理學(xué)生物氧化與氧化磷酸化PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1理學(xué)生物氧化與氧化磷酸化理學(xué)生物氧化與氧化磷酸化第一節(jié)第一節(jié) 生物氧化概述生物氧化概述（biological oxidation）第1頁/共79頁第2頁/共79頁 方式方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而而生成生成CO2。 類型類型：-脫羧和脫羧和-脫羧脫羧 氧化脫羧和單純脫羧氧化脫羧和單純脫羧第3頁/共79頁CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧

2、酶CH2-NH2R第4頁/共79頁 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。第5頁/共79頁CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶12 O2電子傳遞鏈電子傳遞鏈 H2OO2-2H+NAD+2e例：例：第6頁/共79頁第7頁/共79頁第8頁/共79頁第9頁/共79頁脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它單糖其它單糖三羧酸三羧酸循環(huán)循環(huán)電子傳遞（氧化）電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)

3、蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中間產(chǎn)物（如中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 中間物進入中間物進入三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)氧化釋放出氧化釋放出大量能量，大量能量，其中一部分其中一部分儲存在儲存在ATP中。中。大分子降解成大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位基本結(jié)構(gòu)單位CoAO2ATPADP+Pi2CO2Stage Stage Stage 丙酮酸丙酮酸第10頁/共79頁HH第11頁/共79頁第12頁/共79頁第13頁/共79頁COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物3-磷

4、酸甘油酸磷酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾第14頁/共79頁H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸R COOPOOO-A?；佘账狨；佘账酭CH COOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸氨?；佘账岬?5頁/共79頁O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷（三磷酸腺苷） 7.3千卡千卡/摩爾摩爾O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸第16頁/共79頁OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩爾摩爾第17頁/共79頁OPOONHCNHNCH3CH2COOHOP

5、OONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩爾摩爾7.7千卡千卡/摩爾摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。第18頁/共79頁O SOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNO POO-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酸硫磷酸硫酸酸RCOSCoA?；o酶?；o酶A第19頁/共79頁COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸第20頁/共79頁（二）（二） ATP的特殊的作用的特殊的作用1、是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)的化

6、學(xué)偶聯(lián)劑。的化學(xué)偶聯(lián)劑。2、在磷酸基轉(zhuǎn)移中的作用在磷酸基轉(zhuǎn)移中的作用 。例如：例如： 已糖激酶催化：已糖激酶催化：G+ATPG-6-P+ADP。 甘油激酶：甘油甘油激酶：甘油+ATP3-磷酸甘磷酸甘油油+ADP。第21頁/共79頁第二節(jié)第二節(jié) 電子傳遞體系電子傳遞體系呼吸鏈呼吸鏈第22頁/共79頁電子傳遞鏈概念電子傳遞鏈概念：在生物氧化過程：在生物氧化過程中，代謝物上脫下的氫經(jīng)過一系列中，代謝物上脫下的氫經(jīng)過一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和和的按一定順序排列的氫傳遞體和和電子傳遞體的傳遞，最后傳遞給分電子傳遞體的傳遞，最后傳遞給分子氧并生成水，這種電子傳遞體系子氧并生成水，這種電子傳遞體系稱

7、為稱為電子傳遞鏈電子傳遞鏈（ETS） 。由于。由于消耗氧，故也叫消耗氧，故也叫呼吸鏈呼吸鏈。第23頁/共79頁電子傳遞鏈在原核生物存在于質(zhì)膜電子傳遞鏈在原核生物存在于質(zhì)膜上，在真核細(xì)胞存在于上，在真核細(xì)胞存在于線粒體線粒體內(nèi)膜內(nèi)膜上。上。第24頁/共79頁第25頁/共79頁1.1.煙酰胺脫氫酶類（煙酰胺脫氫酶類（NADNAD+ +）2.2.黃素蛋白酶類黃素蛋白酶類3. 3. 鐵鐵- -硫蛋白類硫蛋白類4 4. . 輔酶（輔酶（CoQ）5 5. . 細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類NADH輔輔 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黃素蛋白（黃素蛋白（F

8、 AD）黃素蛋白（黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（鐵硫蛋白（Fe-S）第26頁/共79頁 特點特點：以以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +為輔酶，存在于線為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機理傳遞氫機理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +第27頁/共79頁 特點特點： 以以FAD或或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白。膜組成蛋白。FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2遞氫機理：遞氫機理：

