第二章-生物氧化省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章第二章 生物氧化生物氧化 一切生命活动都需要能量，光合自养生物一切生命活动都需要能量，光合自养生物经过光合作用利用太阳能将经过光合作用利用太阳能将COCO2 2和和H H2 2O O转化为转化为有机物（糖），将光能转化为有机物中稳定有机物（糖），将光能转化为有机物中稳定化学能；化学能；异养生物或光合自养生物非光合组织经过异养生物或光合自养生物非光合组织经过呼吸作用将有机物氧化分解为呼吸作用将有机物氧化分解为COCO2 2和和H H2 2O O，同，同时释放能量，一部分能量转换为时释放能量，一部分能量转换为ATPATP（腺苷（腺苷三磷酸），三磷酸），ATPATP可直接用于需要能量各种生可直接用于需要能量各种生命活动。生物氧化与氧化酸化是需氧生物取命活动。生物氧化与氧化酸化是需氧生物取得得ATPATP主要路径。主要路径。第1页第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 一、生物氧化概念、特点和方式一、生物氧化概念、特点和方式 （一）生物氧化概念（一）生物氧化概念 生物氧化是有机物（糖、脂肪和蛋白质）在生物生物氧化是有机物（糖、脂肪和蛋白质）在生物体细胞内进行氧化分解并释放能量过程。体细胞内进行氧化分解并释放能量过程。它包含一系列氧化还原反应，体内所需能量大部它包含一系列氧化还原反应，体内所需能量大部分来自有机物氧化。生物氧化全过程可分为分来自有机物氧化。生物氧化全过程可分为4 4个阶段：个阶段：第2页糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoACoA TACTAC NADH+HNADH+H+,FADH,FADH2 2 NADH+HNADH+H+呼呼吸吸链链 HH2 2OO ADP+Pi ATP COCO2 2 CoA第3页 第一阶段第一阶段:大分子降解成基本结构单位大分子降解成基本结构单位.第二阶段第二阶段:小分子化合物分解成共同中间产物（如小分子化合物分解成共同中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoACoA等）等）.第三阶段第三阶段:共同中间产物进入三羧酸循环共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱氧化脱氢氢.第四阶段第四阶段:氧化脱下氢由电子传递链传递生成氧化脱下氢由电子传递链传递生成H H2 2O O，释放出大量能量，其中一部分经过磷酸化储存在，释放出大量能量，其中一部分经过磷酸化储存在ATPATP中。中。第4页 （二）生物氧化特点（二）生物氧化特点 1 1、生生物物氧氧化化是是在在生生物物细细胞胞内内进进行行酶酶促促氧氧化化过过程程，反应条件温和（水溶液，反应条件温和（水溶液，pHpH 7 7和常温）。和常温）。2 2、氧化进行过程中，必定伴随生物还原反应发生。、氧化进行过程中，必定伴随生物还原反应发生。3 3、水水是是许许多多生生物物氧氧化化反反应应氧氧供供体体。经经过过加加水水脱脱氢氢作用直接参予了氧化反应。作用直接参予了氧化反应。4 4、在在生生物物氧氧化化中中，碳碳氧氧化化和和氢氢氧氧化化是是非非同同时时进进行行。氧氧化化过过程程中中脱脱下下来来氢氢质质子子和和电电子子，通通常常由由各各种种载载体体，如如NADHNADH等传递到氧并生成水。等传递到氧并生成水。第5页 5 5、生物氧化是一个分步进行过程。每一步都由特、生物氧化是一个分步进行过程。每一步都由特殊酶催化，每一步反应产物都能够分离出来。这种殊酶催化，每一步反应产物都能够分离出来。这种逐步进行反应模式有利于在温和条件下释放能量，逐步进行反应模式有利于在温和条件下释放能量，提升能量利用率。提升能量利用率。6 6、生物氧化释放能量，经过与、生物氧化释放能量，经过与ATPATP合成相偶联，合成相偶联，转换成生物体能够直接利用生物能转换成生物体能够直接利用生物能ATPATP。7 7、进行生物氧化反应部位、进行生物氧化反应部位 （1 1）线粒体）线粒体 （2 2）内质网、微粒体、过氧化酶体等）内质网、微粒体、过氧化酶体等 8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。活动，转化有害废物。第6页 （三）生物氧化方式（三）生物氧化方式 生物氧化生物氧化是在一系列氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进还原酶催化下分步进行。每一步反应，都由特定酶催化。行。每一步反应，都由特定酶催化。生物氧化进行生物氧化进行方式有加氧、脱氢等，其中以脱氢氧化方式为主。方式有加氧、脱氢等，其中以脱氢氧化方式为主。代谢底物脱下氢原子，需经过一系列传递体传递，代谢底物脱下氢原子，需经过一系列传递体传递，才能交给最终受氢体，最终与氧结合生成水。