O,时，释放,的能量如何储存于,ATP,（,氧化磷酸化,）,狭义,生物,氧化,5,生物氧化与体外氧化燃烧,相同点：,化学本质,：物质分解为,CO,2,和,H,2,O,，产能总量相等,不同点：,条件、过程。,2,、生物氧化的特点,6,（,1,）,条件温和：,常温常压、近中性,pH,、有水的活细胞。,（,2,）,酶促反应,：,在一系列酶、辅酶和中间传递体作用下进行。,（,3,）,逐步氧化并放能,，释放的能量贮藏在,ATP,中。,（,4,）,CO,2,是代谢物经,脱羧,作用产生。,（,5,）原核生物在,细胞膜,上进行，真核生物在,线粒体,进行。,7,（,1,）,脱氢反应,琥珀酸,+FAD,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸,+FADH,2,（,2,）,加氧反应,AA+O,2,+H,2,O,AA,氧化酶,a-,酮酸,+NH,3,+H,2,O,2,（,3,）,失电子反应,：如细胞色素氧化酶,Fe,2+,Fe,3+,+e,-,3,、生物体中氧化反应的类型,8,（,1,）直接脱羧,A,、,-,直接脱羧,O,CH,3,C H+,CO,2,O,CH,3,C,COO,H,丙酮酸脱羧酶,COOH,C,=,O,CH,2,COO,H,COOH,C,=,O +,CO,2,CH,3,丙酮酸羧化酶,+ADP+Pi,+ATP+H,2,O,B,、,-,直接脱羧,4,、,CO,2,的生成,9,（,2,）氧化脱羧,O,CH,3,C,COO,H+CoASH +NAD,+,O,CH,3,C,SCoA +NADH+H,+,+,CO,2,丙酮酸脱氢酶系,A,、,氧化脱羧,COOH,C=O +,CO,2,+NADPH+H,+,CH,3,COOH,C=O +NADP,+,CH,2,COO,H,苹果酸酶,B,、,氧化脱羧,10,5,、,H,2,O,的生成,脱氢酶,-2H,电子传递体,氧化酶,在脱氢酶、传递体、氧化酶组成的体系催化下生成。,AH,2,氢传递体,1/2O,2,H,2,O,2e,-,2H,+,1/2O,2-,11,高能化合物,：,在生化反应中，在水解或基团转移反应中可释放出大量的自由能的化合物。,大量的自由能,20.92 KJ.mol,-1,(5 Kcal.mol,-1,),-,高能键（,high-energy bond,）不稳定键,二、高能化合物,12,1,、高能磷酸化合物,根据其键型：有磷氧型和磷氮型,（,1,）磷氧键型,（一）高能化合物的类型,O O,A,、酰基磷酸化合物,HOCH,C,O,P,OH,O CH,2,O P OH,C,O,P,1,3,DPGA,12.3,Kcal.mol,-1,13,C,、焦磷酸化合物,O O O,P,O,P,腺苷,O,P,O,P,O,P,O,OH OH OH,ATP,7.3,Kcal.mol,-1,B,、烯醇式磷酸化合物,COOH,C=C,O,P C,O,P,CH,2,PEP,14.8,Kcal.mol,-1,14,（,2,）氮磷键型,胍基磷酸化合物,O,N,P HN,P,OH,C=NH OH,N C=HN,N,CH,3,CH,2,COOH,磷酸肌酸,10.3,Kcal.mol,-1,15,A,、,硫酯键化合物,O O,C,S,CH,3,C,SCoA,乙酰辅酶,A,7.5,Kcal.mol,-1,B,、,甲硫键化合物,CH,3,S,+,CH,3,S,+,CH,2,CH,COOH,腺苷,NH,2,S-,腺苷甲硫氨酸,10.0,Kcal.mol,-1,2,、高能非磷酸化合物（硫碳键型）,16,ATP,ADP,肌酸,磷酸,肌酸,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,P,P,机械能,(,肌肉收缩,),渗透能,(,物质主动转运,),化学能,(,合成代谢,),电能,(,生物电,),热能,(,维持体温,),生物体内能量的储存和利用都以,ATP,为中心。