9、第28頁/共79頁類別類別：黃素脫氫酶類（如黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶）氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）第29頁/共79頁 +e 傳遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+ Fe2+ -e 特點特點：含有含有Fe和對酸不穩(wěn)定的和對酸不穩(wěn)定的S原子，原子，F(xiàn)e和和S常以等摩爾量存在（常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)，構(gòu)成成Fe-S中心，中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的與蛋白質(zhì)分子中的4個個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第30頁/共79頁第3

10、1頁/共79頁 特點特點：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動泳動。 +2H 傳遞氫機理傳遞氫機理：CoQ CoQH2 2H第32頁/共79頁第33頁/共79頁特點：特點：以血紅素（以血紅素（heme）為輔基，血紅素的）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。主要成份為鐵卟啉。 第34頁/共79頁類別類別: 根據(jù)吸收光譜分成根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三三類，呼吸鏈中含類，呼吸鏈中含5種（種（b、c、c1、a和和a3)，cyt b和和cytc1、cytc在呼吸在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，鏈中的中為電子傳遞體

11、，a和和a3以以復(fù)合物物存在，稱復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化細(xì)胞色素氧化酶酶，其分子中除含，其分子中除含F(xiàn)e外還含有外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為其為末端氧化酶末端氧化酶。第35頁/共79頁細(xì)胞色素傳遞電子機理細(xì)胞色素傳遞電子機理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 第36頁/共79頁第37頁/共79頁二、呼吸鏈的電子傳遞順序二、呼吸鏈的電子傳遞順序 呼吸鏈的各組分在線粒體內(nèi)膜上是按一定順序呼吸鏈的各組分在線粒體內(nèi)膜上是按一定順序排列的，在線粒體內(nèi)膜上主要有排列的，在線粒體內(nèi)膜上主要有兩條呼吸鏈：兩條呼吸鏈： NADH呼吸鏈和

12、呼吸鏈和FADH2呼吸鏈呼吸鏈 FADH2 FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O2NADH呼吸鏈呼吸鏈FADH2呼吸鏈呼吸鏈第38頁/共79頁MH2還原型代還原型代 謝底物謝底物M氧化型代氧化型代 謝底物謝底物NAD+NADH+H+CoQH2CoQ Fe SH2O12O2O2-2H+FMNFMNH22Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3第39頁/共79頁2、FADH2呼吸鏈呼吸鏈琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸FADFADH2 Fe SCoQH2CoQ2Fe2+2Fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素b- c1 - c-aa312O2O2-

13、2H+H2O第40頁/共79頁NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合物復(fù)合物 I復(fù)合物復(fù)合物 IIINADH脫氫酶脫氫酶輔酶輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶還原酶琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶Q還原酶還原酶第41頁/共79頁NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合物復(fù)合物 I復(fù)合物復(fù)合物 III魚藤酮魚藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO

14、第42頁/共79頁ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化過程中生物氧化過程中釋放出的自由能釋放出的自由能第三節(jié)第三節(jié) 氧化磷酸化氧化磷酸化在生物氧化中，代謝物脫氫產(chǎn)生的在生物氧化中，代謝物脫氫產(chǎn)生的NADH+H+化經(jīng)呼吸鏈氧化經(jīng)呼吸鏈氧化生成水時，所釋放的自由能用于化生成水時，所釋放的自由能用于ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的作用稱為這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化作用。氧化磷酸化作用。 進行部位：進行部位：線粒體內(nèi)膜（原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜進行）線粒體內(nèi)膜（原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜進行）第43頁/共79頁底物水平底物水平磷酸化和磷酸化和

15、第44頁/共79頁底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：底物氧化形成高能磷酸底物氧化形成高能磷酸基因直接轉(zhuǎn)移給基因直接轉(zhuǎn)移給ADP偶聯(lián)生成偶聯(lián)生成ATP的過程的過程。第45頁/共79頁一、一、 氧化磷酸化的偶聯(lián)部位與磷氧比（氧化磷酸化的偶聯(lián)部位與磷氧比（P/O）第46頁/共79頁第47頁/共79頁NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸復(fù)合物復(fù)合物 II復(fù)合物復(fù)合物 IV復(fù)合物復(fù)合物 I復(fù)合物復(fù)合物 IIIADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP因此，因此，NADH經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)生經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)生3ATP；FADH

16、2產(chǎn)生產(chǎn)生2ATP。第48頁/共79頁呼吸過程中無機磷酸（呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和）消耗量和分子氧（分子氧（O2）消耗量的比值稱為）消耗量的比值稱為磷氧比磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子消耗一分子Pi ，因此，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一的數(shù)值相當(dāng)于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。分子數(shù)。第49頁/共79頁例例 實測得實測得NADHNADH呼吸鏈：呼吸鏈： P/O 3H H2 2O OADP+Pi ATPADP