才能交给最终受氢体，最终与氧结合生成水。1.1.脱氢氧化反应脱氢氧化反应 （1 1）脱氢）脱氢 在生物氧化中，脱氢反应占有主要地位。它是许在生物氧化中，脱氢反应占有主要地位。它是许多有机物质生物氧化主要步骤。催化脱氢反应是各多有机物质生物氧化主要步骤。催化脱氢反应是各种类型脱氢酶。种类型脱氢酶。第7页 烷基烷基脂肪酸脱氢脂肪酸脱氢 如琥珀酸脱氢如琥珀酸脱氢醛酮脱氢醛酮脱氢 如乳酸脱氢酶如乳酸脱氢酶+2H+2e-+COOHCHCHCOOHCOOHCH2CH2COOH第8页 （2 2）加水脱氢）加水脱氢 酶催化醛氧化成酸反应即属于这一类。酶催化醛氧化成酸反应即属于这一类。2.2.氧直接参加氧化反应氧直接参加氧化反应 这类反应包含：这类反应包含：加氧酶加氧酶催化加氧反应和催化加氧反应和氧化酶氧化酶催化催化生成水反应。生成水反应。加氧酶加氧酶 能够催化氧分子直接加入到有机分子中。能够催化氧分子直接加入到有机分子中。比如：甲烷单加氧酶比如：甲烷单加氧酶 CHCH4 4+NADH+O+NADH+O2 2CHCH3 3-OH+NAD-OH+NAD+H+H2 2O O第9页 氧氧化化酶酶 主主要要催催化化以以氧氧分分子子为为电电子子受受体体氧氧化化反反应应，反反应应产产物物为为水水。在在各各种种脱脱氢氢反反应应中中产产生生氢氢质质子子和和电电子，最终都是以这种形式进行氧化。子，最终都是以这种形式进行氧化。3.3.生成二氧化碳氧化反应生成二氧化碳氧化反应 （1 1）直接脱羧作用）直接脱羧作用 氧化代谢中间产物羧酸在脱羧酶催化下，直接从氧化代谢中间产物羧酸在脱羧酶催化下，直接从分子中脱去羧基。比如丙酮酸脱羧。分子中脱去羧基。比如丙酮酸脱羧。（2 2）氧化脱羧作用）氧化脱羧作用 氧化代谢中产生有机羧酸（主要是酮酸）在氧化氧化代谢中产生有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系催化下，在脱羧同时，也发生氧化（脱氢）脱羧酶系催化下，在脱羧同时，也发生氧化（脱氢）作用。比如苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸。作用。比如苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸。第10页 二、自由能和氧化还原电位二、自由能和氧化还原电位 （一）自由能（一）自由能 生物氧化过程中发生许多生化反应，生化反应中生物氧化过程中发生许多生化反应，生化反应中能量改变和普通化学反应一样，可用热力学上自由能量改变和普通化学反应一样，可用热力学上自由能来描述。自由能（能来描述。自由能（free energyfree energy）是指一个体系总）是指一个体系总能量中，在恒温恒压下能够做功那一部分能量，又能量中，在恒温恒压下能够做功那一部分能量，又称为称为GibbsGibbs自由能（自由能（G G）。）。自由能自由能(Gibbs(Gibbs函数函数)定义为定义为:=HTS 化学反应自由能改变化学反应自由能改变(GibbsGibbs函数改变函数改变):):r=rHTrS第11页 化学反应自由能改变（化学反应自由能改变（r rG G）是个状态函数）是个状态函数,只与只与反应始态和终态相关反应始态和终态相关,与反应路径无关与反应路径无关.自由能改变能预示某一过程能否自发进行，即：自由能改变能预示某一过程能否自发进行，即：r rG0G0G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行,必须供给能量，反应必须供给能量，反应才能进行，其逆反应是自发；才能进行，其逆反应是自发；r rG=0G=0，反应处于平衡状态，反应处于平衡状态;生物氧化释放生来能量正是可为有机体利用自由能。生物氧化释放生来能量正是可为有机体利用自由能。第12页 标准自由能改变标准自由能改变:在在2525，101325Pa(1101325Pa(1个大气个大气压压)下，反下，反应应物物浓浓度度为为1mol/L1mol/L时时，反，反应应系系统统自由能改自由能改变变。化学反化学反应标应标准自由能改准自由能改变变用用 r rG G表示表示(生物化学生物化学反反应应标标准自由能改准自由能改变变用用 rG表示表示,单单位位为为kJ/mol.kJ/mol.比如比如,A+B C+D 其自由能改其自由能改变变遵照下式遵照下式:rG=rG+RTln 当反当反应应平衡平衡时时(即即 rG=0):rG=-RTln 因为平衡常数因为平衡常数K=CD/AB 所以一个所以一个生物化学反生物化学反应应标标准自由能改准自由能改变变与一个反与一个反应应平衡常数平衡常数间间关系关系为为:rG=-RTln K =-2.303RTlgK CDABCDAB第13页 其中其中R为气体常数为气体常数(R=8.315kJ/ml.k),),T为热力学为热力学温度温度(单位为单位为K),),rG能能够经过测够经过测定平衡定平衡时产时产物和物和反反应应物物浓浓度度计计算出来算出来.