生物氧化-省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

杨荣武杨荣武生物化生物化学原理学原理第二版第二版第二十章第二十章 生物氧化生物氧化备注：本章有丰富动画资源用于教学，可与主编联络。备注：本章有丰富动画资源用于教学，可与主编联络。第1页提要提要一、生物氧化与非生物氧化二、呼吸链1.呼吸链定义2.呼吸链类型及其在细胞中定位和功效3.呼吸链组分4.呼吸链组分排列次序5.复合体I、II、III和IV结构与功效6.植物细胞替换复合体三、氧化磷酸化1.氧化磷酸化偶联机制2.F1F0-ATP合酶结构与功效3.氧化磷酸化解偶联与抑制4.P/O值与氧化磷酸调整第2页生物氧化与非生物氧化反应比较生物氧化与非生物氧化反应比较生物体内发生氧化反应通称为生物氧化。二者共同之处是（1）反应本质都是脱氢、失电子或加氧；（2）被氧化物质相同，终产物和释放能量也相同。二者主要差异是（1）生物氧化主要方式为脱氢；（2）生物氧化在酶催化下进行，所以条件比较温和；（3）生物氧化是在一系列酶、辅酶和电子传递体作用下逐步进行，每一步释放一部分能量。第3页呼吸链呼吸链定义：生物氧化过程中从代谢物脱下来氢和电子需要经过一系列中间传递体，最终才与氧气形成水，在其间能量逐步释放。这种由一系列传递体组成链状复合体称为电子传递体系（ETS）或简称为呼吸链。呼吸链类型及其在细胞中定位和功效：按照生物氧化过程中最初氢和电子受体性质，呼吸链可分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。它们位于原核细胞细胞膜和真核细胞线粒体内膜。呼吸链组分 第4页呼吸链组分呼吸链组分NAD+及与NAD+偶联脱氢酶：NAD+是一个流动电子传递体。黄素及与黄素偶联脱氢酶 辅酶Q：属于一个流动电子传递体。铁硫蛋白 细胞色素：细胞色素c是一个流动电子传递体氧气第5页辅酶辅酶I和和II 化学结构化学结构第6页 黄素化学结构及其电子传递功效黄素化学结构及其电子传递功效 第7页辅酶辅酶Q化学结构及其电子传递功效化学结构及其电子传递功效 第8页三类铁硫蛋白结构和传递电子功效三类铁硫蛋白结构和传递电子功效第9页细胞色素光吸收细胞色素光吸收第10页血红素血红素a、b和和c化学结构化学结构第11页怎样确定呼吸链各组分排列次序怎样确定呼吸链各组分排列次序测定各成份标准氧化还原电位（E0）依据在有氧环境下氧化反应到达平衡时各电子传递体还原程度来确定 使用特异性呼吸链抑制剂和人工电子受体 呼吸链拆分和重组 第12页电子传递体标准氧化还原电位电子传递体标准氧化还原电位第13页电子传递体在呼吸链中位置与其电子传递体在呼吸链中位置与其E0之间关系之间关系第14页几个呼吸链抑制剂作用位点几个呼吸链抑制剂作用位点第15页几个呼吸链抑制剂化学结构几个呼吸链抑制剂化学结构第16页呼吸链拆分呼吸链拆分 第17页复合体复合体I、II、III和和IV结构和性质结构和性质第18页 即即NADH-CoQ氧化还原酶氧化还原酶接收来自NADH e-，NADH 只能参加双电子转移反应辅助因子：1 FMN，6-7 Fe-S蛋白2e-转移造成4质子泵入到膜间隙复合体复合体I第19页电子在复合体电子在复合体I I上传递上传递第20页复合物复合物II琥珀酸琥珀酸-CoQ氧化还原酶氧化还原酶主要成份为琥珀酸脱氢酶FAD和Fe-S 蛋白作为电子传递体，还有细胞色素b电子来自琥珀酸，最终传给CoQ电子传递不产生跨膜质子梯度第21页 即即CoQ-细胞色素细胞色素c 氧化还原酶或细胞氧化还原酶或细胞色素色素bc1复合物复合物主要成份包含：Fe-S 蛋白、细胞色素b和c1电子来自CoQH2，最终传给细胞色素c一对电子可产生4个质子梯度复合体复合体III第22页复合体复合体 IV即细胞色素即细胞色素c氧化酶氧化酶有4个氧还中心主要成份为细胞色素a和a3电子来自还原性细胞色素c，电子最终受体为氧气一对电子可产生2个质子梯度第23页电子在复合体电子在复合体IV上传递上传递第24页电子在各复合体和复合体之间传递电子在各复合体和复合体之间传递第25页氧化磷酸化氧化磷酸化呼吸链主要功效是产生能量货币ATP。