生物氧化专题教育课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第七章生物氧化（能量代谢）生物氧化方式和特点氧化生产ATP三种方式光合作用，线粒体内氧化作用，底物水平磷酸化经过呼吸链生产ATP(线粒体内）经过呼吸链生产ATP(线粒体外）能量利用(ATP在能量利用中作用)其它氧化方式(不产ATP)第1页第一节生物氧化方式和特点w（1）定义：有机物在生物体内进行氧化还原作用称为生物氧化生物氧化第2页（2 2）生物氧化中物质氧化方式）生物氧化中物质氧化方式w氧化反应氧化反应w还原反应还原反应w失电子w脱氢w加氧w得电子w加氢w脱氧第3页反应条件反应条件 温温 和和 剧剧 烈烈 (体温、体温、pHpH近中性近中性)()(高温、高压高温、高压)反应过程反应过程 逐步进行酶促反应逐步进行酶促反应 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐步进行逐步进行 瞬间释放瞬间释放 （化学能、热能）（化学能、热能）（热能）（热能）COCO2 2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H H2 2O(O(氧供体）氧供体）需需 要要 不需要不需要速率速率 受体内各种原因调整受体内各种原因调整 生物氧化生物氧化 体外燃体外燃烧（3）生物氧化与体外燃烧比较第4页第二节生产ATP三种方式w光合作用w线粒体内氧化作用w底物水平磷酸化第5页底物水平磷酸化底物水平磷酸化 一个直接将代谢物分子中能量（磷酸基）直接一个直接将代谢物分子中能量（磷酸基）直接转移至转移至ADP（或（或GDP），生成），生成ATP（或（或GTP）过程称底物水平磷酸化。）过程称底物水平磷酸化。或：底物分子内部能量重新分布，生成高能或：底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP过程。过程。第6页一经过呼吸链生产ATP(线粒体内）w呼吸链组成w呼吸链电子传递w呼吸链产能过程（能量计算及ATP形成）w呼吸链阻断第7页(一)呼吸链组成第8页第9页 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫第10页铁硫蛋白铁硫蛋白w它主要以它主要以(2Fe-2S)(2Fe-2S)或或(4Fe-4S)(4Fe-4S)形式存形式存在。在。(2Fe-2S)(2Fe-2S)含有两个活泼无机硫和两个含有两个活泼无机硫和两个铁原子。铁原子。第11页泛醌（泛醌（泛醌（泛醌（ubiquinone,Qubiquinone,Qubiquinone,Qubiquinone,Q）亦称辅酶亦称辅酶亦称辅酶亦称辅酶Q Q Q Q（Coenzyme Q,CoQCoenzyme Q,CoQCoenzyme Q,CoQCoenzyme Q,CoQ）人体中：人体中：人体中：人体中：CoQCoQCoQCoQ10101010 1.1.1.1.含有很多异戊二烯侧链醌类化合物含有很多异戊二烯侧链醌类化合物含有很多异戊二烯侧链醌类化合物含有很多异戊二烯侧链醌类化合物2.2.2.2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动脂溶性，可在线粒体内膜中移动脂溶性，可在线粒体内膜中移动脂溶性，可在线粒体内膜中移动3.3.3.3.是电子传递体中唯一可是电子传递体中唯一可是电子传递体中唯一可是电子传递体中唯一可游离游离游离游离存在电子载存在电子载存在电子载存在电子载体（无蛋白）体（无蛋白）体（无蛋白）体（无蛋白）第12页泛醌（泛醌（CoQ）泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）是游离存在于线粒体内膜中脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。第13页细 胞 色 素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基催化电子细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基催化电子传递酶类，依据它们吸收光谱不一样而分类。传递酶类，依据它们吸收光谱不一样而分类。第14页铁卟啉辅基分子结构铁卟啉辅基分子结构第15页(二)呼吸链电子传递第16页第17页电子传递链组成w从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)。