（二）标准氧化还原电位（二）标准氧化还原电位（）生物氧化包含一系列氧化还原反应，假如反应物失生物氧化包含一系列氧化还原反应，假如反应物失去电子去电子,则该物质称为则该物质称为还原剂还原剂;假如反应物得到电子假如反应物得到电子,则该反应物称为则该反应物称为氧化剂氧化剂.氧化还原反应包含一个矛盾氧化还原反应包含一个矛盾两个方面两个方面,一个物质作为还原剂失去电子本身被氧化一个物质作为还原剂失去电子本身被氧化,而另一个物质作为氧化剂得到电子被还原而另一个物质作为氧化剂得到电子被还原.物质得失物质得失电子趋势电子趋势(电子转移潜势电子转移潜势)能够用能够用氧化还原电位氧化还原电位值值定量表示定量表示.第14页检流计检流计+-盐桥盐桥氢气氢气参考半反应池参考半反应池样品半反应池样品半反应池 氧化还原物质与标准氢氧化还原物质与标准氢电极组成原电池电极组成原电池(如右图如右图),可测定其可测定其值值.用于生物测量标准条件用于生物测量标准条件为为:参考半反应池参考半反应池氢离子浓氢离子浓度度1.07mol/L,氢气气压氢气气压101325Pa(1个大气压个大气压)标准还原电位标准还原电位人为地要求为人为地要求为0.0V;样品半反应池样品半反应池中含有待测定样品氧化型和还原型中含有待测定样品氧化型和还原型物质各物质各1mol/L,pH=7.0;电流表电流表上读数表示两个半反应上读数表示两个半反应池之间电势差池之间电势差,即样品半反应池标准氧化还原电位即样品半反应池标准氧化还原电位.氧化还原物质与标准氢电极组成氧化还原物质与标准氢电极组成原电池结构示意图原电池结构示意图第15页 在生物体内发生氧化还原反应氧化还原对，其电在生物体内发生氧化还原反应氧化还原对，其电子转移潜势惯用子转移潜势惯用生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位表示，符号表示，符号为为。生化标准氧化还原电位是指。生化标准氧化还原电位是指pH=7.0pH=7.0、2525、氧化态氧化态=还原态还原态=1mol/L=1mol/L等标准条件下与标准氢等标准条件下与标准氢电极组成原电池测得氧化还原电位。表电极组成原电池测得氧化还原电位。表2-12-1是生物体是生物体内一些主要氧化还原正确。内一些主要氧化还原正确。氧化氧化-还原反应式还原反应式生化标准氧化还原电位生化标准氧化还原电位（V V）琥珀酸琥珀酸+CO+CO2 2+2H+2H+2e+2e-酮戊二酸酮戊二酸H H2 2O O-0.67-0.673-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸+2H+2H+2e2e-3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+H+H2 2O O-0.55-0.55-酮戊二酸酮戊二酸+2H+2H+2e+2e-异柠檬酸异柠檬酸-0.38-0.38NADNAD+H+H+2e+2e-NADHNADH-0.32-0.32乙醛乙醛+2H+2H+2e+2e-乙醇乙醇-0.197-0.197FeFe3+3+e+e-FeFe2+2+0.77+0.77+0.815+0.815生物体内一些重要氧化还原对E 第16页 值越小，失电子能力越强（还原剂）；值越值越小，失电子能力越强（还原剂）；值越大，取得电子能力越强（氧化剂）。依据大，取得电子能力越强（氧化剂）。依据值可值可判断生物体内各种物质得失电子能力强弱，如判断生物体内各种物质得失电子能力强弱，如0 02 2易易取得电子形成水，取得电子形成水，NADHNADH易失去电子氧化成易失去电子氧化成NADNAD+。12NADH+H+O2 NAD+H2O2e-电子受体电子受体 电子受体电子受体E（三）自由能与氧化还原电位差关系（三）自由能与氧化还原电位差关系第17页 一个氧化还原反应能够看成是一个化学电池，当一个氧化还原反应能够看成是一个化学电池，当经过化学电池电流无限小时，电池做最大功：经过化学电池电流无限小时，电池做最大功：WmaxnFE式中式中nn氧化还原反应中传递电子数目；氧化还原反应中传递电子数目；E生化标准氧化还原电位差；生化标准氧化还原电位差；FF法拉第常数法拉第常数96.485kJ/(Vmol)96.485kJ/(Vmol)。依据热力学定律，在恒温恒压体系中，体系自由能依据热力学定律，在恒温恒压体系中，体系自由能降低（降低（G G为负值）等于体系所做最大功，即为负值）等于体系所做最大功，即Wmax GnFE G nFE第18页 所以，利用生化标准氧化还原电位差能够计算出氧所以，利用生化标准氧化还原电位差能够计算出氧化还原反应生化标准自由能改变。化还原反应生化标准自由能改变。