,（二）,ATP,的结构特点及其生物学功能,17,1,、,ATP,是生物体内的,“,能量货币,”,（,1,）,ATP,的结构特点决定其易于,水解放能,（,2,）,ATP,的分解与合成与,能量偶联,2,、,ATP,是磷酸基团转移载体,3,、生成,NTP,18,磷酯键,酸酐键,-,+,+,+,-,-,ATP,4-,+H,2,O ADP,3-,+Pi,2-,+H,+,G,0,=,-30.5,KJ.mol,-1,ATP,4-,+H,2,O AMP,2-,+PPi,3-,+H,+,G,0,=,-33.1,KJ.mol,-1,19,生理,pH,下，,ATP,有,4,个负电荷（,ATP,4-,）,分子内磷酸根的静电斥力,由于,P=O,的极化，电子云偏向氧原子，磷原子带部分正电荷正电荷相斥使,磷酸酐键不稳定。,（,1,）,ATP,（反应物）分子结构存在不稳定的因素：,20,（,2,）使产物稳定的因素：,Pi,是稳定的共振杂化物；,介质中,H,+,的低浓度。,ATP,易于水解，且释放大量的能量,21,一些磷酸化合物水解的标准自由能变化,化合物,G,0,磷酸基团转移势能,（,kcal/mol),（,kcal/mol),PEP -14.8 14.8,1,3-DPGA -12.3 12.3,磷酸肌酸,-10.3 10.3,ATP -7.3 7.3,G-6-P -3.3 3.3,G-3-P -2.2 2.2,22,磷酸基团转移势能,/kcal.mol,-1,2,4,6,8,10,12,14,16,ATP,作为磷酸基团共同中间传递体示意图,磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）,1,3-DPGA,ATP,G-6-P,G-3-P,P,P,P,P,P,PEP,23,（三）磷酸肌酸,高能磷酸贮能物质,神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质,ATP,含量低（,3,8mmol/kg,），仅供肌肉剧烈活动约,1s,的消耗。,脑：磷酸肌酸,1.5ATP,肌肉：磷酸肌酸,4ATP,ADP+,磷酸肌酸 肌酸,+ATP,G 0,24,三、能荷,能荷是细胞能量状态的一种度量。由,Atkinson,于,1968,年提出。,能荷：,是指生物体中,ATP,ADP,AMP,体系中高能磷酸键的可获性量度。,ATP+0.5ADP,能荷,=ATP+ADP+AMP,25,能 荷,能荷,相对速率,ATP,的利用途径,ATP,的生成途径,能荷对,ATP,的生成途径和,ATP,的利用途径相对速率的 影响,26,1,、一般情况下细胞内能荷为,0.8-0.9,。,2,、能荷高时，促进合成代谢抑制分解代谢。,3,、能荷低时，促进分解代谢抑制合成代谢。,4,、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,意义：,27,1,、能量代谢（,线粒体氧化体系,）。,提供了生命活动所需的大量能量。,2,、生物合成和代谢调节。,包含了生物体重要的基本反应。,3,、其它作用（解毒、抗衰老、抗逆境等,微粒体,氧化体系,）,四、生物氧化的生物学意义,28,第二节 电子传递链（呼吸链）,(Electron Transfer System,ETS,),ETS,：,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,组成的链锁式反应体系。,根据呼吸底物上氢的初始受体的不同，线粒体内呼吸链可分为：,NADH,呼吸链,FADH,2,呼吸链,一、概念,29,1,、黄素蛋白类（,FP,）,包括,NADH,脱氢酶,和,琥珀酸脱氢酶,，分别以,FMN,、,FAD,为辅基,NADH+H,+,+FMN,NADH,脱氢酶,NAD,+,+FMNH,2,琥珀酸,+FAD,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸,+FADH,2,二、电子传递链的组成,作用：传递电子和质子,30,2,、铁硫蛋白（,Fe-S,）,它主要以,(2Fe-2S),或,(4Fe-4S),形式存在。