第18页NADH+H+NAD+Cytc Q 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-第19页第20页第21页第22页复合体复合体氧化还原氧化还原第23页复合体复合体氧化还原氧化还原第24页(三)呼吸链产能过程第25页MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e O2O2-X-+IO-XHIOHH2OXIXIXI 头部头部ATP合酶合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2O化学渗透学说化学渗透学说-氧环回路机制氧环回路机制第26页化学渗透学说化学渗透学说-质子泵机制（复合体蛋白侧链质子泵机制（复合体蛋白侧链PKa改变）改变）还有可能其它质子泵出机制，当前仍在研究还有可能其它质子泵出机制，当前仍在研究第27页第28页当当H+顺顺浓浓度度递递度度经经F0中中a亚亚基基和和c亚亚基基之之间间回回流流时时，亚亚基基发发生生旋旋转转，3个个亚亚基基构构象象发发生生改改变。变。ATP合酶工作机制合酶工作机制第29页Boyer和和Walker工作工作 英国科学家Walker经过x光衍射取得高分辩率牛心线粒体ATP酶晶体三维结构，证实在ATP酶合成ATP催化循环中三个亚基确实有不一样构象，从而有力地支持了Boyer假说。Boyer和Walker共同取得1997年诺贝尔化学奖。美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不一样构象，一个构象(L)有利于ADP和Pi结合，一个构象(T)可使结合ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成ATP轻易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象交替改变，所需能量由跨膜H+提供。第30页ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位E=E+RT/nF*ln(氧化剂氧化剂/还原剂还原剂）G=-nFE E 0.2v可自发生成ATP第31页3个产个产ATP位置恰好在泵出氢原子地方，位置恰好在泵出氢原子地方，4个左个左右氢原子回流能量恰好可产生右氢原子回流能量恰好可产生1个个ATP第32页(四)呼吸链阻断（1）呼吸链抑制剂能阻断呼吸链中一些部位电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素A（piericidinA）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体中铁硫蛋白等铁硫蛋白等结合，从而阻断电子传递。二巯基丙醇第33页鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S 各种呼吸链抑制剂阻断位点各种呼吸链抑制剂阻断位点第34页（2）解偶联剂（uncoupler）：使氧化与磷酸化偶联过程脱离。二硝基苯酚（dinitrophenol，DNP）w主要是因为其携带泵出氢原子回到线粒体中，使其不能回流经过ATP合成酶产ATP。第35页NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外2,4-二硝基苯酚（DNP）解偶联作用支持情况下DNP是解离状态，不能透过线粒体内膜，在酸性条件下，结合质子成为脂溶性物质，过膜，并将质子带过，破坏了H+跨膜梯度。第36页解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）F F00F F11 Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 H H+H H+ADP+Pi ATP 50第37页 寡霉素寡霉素(oligomycin)可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATPATP合酶结构模式图合酶结构模式图(3)氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂第38页二经过呼吸链生产ATP(线粒体外）w细胞液中NADH,NADPH不能透过线粒体膜，需要“穿梭”机制。第39页 NADH+H+FADH2 NAD+FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱脱氢氢酶酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油磷酸甘油 （）胞液中（）胞液中NADH氧化磷酸化氧化磷酸化第40页NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮酮 戊二酸戊二酸转转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 （）苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统第41页（3）异柠檬酸穿梭w异柠檬酸和酮戊二酸经过异柠檬酸脱氢酶催化。