当电子沿着呼吸链向下游传递时候总伴伴随自由能释放，释放自由能有很大一部分用来驱动ATP合成，这种与电子传递偶联在一起合成ATP方式被称为氧化磷酸化（OxP）。第26页氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制化学偶联假说构象偶联假说化学渗透学说：该学说由Peter Mitchell于1961年提出，其关键内容是电子在沿着呼吸链向下游传递时候，释放自由能转化为跨线粒体内膜（或跨细菌质膜）质子梯度，质子梯度中蕴藏电化学势能直接用来驱动ATP合成。驱动ATP合成质子梯度通常被称为质子驱动力（pmf），它由化学势能（质子浓度差）和电势能（内负外正）两部分组成。第27页质子驱动力质子驱动力第28页化学渗透学说图解化学渗透学说图解第29页更多问题，需要更多答案更多问题，需要更多答案支持化学渗透学说证据跨膜质子梯度怎样产生？1.Q 循环2.构象改变（复合体I“分子蒸汽机”模型）F1/F0 ATP合酶怎样催化ATP合成？Paul Boyer结合改变学说使其取得1997年诺贝尔化学奖。第30页支持化学渗透学说主要证据支持化学渗透学说主要证据1.氧化磷酸化进行需要完整线粒体内膜存在。2.使用准确pH计能够检测到跨线粒体内膜质子梯度存在。据测定，一个呼吸活跃线粒体膜间隙pH要比其基质pH低0.75个单位。3.破坏质子驱动力化学试剂能够抑制ATP合成。4.从线粒体内膜纯化得到一个酶能够直接利用质子梯度合成ATP，此酶称为F1F0-ATP合酶。5.人工建立跨线粒体内膜质子梯度也可驱动ATP合成 第31页电子传递过程中电子传递过程中pH改变测定改变测定第32页经过改变离体线粒体悬液经过改变离体线粒体悬液pH而而建立建立pH梯度能够驱动梯度能够驱动ATP合成合成由菌紫质创造质子梯度可被牛由菌紫质创造质子梯度可被牛F1F0-ATP合酶用于合成合酶用于合成ATP第33页Q循环循环 第34页F1/F0 ATP合酶合酶质子经过这种蛋白质扩散质子经过这种蛋白质扩散驱动驱动ATP合成和释放合成和释放!两个部分两个部分:F1和和F0（后者因为受寡霉素抑制（后者因为受寡霉素抑制而得名）而得名）1.F1 催化单元催化单元由由5 5种亚基组成（种亚基组成（a a a a3 3 3 3b b b b3 3 3 3gdegdegdegde）2.Fo 膜整合单元膜整合单元质子通道（质子通道（abab2 2c c1010）第35页复合体复合体I结构：细胞中蒸汽机？结构：细胞中蒸汽机？形如L字母复合体I在传递电子过程中，在两个主要结构域界面上发生了显著构象改变。这种构象改变会驱动一段长螺旋发生一个活塞式运动，使附近三段不连续跨膜螺旋倾斜，而改变由它们组成各个质子通道内可解离基团性质，从而造成3个质子转位第4个质子可能是在两个结构域之间发生移位。于是复合体I像一个蒸汽机一样，电子传递释放出能量用来驱动活塞移动，而活塞再驱动一组不连续螺旋（而不是车轮）移动。第36页复合体复合体I产生质子梯度产生质子梯度“蒸汽机蒸汽机”模型模型第37页F1/F0 ATP合酶结构模型合酶结构模型第38页结合改变学说结合改变学说1977年Paul D.Boyer提出结合改变学说能正确地解释F1F0-ATP合酶作用机理。其主要内容是：活性中心ATP合成并不需要质子驱动力，与活性中心结合ATP或ADP处于平衡。假如没有质子流过F0，与活性中心结合ATP就不会与酶解离。3个亚基与亚基不一样表面结合，于是不一样亚基采取不一样构象。在某一时刻，3个亚基分别处于T态、L态和O态。处于T态亚基紧密结合1ATP，ATP与ADPPi处于平衡，但ATP并不能与它解离；处于L态亚基结合有ADP和Pi，但不能释放核苷酸；处于O态亚基能够释放结合核苷酸。三种状态亚基能够相互转变，转变由亚基转动所驱动。亚基转动动力来自质子经过F0流动。结合改变学说可简化为：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。