,(2Fe-2S),含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。,作用：通过铁的价态变化而传递电子,31,包括,2,4Fe-4S,核心,32,ETS,上,唯一的非蛋白组分,，是脂溶性小分子醌类化合物。,3,、辅酶,Q,（又称泛醌，,CoQ,）,作用：传递质子和电子,33,CoQ,的功能：,在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,34,一类以,铁卟啉,为辅基的色素蛋白。,作用：通过辅基中铁的价态变化而传递电子,Cytb,、,Cytc,1,、,Cytc Cyta,、,Cyta,3,辅基血红素 辅基血红素,A,，还含有两个必 需的铜离子,4,、细胞色素类（,Cyt,）,35,a,类中的卟啉环,c,类中的卟啉环,卟啉环,共 同,17,个碳的碳氢链,36,37,细胞色素,C,38,上述,ETS,组分除,UQ,和,Cytc,外，其余组分形成嵌入内膜的复合物,NADH,链,辅酶,Q,NADH-,辅酶,Q,还原,酶,CoQH,2,:Cytc,氧化还原,E,复合体,细胞色素,C,细胞色素,氧化酶,复合体,2e,复合体,线粒体,外膜,线粒体,内膜,间隙,39,NADH,呼吸链,是绝大部分有机物氢最终氧化的途径,40,1,、复合物,：,NADH-CoQ,还原酶,组成：,FMN+,铁硫蛋白,41,2,、复合物,：琥珀酸,-CoQ,还原酶,组成：,FAD+,铁硫蛋白,3,2,42,3,、复合物,：细胞色素还原,E,组成：,Cytb+Fe-S+Cytc,1,43,组成：,Cyta+Cyta,3,+,含铜蛋白,4,、复合物,：细胞色素氧化,E,44,三、电子传递链的顺序,FAD,Fe-S,琥珀酸,NADH+H,+,FMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc,1,Cytc,Cytaa,3,O,2,细胞色素氧化酶,NADH-Q,还原酶,细胞色素还原酶,琥珀酸,-Q,还原酶,NADH,呼吸链,FADH,2,呼吸链,45,NADH,呼吸链,为什么是这样一个顺序呢？,46,(3),利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态,(1),测各组分氧化还原电位（,E,0,）,研究方法,(2),呼吸链复合物重组,(4),利用呼吸链抑制剂,47,在标准条件下，,G=G,0,；,G,0,=-nFE,（,n,：转移电子数,F,：法拉弟常数,F=96.5 kJ/V.mol,）,E,=E,电子受体,E,电子供体,即：电子从,E,值较小的物质转移到,E,值较大的物质，反应自发进行,一个反应能够自发进行，,G,0.16V,G,30.5KJ/mol,NADH (-0.32),电位,FMN (-0.30),Fe-S CoQ Cytb Fe-S(0.04)(-0.02)(0.10)(0.00)(0.22)Cytc,1,Cytc(0.25)Cyta(0.29),能量,Cyta,3,(0.55),O,2,(0.82),二、氧化磷酸化的偶联部位,65,P/O,：每消耗一个氧原子（或每对电子通过呼吸链传递至氧）所产生的,ATP,分子数。,实验证明：线粒体中的,NADH,经,ETS,氧化，,P/O=3,，,FADH,2,经,ETS,氧化，,P/O=2,3,、偶联部位：,NADH CoQ,复合物,Cytb Cytc,1,复合物,Cytaa,3,O,2,复合物,2,、根据,P/O,判断,66,根据不同载体的,E,0,值证明由,NADH,到分子氧的电子传递链中，有三处能使氧化还原过程所释放的能量足以合成,ATP,。