w异柠檬酸脱氢酶在细胞液中辅酶为NADP+，线粒体内膜中辅酶为NAD+第42页三能量利用第43页（）（）ATP作用作用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化PPPP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)生物体内能量储存和利用都以ATP为中心。第44页 ATP是细胞内是细胞内“能量通货能量通货”ATP是细胞内磷酸基团转移中间载体是细胞内磷酸基团转移中间载体(使能量不变成热量而保留使能量不变成热量而保留）PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基团贮备物）（磷酸基团贮备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油第45页ATP以偶联反应方式推进非自发反应比如，细胞中合成脂肪酸时有以下反应：乙酰CoA+CO2丙二酸单酰CoAG=+18.84kj/moL，不能自发进行。乙酰CoA羧化酶（生物素为辅酶）催化以下反应：1E-生物素+CO2+ATP+H2OE-生物素-CO2+ADP+PiG=-17.58kj/moL2.E-生物素-CO2+乙酰CoAE-生物素+丙二酸单酰CoAG=-1.00kj/moL总反应为：乙酰CoA+CO2+ATP+H2O丙二酸单酰CoA+ADP+PiG=-18.59kj/moL第46页ATP提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需能量G+ATPG-6-P+ADP脂酸+CoA+ATP脂酰CoA+AMP+PPi氨基酸+ATP氨基酰AMP+PPi第47页（）（）ATP作为能量代谢物质原因作为能量代谢物质原因w含有高能磷酸键是其提供能量基础w高能磷酸键：生化中把磷酸化合物水解时释出能量20KJ/mol者所含磷酸键称高能磷酸键因为这种化学键水解后放出能量高于7000卡/克分子，比普通可水解化学键高很多，故称为高能键。高能键该键水解时候放出自由能化学键断裂一个化学键所需要提供能量第48页ATP高能磷酸键第49页 b b、ATPATP水解产物含有更大共振稳定性水解产物含有更大共振稳定性，其水解产物，其水解产物ADPADP3-3-和和PiPi一些电子能量水平远远小于一些电子能量水平远远小于ATPATP。c c、H+H+低浓度造成低浓度造成ATPATP4-4-向分解方向进行。向分解方向进行。d d、酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。、酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。ATPATP水解时释放大量自由能，原因主要有四方面：水解时释放大量自由能，原因主要有四方面：a a、ATPATP分子结构存在不稳定原因：分子结构存在不稳定原因：ATP ATP分子内有分子内有4 4个负电荷（个负电荷（ATPATP4-4-），产生静电斥力，促使），产生静电斥力，促使ATPATP水解成水解成ADPADP3-3-，而减弱斥力。，而减弱斥力。ATP ATP分子内存在相反共振现象分子内存在相反共振现象.因为在相邻两个磷原子之间夹因为在相邻两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=OP=O和和P-OP-O-间诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻磷原子之间诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻磷原子之间存在竞争氧原子上未共用电子现象，这种作用结果会影响间存在竞争氧原子上未共用电子现象，这种作用结果会影响ATPATP分子结构稳定性。分子结构稳定性。总来说：反应物不稳定性总来说：反应物不稳定性(高能状态高能状态)和产物稳定性和产物稳定性(低能状低能状态态)使使ATP水解后能释放大量能量。水解后能释放大量能量。第50页胍基磷酸化合物（氮磷键型）磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸v这两种高能化合物在生物体内起储存能量作用。这两种高能化合物在生物体内起储存能量作用。第51页v能荷是细胞所处能量状态一个指标，当细胞内能荷是细胞所处能量状态一个指标，当细胞内ATPATP全全部转变为部转变为AMPAMP时能荷值为时能荷值为0 0，当，当AMPAMP全部转变为全部转变为ATPATP时，能时，能荷值为荷值为1 1。高能荷抑制。高能荷抑制ATPATP生成，促进生成，促进ATPATP应用，即促进应用，即促进机体内合成代谢。机体内合成代谢。v大多数细胞能荷处于大多数细胞能荷处于0.8-0.950.8-0.95之间。深入说明细胞内之间。深入说明细胞内ATPATP产生和利用都处于一个相对稳定状态。产生和利用都处于一个相对稳定状态。