第39页“结合改变结合改变”学说图解学说图解第40页F1F0-ATP合酶催化反应历程合酶催化反应历程第41页质子经过质子经过F F0 0通道回到基质模型通道回到基质模型第42页支持结合改变学说证据支持结合改变学说证据C18O同位素交换试验C John Walker取得F1晶体结构清楚地表明，3个亚基处于不一样构象并和不一样核苷酸配体结合C日本科学家采取尤其伎俩直接观察到F1旋转催化第43页同位素（同位素（18O）交换试验）交换试验第44页日本科学家日本科学家亚基旋转试验亚基旋转试验 第45页氧化磷酸化解偶联氧化磷酸化解偶联$氧化磷酸化与呼吸链通常是紧密偶联，不过，低水平质子泄漏时刻发生在线粒体内膜上，所以，确切地说，线粒体通常是部分解偶联。解偶联普通是受解偶联剂作用所致。$解偶联剂作用机制在于它们能够快速地消耗跨膜质子梯度，使得质子难以经过F1F0-ATP合酶上质子通道来合成ATP，从而将贮存在质子梯度之中电化学势能转变成热。另外，伴随质子梯度消失，电子在呼吸链上“回流”压力将会减轻，进而造成细胞内脂肪等物质生物氧化愈加旺盛。$有两类解偶联剂，一类为有机小分子化合物，通常为脂溶性质子载体，带有酸性基团；另一类为天然解偶联蛋白（UCP）。第46页三种解偶联剂化学结构三种解偶联剂化学结构 第47页DNP解偶联化学机制解偶联化学机制 第48页解偶联蛋白解偶联蛋白最少已发觉五种类型UCP:UCP1UCP5。UCP1 又名产热素，它主要存在于动物褐色脂肪组织，与机体非颤动性产热相关。机体对严寒做出反应是交感神经末梢释放去甲肾上腺素，去甲肾上腺素激活褐色脂肪组织中脂肪酶，脂肪酶水解脂肪，释放出FFA。FFA不但作为代谢燃料经氧化产生ATP和质子梯度，还能与CoQH2和嘌呤核苷酸一起直接激活产热素。一旦产热素被激活，则使F1F0-ATP合酶发生“短路”生热。UCP2存在于多数细胞，UCP3 主要存在于骨骼肌，UCP4 和UCP5存在于脑。它们都是受到高度调控蛋白质，一旦激活，都能增加热量产出。因为它们影响到代谢效率，其含量差异（尤其是骨骼肌中UCP3）可能是一些个体或人群肥胖原因。第49页产热素作用图解产热素作用图解第50页ATP-ADP 转位酶转位酶ATP必须运输出线粒体必须运输出线粒体 ATP 离开,ADP进入线粒体-经过一个“转位酶 ATP离开是有利，因为细胞液比基质要+然而ATP出去和ADP进入有1个负电荷净转移相当于有1个质子进入基质。所以每1个ATP输出消耗1个H+1个ATP合成大约需要消耗3 H+于是，合成及加上输出 1 ATP=4H+第51页氧化磷酸化抑制氧化磷酸化抑制1.经过抑制呼吸链上电子传递，阻止质子梯度生成而间接抑制氧化磷酸化，比如抗霉素A、鱼藤酮和氰化物等；2.直接作用F1F0-ATP合酶而造成ATP不能合成，如寡霉素和DCCD；3.解偶联剂；4.经过抑制线粒体内外ATP/ADP交换而间接抑制氧化磷酸化，如苍术苷和米酵菌酸。第52页氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂第53页P/O值与氧化磷酸化调整值与氧化磷酸化调整氧化磷酸化效率能够经过测定P/O值来确定。P/O值是指电子传递过程中，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸摩尔数。消耗氧原子数目相当于传递给氧气电子数1/2，消耗无机磷酸等于氧化磷酸化产生ATP。细胞内氧化磷酸化是受到严格调控，调控伎俩主要是它与电子传递之间反馈。确切说是受ADP浓度控制，这种由ADP对氧化磷酸化调整被称为呼吸控制呼吸控制。第54页ADP和底物浓度对呼吸影响和底物浓度对呼吸影响第55页发臭植物体内另类呼吸链发臭植物体内另类呼吸链一个另类NADH脱氢酶对复合体I抑制剂鱼藤酮不敏感，它将电子直接传给UQ，避开复合体I。一个抗氰化物UQH2氧化酶将电子从直接传给 O2，绕开复合体III和IV。被应该用来合成ATP能量转变成热。第56页雪地里东方臭白菜雪地里东方臭白菜第57页