,67,磷氧比（,P/O,）,NADH,FADH,2,H,2,O,H,2,O,例 实测得,NADH,呼吸链：,P/O,3,ADP+Pi ATP,例：实测得,FADH,2,呼吸链：,P/O,2,O,2,1,2,2e,-,2e,-,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,O,2,1,2,68,1molG,经,EMP-TCA-ETS,彻底氧化生成,38mol ATP,（或,36,）,38,30.5,贮能效率：,100%=40.3%,2876.5,4,、氧化磷酸化的贮能效率,69,1,、化学偶联假说：,电子的传递过程中形成高能中间物，释放能量，使,ADP,生成,ATP,。,三、氧化磷酸化的机理,（一）能量偶联假说,70,这一假说的典型例子是,G-3-P,脱氢酶所催化的产能和贮能过程以及,PEP,形成丙酮酸并生成,ATP,的反应。,G-3-P+Pi,1,3-DPG,NAD,+,NADH,H,+,G-3-P,脱氢酶,1,3-DPG+ADP,3-PGA+ATP,3-PGA,激酶,71,2,、构象偶联假说：,电子,的传递过程中形成高能构象，释放能量，使,ADP,生成,ATP,。,能说明构象偶联假说的例子是,ATP,形成或水解与肌动球蛋白的结构变化有关,72,3,、化学渗透假说：,1961,年由,P.Mitchell,提出，此假说得到多数人支持。,73,化学渗透假说原理示意图,4H,+,2H,+,2H,+,4H,+,NADH+H,+,2H,+,2H,+,2H,+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H,2,O,2,e,-,+,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,磷酸化,氧化,74,（,1,）递,H,体和递电子体交替排列,（,2,）复合物,、,和,中的递,H,体利用电子传递反应能量将,H,+,泵出内膜,（,3,）线粒体内膜对,H,+,不通透，造成跨膜,H,+,梯度,(,质子浓度梯度和电位梯度，合称为质子动力势,),（,4,）,H,+,通过,F,1,-F,0,-ATPase,回流时，释放能量，生成,ATP,化学渗透假说内容：,（,1978,年的诺贝尔化学奖）,75,（,1,）氧化磷酸化的进行要求线粒体内膜完整,（,2,）将线粒体悬浮于无,O,2,缓冲液，当通入,O,2,时介质很快酸化,（,3,）内膜对,H,+,、,OH,-,、,K,+,和,Cl,-,等离子不通透,（,4,）人为地造成跨膜的质子电子电化学梯度，同时加入,ADP,和,Pi,，发现合成了,ATP,化学渗透假说的证据：,76,合成,1,分子,ATP,有多少,H,+,通过,F,0,？,CoQ,在电子传递链中的变化,？,H,+,究竟是怎样通过,ETS,而被逐出的,？,该理论存在的疑问,77,F,1,：,球行头部，伸入到线粒体基质中，由五种,9,个亚基组成 功能：,合成,ATP,的催化部位,寡霉素敏感性蛋白（,OSCP,）：参与调控,F,1,-F,0,的功能,F,0,：,横贯线粒体内膜功能：,质子通道,1,、,ATP,合酶复合体,（二）,ATP,合成机制,78,2,、,ATP,合成机制,Paul Boyer,提出的,“,结合变化机制,”,（,binding-change mechnism),亚基有三种状态,“,O,”,状态：,开放形式，对底物亲和力极低,“,L,”,状态：,松弛形式，对底物结合较松弛，对底物无催化能力,“,T,”,状态：,与底物结合紧密，并有催化活性,质子流的能量使,“,T,”,部位转变为,“,O,”,，,“,L,”,部位转变为,“,T,”,，,“,O,”,部位转变为,“,L,”,79,1,、解偶联剂：,不阻断电子传递不生成,ATP,电子传递抑制剂：阻断电子传递不生成,ATP,作用：,使氧化（电子传递）和磷酸化（形成,ATP,两个偶联的过程脱节，,只抑制,ATP,的形成过程，而不抑制电子传递过程，使电子传递所产生的自由能以热能表达。