例：求以下反应例：求以下反应 G 解解:查表知，查表知，E E(O(O2 2/HO/HO2 2)+0.815V+0.815V E E(NAD(NAD+/NADH)/NADH)0.32V0.32V 所以所以 E0.8150.815(0.32)0.32)1.135(V)1.135(V)G21.13596.48521.13596.485 219(kJ/mol)219(kJ/mol)12O2NADH H+H2ONAD+第19页 三、高能化合物三、高能化合物 有机物经生物氧化所释放自由能要转换为高能化合有机物经生物氧化所释放自由能要转换为高能化合物分子中活跃化学能，才能被生物所利用。物分子中活跃化学能，才能被生物所利用。ATPATP是生是生命活动中最主要能量载体，也是最主要高能化合物。命活动中最主要能量载体，也是最主要高能化合物。（一）高能化合特概念（一）高能化合特概念 在生化标准条件（在生化标准条件（pH7、25、1mol/L）下发生水）下发生水解时，可释放出大量自由能（解时，可释放出大量自由能（20.92kJ以上）化合物，以上）化合物，称为称为高能化合物高能化合物。比如，腺苷三磷酸（。比如，腺苷三磷酸（ATP）水解为）水解为腺苷二磷酸（腺苷二磷酸（ADP）时，可释放）时，可释放30.5kJ/mol能量。能量。第20页OPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2HOPOOHOPOOHNNNNNH2OHHOHHOHHOCH2OPOOHHOPOOHH2OPi腺嘌呤核糖ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G -30.5kJMOL-1 ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1 在高能化合物分子中，被水解释放出大量自由能活在高能化合物分子中，被水解释放出大量自由能活泼共价建，称为泼共价建，称为高能键高能键，用符号，用符号“”表示。当分子表示。当分子中含有磷酸基团，该磷酸基团被水解时释放出大量自中含有磷酸基团，该磷酸基团被水解时释放出大量自由能，这类高能化合物又称为由能，这类高能化合物又称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。第21页 （二）高能化合物类型（二）高能化合物类型 生物体内高能化合物，依据其分子结构特点和所含生物体内高能化合物，依据其分子结构特点和所含高能键特征，可分为以下几个类型。高能键特征，可分为以下几个类型。高能化合物高能化合物氮磷键型氮磷键型（PN）磷氧键型磷氧键型（OP）硫酯键型硫酯键型甲硫键型甲硫键型焦磷酸化合物焦磷酸化合物 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物 第22页 上述高能化合物中，上述高能化合物中，含磷酸基团高能磷酸化合物含磷酸基团高能磷酸化合物占绝大多数。但并不是全部含磷酸基团化合物都是占绝大多数。但并不是全部含磷酸基团化合物都是高能化合物。高能化合物。比如，比如，6-6-磷酸葡萄糖、磷酸葡萄糖、3-3-磷酸甘油等，磷酸甘油等，水解释放自由能都小于水解释放自由能都小于20.92kJ/mol,20.92kJ/mol,所以称他们为所以称他们为普通磷酸化合物或低能磷酸化合物。普通磷酸化合物或低能磷酸化合物。1.1.磷氧键型磷氧键型 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物3-3-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸第23页酰基腺苷酸酰基腺苷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸焦磷酸化合物焦磷酸化合物AMPADPATP无机焦磷酸无机焦磷酸第24页烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2.2.氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸第25页3.3.硫酯键型硫酯键型乙酰乙酰CoA3-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-5-磷酰硫酸磷酰硫酸4.4.甲硫键型甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸第26页化合物化合物GG（kJ/molkJ/mol）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9-61.93-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸-49.3-49.3磷酸肌酸磷酸肌酸-43.1-43.1ATPADP+PiATPADP+Pi-30.5-30.5ATP AMP+PPiATP AMP+PPi-32.2-32.26-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖-13.8-13.83-3-磷酸甘油磷酸甘油-9.2-9.2一些磷酸化合特水解时标准自由能改变一些磷酸化合特水解时标准自由能改变 ATP ATP即使是高能化合物，但它即使是高能化合物，但它G值值介于其它高能介于其它高能化合物和普通磷酸化合物之化合物和普通磷酸化合物之间间，即它磷酸基，即它磷酸基团转团转移移势势能能处处于中于中间间位置，位置，这这使使ATPATP在生物体内能量在生物体内能量转换转换和磷和磷酸基酸基团转团转移移过过程中起着中程中起着中间传递间传递体作用。