第六章生物氧化课件.ppt

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1、一、生物氧化概念 有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能.,呼吸作用,O2,CO2+H2O,细胞呼吸（微生物）,ATP,二、生物氧化的特点生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的 发生。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。4.生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于

2、在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。,1概念及位置呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。,三.呼吸链respiratory chain(电子传递链 electron transport chain),NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,2、组成,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NA

3、DH,各组分在链上的位置次序与其得失电子趋势的强度有关。电子总是从低氧化还原电位向高的电位上流动的，氧化还原电位Eo的数值愈低，即供电子的倾向愈大，愈易成为还原剂，而处在呼吸链的前面（标准氧化还原电位Eo在pH7.0时用Eo表示）。因此按呼吸链中各组分的Eo而决定其顺序与方向。,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE=-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1,NADH：还原型它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一

4、种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。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。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用,铁硫蛋白,简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶 NADH+Q+H+=NAD+Q

5、H2,NADH泛醌还原酶,NADH泛醌还原酶,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。,泛醌,泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌，再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。,简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cyt.c 还原酶QH2+2 cyt.c(Fe3+)=Q+2 cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以

6、及铁硫蛋白（2Fe-2S）。,泛醌细胞色素c还原酶,（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。,细胞色素,它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过 Fe3+Fe2+的互变起

7、电子传递中间体作用。,细胞色素c（cyt.c）,简写为cytC氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。,细胞色素氧化酶,cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt.a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt,c还原酶、cyt.c和cyt氧化酶将电子传递到O2。琥珀

8、酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。,琥珀酸-Q还原酶,(3)作用 呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。,在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷

9、酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。,3.氧化磷酸化oxidatire phosphorylation,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。,研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P/O比值和电化学实

10、验。P/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。实验指明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。,(1)ATP产生的数量,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,(2)ATP产生的部位,氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说、结构耦联学说与化学渗透学说。化学渗透学

11、说的主要论点 呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，以此储存能量当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,(3)ATP产生的机理,电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路，每个回路均有质子泵的作用。首先由NADH提供1个H+和2个e，加上线粒体基质内1个H+使FMN还原成FMNH2，FMNH2向内膜胞液侧释出2个H+，将2个e还原铁硫簇（Fe-S）。第二个回路开始时Fe-S放出2个e重新被氧化，将2个e加上基质内的2个H+传递给泛醌，使泛醌还原成 QH2。QH2移至内膜

12、胞液侧释出2个H+，而将2个e交给Cyt b。Cyt b是跨膜蛋白，1条多肽链上结合 2个辅基，b566和b562。还原型 Cyt b将 2个e交还给泛醌，加上基质内的2个H+又使泛醌还原成QH2。QH2将2个H+从胞液侧释出，2个e依次通过 Fe-S、C1、C、a、a3传递给氧，并与基质内的2个H+生成H2O。,线粒体ATP酶,该酶主要由F0（疏水部分）和F1（亲水部分）组成。F1主要由33亚基组成，其功能是催化生成ATP，催化部位在亚基中，但亚基必须与亚基结合才有活性。F0是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。当H+顺浓度递度经F0回流时，F1催化ADP和Pi，生成并释放ATP。此外，在F0和F

13、1之间的柄部还有其他亚基存在，其中一个称之为寡霉素敏感蛋白（oligomycin-sensitivity-conferring protein，OSCP），使 ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。,抑制剂 电子传递链 抑制ATP合成,(4)氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,使电子不能传给氧。因此此类抑制剂可使细胞内呼吸停止，与此相关的细胞生命活动停止，引起机体迅速死亡。,解偶联剂（uncou

14、plers）2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP）,其基本作用机制是使呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经 ATP合酶的 F0质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到抑制，由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。,离子载体抑制剂,一类脂溶性物质，位于脂双层中，能结合质子之外的其他一价阳离子（K/Na）等，从而破坏膜两侧的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。,氧化磷酸化抑制剂,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如，寡霉素（oligomycin）可与ATP合酶F1和F0之间柄部的寡霉素敏感蛋白结合，阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。此时由于线粒体内膜两侧电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递和分子氧的消耗。,其它末端氧化酶,能 荷,能荷：总的腺苷酸系统中（即ATP、ADP、AMP浓度之和）所负荷的高能磷酸基数量。,意义：能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,