,四、解偶联作用和氧化磷酸化的抑制作用,80,2,4-,二硝基苯酚的解偶联作用,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,H,+,H,+,线粒体内膜,内,外,2,，,4-,二硝基苯酚（,dinitrophenol,DNP),将质子从膜外侧带到膜内侧，使线粒体内膜对,H,+,的通透性增加，这样就破坏了电子传递形成的跨膜,H,+,梯度的形成抑制了,ATP,的形成,。,81,作用：直接作用于,ATPase,复合体而抑制,ATP,的合成；间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。,这类抑制剂有短杆菌肽、缬氨霉素、芸香霉素和寡霉素。,寡酶素抑制原理：与,Fo-F1-ATPase,复合体柄部（,Fo,）的一个亚基,结合,“,堵塞,”,了其内的质子通道,阻止膜外的,H,+,回流到基质内。,2,、氧化磷酸化的抑制,82,（一）外,NADH,脱氢酶,(,真菌和高等植物,),外,NADH,脱氢酶分布在内膜的外侧朝向膜空间，以,FAD,为辅基的黄素蛋白，接受来自于胞液的,NADH,的氢原子，传递给,CoQ,。,P/O=2,内,NADH,脱氢酶分布在内膜的内侧朝向衬质，以,FMN,为辅基的黄素蛋白，接受来自于线粒体衬质的,NADH,的氢原子，传递给,CoQ,。,P/O=3,五、线粒体外,NADH,的氧化磷酸化,83,动物体内的,NADH,必须通过线粒体穿梭系统。,线粒体穿梭：,生物氧化和氧化磷酸化主要在线粒体内进行，,NAD,+,、,NADH,不能自由进入线粒体，因此胞液中生成的,NADH,必须通过特殊的穿梭机制进入线粒体。,（二）线粒体穿梭,84,细胞质,NADH,的再氧化：质膜穿梭系统,3-,磷酸甘油穿梭,P/O=2,85,苹果酸,-,天冬氨酸穿梭,86,六、,G,彻底氧化的总结算,根据当前最新测定，,H,+,经,NADH-Q,还原酶、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶从线粒体基质泵出至膜空间时，一对电子泵出的质子数依次为,4,、,2,和,4,。,合成一个,ATP,分子是由,3,个,H,+,通过,ATP,合酶所驱动。多余的,H,+,一个可能用于将,ATP,从基质运往膜外细胞质。,87,2e,-,经,NADH,呼吸链,，产生的,ATP,分子数是,2.5,个,；,2e,-,从,FADH,2,呼吸链,，产生的,ATP,分子数是,1.5,个,。,88,1mol,葡萄糖,EMP,2ATP,2NADH,2Pyr,氧化脱羧,2NADH,2,乙酰,CoA,TCA,循环,210=20,5ATP,3,或,5ATP,1mol,葡萄糖彻底氧化成,6molCO,2,共生成,30,或,32molATP,89,七、氧的不完全还原,O,2,+e,-,O,2,-.,O,2,+2e,-,+,2H,+,H,2,O,2,O,2,+3e,-,+,3H,+,H,2,O+OH,.,90,生物体内清除自由基的系统：,1,、酶系统,超氧化物歧化酶（,SOD,）,过氧化氢酶（,CAT,）,过氧化物酶（,POD,）,91,AH,2,+H,2,O,2,2 H,2,O+A,POD,AH,2,+H,2,O,2,2 H,2,O+A,谷胱甘肽过氧化物酶,O,2,-.,+O,2,-.,+,2H,+,H,2,O,2,+O,2,SOD,H,2,O,2,O,2,+H,2,O,CAT,92,第六章 生物氧化与氧化磷酸化,一、名词解释,生物氧化,ETS,氧化磷酸化 底物磷酸化,P/O,能荷,DNP,二、问答题,1.,生物氧化的特点。,2.ETS,各组分的顺序如何？氧化磷酸化的,部位在何处？为什么？,3.,氧化磷酸化的偶联机理有哪几种学说？其中哪种学说得到多数人的赞同，其要点如何？,93,