放能反体作用。放能反应应和和吸能反吸能反应应往往需要往往需要经过经过ADPADP和和ATPATP相互相互转变转变而偶而偶联联起来起来 第27页ADPATP磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶，二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸（放能）（放能）葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖（吸能）（吸能）己糖激酶己糖激酶上图放能反应和吸能反应偶联上图放能反应和吸能反应偶联第二节第二节 电子传递链电子传递链在生物氧化过程中，从代谢底物上脱下在生物氧化过程中，从代谢底物上脱下2 2个氢经过一个氢经过一系列按一定次序排列氢传递体和电子传递体传递，最系列按一定次序排列氢传递体和电子传递体传递，最终传递给终传递给O2并生成并生成H2O，这种氢和电子传递体系为电，这种氢和电子传递体系为电子传递链，生物氧化中子传递链，生物氧化中电子传递链电子传递链又称为又称为氧化呼吸链氧化呼吸链。第28页一、电子传递链组成及其功效一、电子传递链组成及其功效电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4 4个部分：个部分：NADH-CoQNADH-CoQ还原酶复合物（还原酶复合物（NADHNADH脱氢酶）脱氢酶）、琥珀酸琥珀酸-CoQ-CoQ还原酶复合物还原酶复合物、细胞色素还原酶复合物细胞色素还原酶复合物和和细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物.Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-呼吸链各蛋白质复合体在线粒体内膜中位置呼吸链各蛋白质复合体在线粒体内膜中位置第29页FADFADH2琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸e2+e3+2H2e-2e-2H+琥珀酸还原酶复合物琥珀酸还原酶复合物M.H2代谢物氧化氧化代谢物代谢物呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链（）（）脱氢酶脱氢酶（）黄素酶黄素酶（）e-e-e e-S-S辅酶辅酶2e-2 2e e2+2+2F2Fe e3+3+细胞细胞色素色素b b2e-2Fe3+2Fe2+e-Se-SATPADP2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素2e-3Fe3+2Fe2+细胞细胞色素色素2e-2Fe2+2Fe3+细胞细胞色素色素aaaa3 32e+2Cu2+2Cu+细胞细胞色素色素a a3 3ATPADPH2O12O22e+2H+NADH-CoQNADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素还原酶复合物细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物 脱氢脱氢 以以NADNAD和和NADPNADP为辅酶脱氢酶为辅酶脱氢酶,直接催化代谢物脱直接催化代谢物脱氢氢,脱下来氢交给脱下来氢交给NADNAD+或或NADPNADP+,从而形成从而形成NADHNADH或或HADPH.NADHADPH.NAD或或NADPNADP氧化还原反应发生在烟酰胺吡啶环上氧化还原反应发生在烟酰胺吡啶环上.E0-0.41V-0.32V-0.06V+0.1V+0.04V+0.26V+0.29V+0.81V第30页NADH-CoQ还原酶还原酶(NADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物)又称为又称为NADH-CoQNADH-CoQ还原酶或复合物还原酶或复合物I I，是一个相对分，是一个相对分子质量为子质量为8800088000蛋白质分子，最少含有蛋白质分子，最少含有3434条多肽链。条多肽链。NADHNADH脱氢酶属黄素核苷酸脱氢酶类，辅基为脱氢酶属黄素核苷酸脱氢酶类，辅基为FMNFMN。