生物化学第九章生物氧化.ppt

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1、第 九 章,生 物 氧 化Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,第一节 生物氧化的概念,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：生物氧化 体外燃烧1、细胞内温和条件 高温或高压、干燥条（常温、常压、中性pH、水溶液）2、一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放3、释放的能量转化

2、成ATP被利用 转换为光和热，散失,二、生物氧化的特点,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,*生物氧化的一般过程,第二节 CO2的生成,第三节 生物氧化中水的生成,一、呼吸链（电子传递链）的概念,1.概念：在生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递给分子氧并生成水，这种氢和电子的传递体系称为电子传递链。又称呼吸链。,2、呼吸链（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,线粒体呼吸链,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,二、呼吸链的组成成分和作用（一）NAD+和NADP+为

3、辅酶的脱氢酶【组成成分】酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）核糖、磷酸与AMP。【作用】辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。,NADH 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。,烟酰胺脱氢酶类 以NAD,NADP为辅酶,氧化还原反应发生时，变化发生在五价氮和三价氮之间,（二）、黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（Vit B2）、磷酸、AMP组成。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪的第1、10位N上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以F

4、AD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。,（三）、铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S）铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（Fe2 S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递 Fe2+Fe3+e,表示无机硫原子,铁硫聚簇有几种不同的类型，有的只含有一个铁原子FeS，有的只含有两个铁原子2Fe-2S，有的含有4个铁原子4Fe-4S,铁硫蛋白类,（四）辅酶Q（CoQ）,辅酶Q（CoQ）又

5、称泛醌，有时简称Q。是脂溶性辅酶。在线粒体内膜中是一种均一的流动库，可以结合到膜上，也可以游离状态存在。CoQ和FMN都是NADH-Q还原酶的辅酶。CoQ和FMN一样，都能够接受或给出一个或两个电子，因为它们都有稳定的半醌形式。,复合体:NADH-泛醌还原酶,功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),复合体的功能,复合体:琥珀酸-泛醌还原酶,功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌,（五）细 胞 色 素 类,细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,细胞色素c（cyt.c）,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

6、，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+的互变起电子传递中间体作用。,细胞色素c氧化酶,简写为cyt.c 氧化酶，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。,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 aa3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。,细胞色素c氧化酶,复合体:泛醌-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,复合体:细胞色素c氧化酶

7、,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,由以下实验确定 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断,（二）呼吸链成分的排列顺序,体内主要呼吸链1、NADH氧化呼吸链【组成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【组成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素【差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同.,电子在呼吸链中的传递方式,(I),(II),(III),(IV),电子传递链,第四节 生物氧化和能量代谢,一、高能磷酸键与高能磷酸化合物,高能磷酸键水

8、解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为 P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物,ATP的生成和利用,ATP,ADP,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),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,二、ATP的形成,（一）底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)是底物分子脱氢、脱水，引起分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,ATP的形成的两种方式：,1,3-二磷酸甘油酸(1,3-diphosp

9、hoglycerate),3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde 3-phosphate),3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate),（二）氧化磷酸化,*1、定义氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在氧化反应和磷酸化反应的偶联，呼吸链电子传递过程中释放能量使ADP磷酸化，生成ATP。,2、氧化磷酸化的作用机制,(1)ATP产生的数量 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。又可以看作是当一对电子通过呼吸链传

10、至O2所产生的ATP分子数。实验表明：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。,(2)ATP产生的部位,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。,五、氧化磷酸化的抑制,常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位（1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：其作用是阻断电子在NADHQ还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。（2）抗霉素A：它是由链酶素分离出的抗生素，有干扰细胞色素还原酶中电子从细胞

11、色素b 向cytC1的传递作用。（3）氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。,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,呼吸链的电子传递抑制剂图示,六、氧化磷酸化的作用机理一、线粒体的结构线粒体是生物氧化和能量转换的主要场所。,1、ATP酶复合体,线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。,ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1 和1 的比例结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。F0为一个疏水蛋白，是与线粒

12、体电子传递系统连接的部位。,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基的构象发生改变。,ATP合酶的工作机制,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,二 氧化磷酸化的作用机理,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。,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。,3.化学渗透学说（1961）认为电子传递释放出的自由能和ATP合成是与一种

13、跨线粒体的质子梯度相偶联的。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，使ADP与Pi合成ATP。,1.递H体与递e体交替排列2.递H体有H泵作用，将2H+泵出内膜，2e传给递电子体，整个过程共泵出3对H+3.线粒体膜对H+不通透，造成H+跨膜梯度4.H+通过ATP酶回流，生成ATP,质子的流向,电子的流向,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌,H+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c 内膜胞液侧H+,目 录,