ATP+1/2ADPATP+1/2ADPATP+ADP+AMPATP+ADP+AMP能荷能荷=(3)ATP能量度量能量度量第52页化学反应自由能改变和平衡常数关系化学反应自由能改变和平衡常数关系 假设有一个化学反应式：假设有一个化学反应式：aA+bB=cC+dD 恒温恒压下：恒温恒压下：G=G+RTlnQc 式中：式中：G=-RTlnKeq G 某一化学反应随参加化学反应物质浓度、发生化学反应某一化学反应随参加化学反应物质浓度、发生化学反应pH和温度和温度而改变自由能改变。而改变自由能改变。Qc-浓度商：浓度商：G 标准条件（标准条件（T=298OK,大气压为大气压为1atm,反应物和生成物浓度为反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能改变。）下，化学反应自由能改变。Keq-平衡常数：平衡常数：第53页第三节其它氧化方式其它氧化方式w在微粒体、过氧化物酶体及细胞在微粒体、过氧化物酶体及细胞w其它部位还存在其它氧化体系，参加其它部位还存在其它氧化体系，参加w呼吸链以外氧化过程。呼吸链以外氧化过程。特点：特点：1、不伴随磷酸化，不生成、不伴随磷酸化，不生成ATP 2、主要与体内代谢物、药品和毒物、主要与体内代谢物、药品和毒物生物转生物转化化相关相关第54页一、需氧脱氢酶和氧化酶一、需氧脱氢酶和氧化酶 第55页需氧脱氢酶和氧化酶w只能以一些辅酶或辅基作为受氢体而不能以只能以一些辅酶或辅基作为受氢体而不能以O2作为直作为直接收氢体脱氢酶称为接收氢体脱氢酶称为不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶。w能以能以O2作为直接收氢体酶称为作为直接收氢体酶称为需氧脱氢酶需氧脱氢酶或或氧化酶氧化酶。w氧化酶氧化酶能直接利用能直接利用O2为受氢体，为受氢体，产物为产物为H2O；而；而需氧需氧脱氢酶脱氢酶通常以通常以FAD或或FMN为辅基，但可催化底物脱氢为辅基，但可催化底物脱氢并以氧为受氢体，并以氧为受氢体，产物为产物为H2O2。第56页二、过氧化物酶体中酶类二、过氧化物酶体中酶类（一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4个血红素个血红素2H2O2 2H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 第57页（二）过氧化物酶（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物直接氧化酚类或胺类化合物 R+H2O2 RO+H2O RH2+H2O2 R+2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 第58页谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶过氧化物酶 H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G SH G S S G NADP+NADPH+H+*这类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤这类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽谷胱甘肽还原酶还原酶 含硒谷胱甘肽过氧化物酶含硒谷胱甘肽过氧化物酶 第59页反应氧族反应氧族超氧离子超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基、羟自由基(OH)统称。统称。三、超氧化物歧化酶三、超氧化物歧化酶 （superoxide dismutase,SOD）2O2+2H+SODH2O2+O2 H2O+O2 过氧化氢酶过氧化氢酶第60页w在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶。在真核细胞中存在两种超氧物歧化酶同工酶。一个见于一个见于胞液胞液中，以中，以Cu2+、Zn2+作为辅基，称作为辅基，称为为CuZn-SOD；另一个见于；另一个见于线粒体线粒体中，以中，以Mn2+作为辅基，称为作为辅基，称为Mn-SOD。第61页四、微粒体中酶类四、微粒体中酶类（一）加单氧酶（一）加单氧酶(mono xygenase)*催化反应：催化反应：RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 故又称混合功效氧化酶故又称混合功效氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要上述反应需要细胞色素细胞色素P450(Cyt P450)参加。参加。第62页第63页（二）加双氧酶（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中此酶催化氧分子中2个氧原子加到个氧原子加到底物中带双键底物中带双键2个碳原子上。个碳原子上。例例 如：如：(O2)色氨酸吡咯酶色氨酸吡咯酶第64页