此酶包含此酶包含黄素酶黄素酶和和铁铁-硫蛋白硫蛋白（Fe-SFe-S，经过，经过FeFe离子离子价态改变传递电子）两个电子传递结构，它们嵌合于价态改变传递电子）两个电子传递结构，它们嵌合于线粒体内膜中。线粒体内膜中。第31页 黄素酶黄素酶 黄素酶或黄素蛋白是以黄素酶或黄素蛋白是以FMNFMN或或FADFAD为辅基一为辅基一类不需氧脱氢酶类不需氧脱氢酶,作用是递氢作用是递氢.递氢作用是因黄素基递氢作用是因黄素基第第1,1,第第5 5两位两位N N原子能被还原原子能被还原.1245第32页 呼吸链中最主要黄素酶是呼吸链中最主要黄素酶是NADHNADH脱氢酶脱氢酶和和琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶酶.NADHNADH脱氢酶脱氢酶 此酶以此酶以NADHNADH为底物为底物,将将NADHNADH脱下来氢经脱下来氢经过过FMN,FFMN,Fe e-S-S中心交给中心交给COQ,COQ,故故NADHNADH脱氢酶也叫脱氢酶也叫NADH-NADH-CoQCoQ还原酶还原酶.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 此酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸此酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸,辅基是辅基是FADFAD和和F Fe e-S-S中心琥珀酸脱氢酶把琥珀酸脱下来中心琥珀酸脱氢酶把琥珀酸脱下来氢经过氢经过FAD,FFAD,Fe e-S-S中心交给中心交给COQ,COQ,故琥珀酸脱氢酶也叫故琥珀酸脱氢酶也叫琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶.第33页 铁-硫蛋白 铁铁-硫蛋白是相对分子质量较小蛋白质硫蛋白是相对分子质量较小蛋白质,分子中含有分子中含有非血红素铁非血红素铁和对酸不稳定硫和对酸不稳定硫,所以通常简所以通常简写为写为F Fe e-S-S或或F Fe eS,S,铁硫成等量关系铁硫成等量关系,已知有一铁四硫已知有一铁四硫(F(Fe eS S4 4),),二铁二硫二铁二硫(F(Fe e2 2S S2 2)和四铁四硫和四铁四硫(F(Fe4e4S S4 4)3)3种类型种类型.Fe(S-Cys)4型型Fe2S2(S-Cys)4型型Fe4S4(S-Cys)4型型第34页 铁铁-硫蛋白在线粒体内膜上经常与黄素酶硫蛋白在线粒体内膜上经常与黄素酶,细胞色细胞色素结合成复合物素结合成复合物,有些人将这种铁有些人将这种铁-硫蛋白称为铁硫蛋白称为铁-硫硫中心中心,Fe,S,Fe,S是很敏感部分是很敏感部分,往往受抑制剂抑制往往受抑制剂抑制.它们作它们作用是经过铁价数改变进行电子传递用是经过铁价数改变进行电子传递.辅酶辅酶Q(COQ)Q(COQ)辅酶辅酶Q Q是脂溶性醌类化合物是脂溶性醌类化合物,因广布于因广布于自然界自然界,所以有称泛醌所以有称泛醌.辅酶辅酶Q Q有一个长类异戊二烯侧有一个长类异戊二烯侧链链,使它含有高度疏水性使它含有高度疏水性,能在线粒体内膜疏水区中能在线粒体内膜疏水区中快速扩散快速扩散,它是呼吸链中唯一一个不牢靠地结合于蛋它是呼吸链中唯一一个不牢靠地结合于蛋白质上电子或氢传递体白质上电子或氢传递体,所以不包含在四种复合体中。所以不包含在四种复合体中。分子中苯醌结构能可逆地结合分子中苯醌结构能可逆地结合2 2个个H H，为递氢体。，为递氢体。Fe2+Fe3+e-第35页 细胞色素细胞色素 细胞色素是一类以传递电子作为其主要细胞色素是一类以传递电子作为其主要生物功效色蛋白生物功效色蛋白.电子传递是借助于其辅基铁卟啉铁价电子传递是借助于其辅基铁卟啉铁价可逆改变可逆改变,细胞色素在组织内分布极广细胞色素在组织内分布极广,种类很多种类很多.还原还原型细胞色素含有显著可见光谱吸收现象，可看到型细胞色素含有显著可见光谱吸收现象，可看到、33个吸收峰。个吸收峰。第36页 依据吸收光谱不一样，将细胞色素分为依据吸收光谱不一样，将细胞色素分为Cyt、cyt b、cyt c等等3类。类。3 3类细胞色素辅基结构以及辅基类细胞色素辅基结构以及辅基与蛋白质结合方式有所不一样；与蛋白质结合方式有所不一样；细胞色素细胞色素a a类辅基是类辅基是血红素血红素A A，它与细胞色素，它与细胞色素a a蛋白质部分非共价结合蛋白质部分非共价结合；细胞色素细胞色素b b类辅基是铁原卟啉类辅基是铁原卟啉IXIX，它与蛋白质非共，它与蛋白质非共价结合价结合；细胞色素细胞色素C C类辅基也是铁原卟啉类辅基也是铁原卟啉IXIX，它与，它与蛋白质共价结合蛋白质共价结合。在动物线粒体呼吸链中最少有。在动物线粒体呼吸链中最少有5 5种种细胞色素，它们分别是细胞色素，它们分别是cyt b、cyt c1、cyt c、cyt a、cyt a3。