生物化学-第五章-生物氧化.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,*,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,*,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,TCA,2.,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,H,2,O,，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,CO,2,和水等，并释放能量,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,（,1,）,-,单纯脱羧,1,单纯脱羧,（,2,）,-,单纯脱羧,COOH,C,=,O,CH,2,COO,H,COOH,C,=,O +,CO,2,CH,3,O,CH,3,C,COO,H,O,CH,3,C H+,CO,2,（一）,CO,2,的生成,三、生物氧化的,3,方面内容,2.,氧化脱羧,（,1,）,-,氧化脱羧,（,2,）,-,氧化脱羧,O,CH,3,C,COO,H+CoASH +NAD,+,O,CH,3,C,SCoA +NADH+H,+,+,CO,2,COOH,C=O +,CO,2,+NADH+H,+,CH,3,COOH,CH OH +NAD,+,CH,2,COO,H,苹果酸酶,（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,C,2,O,和,H,2,O,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,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,A,D,P,A,T,P,1,3-,二磷酸甘油酸,OPO,3,2-,返回节,四、生物氧化的酶类,主要是脱氢酶和氧化酶,（一）脱氢酶,（二）氧化酶,（三）加氧酶,（四）过氧化物酶,（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,H,2,O,2,不需氧黄酶：氢先传递给中间传递体，最后才给分子氧生成,H,2,O,代谢物,-2H NAD,+,传递体,-2H 1/2O,2,(NADP,+,),代谢物,NADH+H,+,传递体,H,2,O,(NADPH+H,+,),2H,2H,2H,2.,以,烟酰胺核苷酸,为辅因子的,NAD,（,Co,）、,NADP,（,Co,）,(,二,),氧化酶,以氧为直接受氢体，生成,H,2,O,或,H,2,O,2,一般含,Cu,。如细胞色素氧化酶,RH,2,+O,2,R+H,2,O,2,（三）加氧酶,催化,分子氧或氧原子与底物结合的氧化反应酶的总称。加双氧酶、加单氧酶。,返回节,（四）过氧化物酶,1.,过氧化氢酶,H,2,O,2,+,O,2,O,2,+H,2,O,2.,过氧化物酶,H,2,O,2,+AH,2,A+H,2,O,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”,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,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,磷酸肌酸在脊椎动物中起暂存能量的作用。,仅可作为最初,4,秒钟的能量来源，但它可提供时间来调节糖酵解酶的活性，使肌肉通过酵解得到能量。,磷酸精氨酸是无脊椎动物的能量的暂存形式。,P311,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,ADP,ATP,AMP,Mg,2+,生理,pH,值下,ATP,和,ADP,都处于解离状态，往往需要以,Mg,2+,ATP,2-,的形式参与反应,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,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,O,2,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,、,c,1,、,c,、,a,、,a,3,5.,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-S,N-1a,b,;,Fe-S,N-4,;,Fe-S,N-3,;Fe-S,N-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 FMNH,2,+NAD,+,FMNH,2,+Q FMN+QH,2,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,(,F,lavin,M,ono,n,ucleotide),FAD,：黄素腺嘌呤二核苷酸,(,F,lavin,A,denine,D,inucleotide),黄素核苷酸的作用原理,核黄素,(,黄色,),FAD/FMN,FADH,2,/FMNH,2,+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，还与肽链中,Cys,残基的,SH,连接。,铁原子可进行,Fe,2+,Fe,3+,+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,QH,2,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,FMNH,2,2Fe,2+,-S,2Fe,3+,-S,Q,QH,2,复合体,NADH CoQ,FMN;Fe-S,N-1a,b,;,Fe-S,N-4,;,Fe-S,N-3,;Fe-S,N-2,4H,+,复合体,琥珀酸 ,CoQ,FAD;,Fe-S,1,;,b,560,;,Fe-S,2,;,Fe-S,3,（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,Fe,3+,Fe,2+,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,QH,2,Cyt c,b,562,;b,566,;Fe-S;c,1,（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,+,Q,循环,两个,QH,2,参与电子传递，使两个细胞色素,C,还原，经过全过程又产生了一个,QH,2,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 O,2,Cu,A,aa,3,Cu,B,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,O,2,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,E,0,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（,FADH,2,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。,Reduced,Oxidized,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,），,FADH,2,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,。,FADH,2,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/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.,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,+,Pi,ATP,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,。,自然界最小的旋转发动机,P355,F,1,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,ATP,F,0,镶嵌在线粒体内膜中。细菌的由,a,1,b,2,c,9-12,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,F,0,与,F,1,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,F,1,（亲水部分）组成。,P356,F,o,F,1,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,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。,P357,pH=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）,F,0,F,1,Cyt c,Q,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,F,0,的一个亚基结合而抑制,ATP,合成,寡霉素,(oligomycin),可阻止质子从,F,0,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,+,以外的一价阳离子透性。,如 缬氨霉素,K,+,短杆菌肽,Na,+,K,+,返回节,五、线粒体穿梭系统,不同生物细胞中胞液,NADH,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,P358,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,又不能直接穿过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,。,（一）,3-,磷酸甘油穿梭系统,（脑和骨骼肌）,（二）苹果酸,-,天冬氨酸穿梭系统,（肝和心肌）,返回节,六、能荷,生物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，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,对代谢中酶的别构调节,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,名词解释,呼吸链 氧化磷酸化的解偶联,P/O,简答,1.,呼吸链的种类、组分及其排列顺序,2.,动物合成,ATP,的方式有哪些,3.,简述化学渗透学说的要点,4.,氧化磷酸化抑制的种类,5.,简述线粒体穿梭系统,