第37页第38页 细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细胞色素还原酶含有细胞色素细胞色素还原酶含有细胞色素b b、铁铁-硫中心以及细胞色素硫中心以及细胞色素C C1 1。细胞色素还原酶血红素。细胞色素还原酶血红素辅基中铁离子，在电子传递中发生可逆价态改变。辅基中铁离子，在电子传递中发生可逆价态改变。QHQH2 2被氧化型细胞色素氧化过程被氧化型细胞色素氧化过程:QH:QH2 2将电子传给将电子传给氧化型细胞色素氧化型细胞色素b,使之变为还原型使之变为还原型细胞色素细胞色素b,H+质质子留在溶液中子留在溶液中.还原型还原型细胞色素细胞色素b将电子传给铁将电子传给铁-硫中硫中心心,再转给细胞色素再转给细胞色素C1,接着转给细胞色素接着转给细胞色素C.在呼吸链中细胞色素还原酶作用是催化电子从在呼吸链中细胞色素还原酶作用是催化电子从CoQHCoQH2 2转移到细胞色素转移到细胞色素C C。第39页 线粒体中细胞色素绝大多数和线粒体内膜结合紧线粒体中细胞色素绝大多数和线粒体内膜结合紧密密,只有细胞色素只有细胞色素C和线粒体内膜结合较松和线粒体内膜结合较松,轻易分离轻易分离纯化纯化,所以对它结构和功效研究更为清楚所以对它结构和功效研究更为清楚.细胞色素细胞色素C C（CtycCtyc）Cty c为可溶性蛋白质，以静为可溶性蛋白质，以静电作用结合在线粒体内膜外表面，电作用结合在线粒体内膜外表面，Cyt c1将接收电将接收电子传递给子传递给Cty c，Cty c再将接收电子传递给再将接收电子传递给Cyt aa3。Cyt aa3是由是由Cyt a和和Cyt a3组成复合物。该复合物称组成复合物。该复合物称为细胞色素氧化酶、复合物为细胞色素氧化酶、复合物IVIV或细胞色素或细胞色素C C氧化酶。氧化酶。Cyt c与细胞色素还原酶与细胞色素还原酶Cyt c1和细胞色素氧化酶和细胞色素氧化酶（复合物（复合物IVIV）接触，起到在复合物）接触，起到在复合物IIIIII和和IVIV之间传递之间传递电子作用。电子作用。第40页 细胞色素氧化酶（复合物细胞色素氧化酶（复合物IVIV）细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶（Cyt aa3）含有）含有2 2个血红素个血红素A A、2 2个铜离子和个铜离子和1010个亚个亚基。基。Cyt a接收来自接收来自Cyt c-Fe2+电子，经电子，经C Cu u2+2+C Cu u+将电子传递给将电子传递给Cyt a3，最终，最终Cyt a3将接收电子传递给将接收电子传递给O2，使，使O2还原成还原成H2O。二、主要电子传递链二、主要电子传递链 电子传递链各种组分在线粒体内膜上按一定次序排电子传递链各种组分在线粒体内膜上按一定次序排列，才能发挥其传递电子功效。在线粒体内膜上主列，才能发挥其传递电子功效。在线粒体内膜上主要有两条电子传递链。要有两条电子传递链。第41页 1 1、NADH电子传递链电子传递链 线粒体基质中丙酮酸、线粒体基质中丙酮酸、异柠檬酸、异柠檬酸、-酮戊二酸、苹果酸等脱氢生成酮戊二酸、苹果酸等脱氢生成NADH+H+作为电子最初供体。作为电子最初供体。电子传递次序：电子传递次序：NADH-CoQ还原酶还原酶CoQ细细胞色素还原酶胞色素还原酶Cty cCyt aa3O2。2 2、FADH2电子传递链电子传递链 亦称为琥珀酸呼吸链。亦称为琥珀酸呼吸链。线粒体基质中琥珀酸脱氢生成线粒体基质中琥珀酸脱氢生成FADH2作为这条作为这条电子传递链电子最初供体。电子传递链电子最初供体。电子传递次序：电子传递次序：琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶CoQ细胞色素还原酶细胞色素还原酶Cty cCty aa3O2。第42页 三、电子传递链抑制剂三、电子传递链抑制剂 能够阻断电子传递链中某一部位电子传递物质称能够阻断电子传递链中某一部位电子传递物质称为电子传递抑制剂。为电子传递抑制剂。利用电子传递抑制剂专一性有利用电子传递抑制剂专一性有选择性地阻断电子传递链中某个传递步骤，再测定选择性地阻断电子传递链中某个传递步骤，再测定每一个电子载体氧化或还原状态，从而可确定电子每一个电子载体氧化或还原状态，从而可确定电子传递体排列次序。常见电子传递抑制剂有以下几个。传递体排列次序。常见电子传递抑制剂有以下几个。1 1、鱼藤酮、鱼藤酮（rotenone）、安密妥、安密妥（amytal）、杀、杀粉蝶菌素粉蝶菌素（piericidine）它们作用是阻断电子由它们作用是阻断电子由NADHNADH向向COQCOQ传递。鱼藤酮是一个极毒植物物质，惯用传递。鱼藤酮是一个极毒植物物质，惯用作杀虫剂。作杀虫剂。第43页 2 2、抗霉素抗霉素A A（antimycin A）它是从链霉菌分离它是从链霉菌分离出来抗菌素，能阻断电子由出来抗菌素，能阻断电子由Cyt b向向Cyt c1传递传递.3 3、氰化物、硫化物、叠氮化物、氰化物、硫化物、叠氮化物、CO 它们都能阻它们都能阻断电子在细胞色素氧化酶中传递。断电子在细胞色素氧化酶中传递。各种抑制剂对电子传递抑制部位以下列图所表示各种抑制剂对电子传递抑制部位以下列图所表示:鱼藤酮鱼藤酮,安密妥安密妥杀粉蝶菌素杀粉蝶菌素抗霉素抗霉素A AN3-,CO,H2S,CN-第44页第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是需氧）是需氧生物取得生物取得ATPATP主要路径。氧化磷酸化作用是主要路径。氧化磷酸化作用是指与生物指与生物氧化作用相偶联磷酸化作用。它是将生物氧化过程氧化作用相偶联磷酸化作用。它是将生物氧化过程中释放自由能用于中释放自由能用于ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP过程。过程。真核生物氧化磷酸化作用在细胞线粒体内膜进行；真核生物氧化磷酸化作用在细胞线粒体内膜进行；原核生物则在细胞质膜上进行。原核生物则在细胞质膜上进行。第45页 一、一、ATP合成两种路径合成两种路径 1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化 ATP生成直接由一个代谢生成直接由一个代谢中间物上磷酸基团转移到中间物上磷酸基团转移到ADP上。上。APi代表底物在氧化过程中形成中间产物代表底物在氧化过程中形成中间产物-高高能磷酸化合物能磷酸化合物.2 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化 将生物氧化过程中释放自由能将生物氧化过程中释放自由能用于用于ADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP过程。过程。ADP+APiATP+ANADH+H+=220.5kJ/molrGADP+PiATP+H2O rG=+30.5kJ/moL 第46页 二、氧化磷酸化偶联部位二、氧化磷酸化偶联部位 电子在氧化呼吸链中按次序传递逐步释放出自由电子在氧化呼吸链中按次序传递逐步释放出自由能，若释放自由能足以用来形成能，若释放自由能足以用来形成ATP，那么这个电，那么这个电子传递部位称为子传递部位称为偶联部位偶联部位。试验证实，在呼吸链。试验证实，在呼吸链4 4个个酶复合体中，复合体酶复合体中，复合体I I、IIIIII、IVIV是偶联部位，一对是偶联部位，一对电子流经电子流经NADH-CoQ还原酶所释放自由能足以形成还原酶所释放自由能足以形成1 1分子分子ATP，流经细胞色素还原酶形成，流经细胞色素还原酶形成0.50.5分子分子ATP，流经细胞色素氧化酶形成，流经细胞色素氧化酶形成1 1个个ATP分子。所以，一分子。所以，一对电子经对电子经NADH电子传递链氧化磷酸化产生电子传递链氧化磷酸化产生2.52.5分子分子ATP；经；经FADHFADH2 2电子传递链氧化磷酸化只产生电子传递链氧化磷酸化只产生1.51.5分分子子ATP。第47页 ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP需要消耗无机磷酸；一对电需要消耗无机磷酸；一对电子经氧化呼吸链传递给子经氧化呼吸链传递给O2，需要消耗氧分子，二者，需要消耗氧分子，二者是相偶联。研究氧化磷酸化最惯用方法之一测定线是相偶联。研究氧化磷酸化最惯用方法之一测定线粒体或其制剂粒体或其制剂P/O比。比。P/O是指每消耗一摩尔氧所消是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸摩尔数。耗无机磷酸摩尔数。ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位第48页 试验证实，线粒体内试验证实，线粒体内NADH+H+经呼吸链经呼吸链氧化，其氧化，其P/O比为比为2.5；FADH2经呼吸链氧化，经呼吸链氧化，其其P/O比为比为1.5。线粒体外（细胞质中）线粒体外（细胞质中）NADH+H+，经过，经过不一样路径（线粒体穿梭系统）进入不一样不一样路径（线粒体穿梭系统）进入不一样呼吸链氧化，其呼吸链氧化，其P/O比不一样；经过苹果酸穿比不一样；经过苹果酸穿梭路径进入电子传递链氧化梭路径进入电子传递链氧化P/O比为比为2.5；经；经过磷酸甘油穿梭路径进入电子传递链氧化过磷酸甘油穿梭路径进入电子传递链氧化P/O比为比为1.5。第49页 三、氧化磷酸化作用机理三、氧化磷酸化作用机理 氧化磷酸化作用实质是能量转换，那么电子经呼吸氧化磷酸化作用实质是能量转换，那么电子经呼吸链传递所释放自由能是怎样推进链传递所释放自由能是怎样推进ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP？这就是氧化磷酸化作用机理问题。为解释这个问题，？这就是氧化磷酸化作用机理问题。为解释这个问题，当前有当前有3种假说：种假说