17、+Pi ATPO O2 2122e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPNADHNADH第50頁/共79頁實測得實測得FADHFADH2 2呼吸鏈：呼吸鏈： P/O 2FADHFADH2 2O O2 212H H2 2O O2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP第51頁/共79頁二、氧化磷酸化的機理二、氧化磷酸化的機理 氧化磷酸化的全過程至今也沒有完全搞清楚氧化磷酸化的全過程至今也沒有完全搞清楚。 偶聯(lián)機理目前有三種假說偶聯(lián)機理目前有三種假說:(1)化學(xué)偶聯(lián)假說化學(xué)偶聯(lián)假說:認(rèn)為電子傳遞和認(rèn)為電子傳遞和

18、ATP生成的生成的偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng),而形成一而形成一個高能共價中間物個高能共價中間物,這個中間物在電子傳遞中這個中間物在電子傳遞中形成形成,隨后又裂解將其能量供給隨后又裂解將其能量供給ATP的形成。的形成。 沒發(fā)現(xiàn)這種中間物！沒發(fā)現(xiàn)這種中間物！第52頁/共79頁n(2) 構(gòu)象偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說: 認(rèn)為電子沿呼認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜上某種蛋吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜上某種蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，當(dāng)此白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，當(dāng)此構(gòu)象再復(fù)原時構(gòu)象再復(fù)原時,釋放能量促使釋放能量促使ATP的生成。的生成。 也沒有試驗也沒有試驗證據(jù)！證據(jù)！第53頁/共7

19、9頁n(3)化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說:目前普遍接受，目前普遍接受，稱為學(xué)說。稱為學(xué)說。第54頁/共79頁 1、呼吸鏈中電子傳遞體有序地定位于完整的線粒、呼吸鏈中電子傳遞體有序地定位于完整的線粒體內(nèi)膜上，使氧化還原反應(yīng)定向進行。體內(nèi)膜上，使氧化還原反應(yīng)定向進行。 第55頁/共79頁n2、氫和電子在呼吸鏈中交替?zhèn)鳌浜碗娮釉诤粑溨薪惶鎮(zhèn)鬟f，使質(zhì)子（遞，使質(zhì)子（H+)定向從線粒體定向從線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。第56頁/共79頁第57頁/共79頁4、內(nèi)膜上嵌有、內(nèi)膜上嵌有FoF1-ATP酶酶,它有特它有特殊的質(zhì)子通道，當(dāng)膜外側(cè)的殊的質(zhì)子通道，當(dāng)膜外側(cè)的H+經(jīng)經(jīng)此道流回基質(zhì)時

20、此道流回基質(zhì)時FoF1-ATP酶則酶則利用電化學(xué)勢能釋放的自由能驅(qū)利用電化學(xué)勢能釋放的自由能驅(qū)動動ADP和和Pi合成合成ATP。第58頁/共79頁ADPADPPiPi成成ATPATP的部位。的部位。第59頁/共79頁2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃高質(zhì)子濃度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜磷酸磷酸化化 氧氧化化 第60頁/共79頁四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑制劑（一）（一）解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑和和解偶聯(lián)作用解偶聯(lián)作用 某些化合物能

21、使電子傳遞某些化合物能使電子傳遞過程和過程和ATP形成過程相分離，形成過程相分離，電子傳遞仍可進行，但不能形電子傳遞仍可進行，但不能形成成ATP。這類化合物稱為。這類化合物稱為解偶解偶聯(lián)劑聯(lián)劑。這種作用稱為。這種作用稱為解偶聯(lián)作解偶聯(lián)作用用。第61頁/共79頁分為三類：分為三類：1、化學(xué)解偶聯(lián)劑：、化學(xué)解偶聯(lián)劑：如如2，4-二硝基二硝基苯酚苯酚2、離子載體：、離子載體：一類能與一類能與K+、Na+等等陽離子結(jié)合的抗菌素。如纈氨霉陽離子結(jié)合的抗菌素。如纈氨霉素。素。3、解偶聯(lián)蛋白。、解偶聯(lián)蛋白。第62頁/共79頁第63頁/共79頁穿梭作用：穿梭作用： 不能跨膜運輸?shù)奈镔|(zhì)通過轉(zhuǎn)化為可不能跨膜運輸?shù)?/p>

22、物質(zhì)通過轉(zhuǎn)化為可跨膜物質(zhì)進行跨膜運輸?shù)淖饔??？缒の镔|(zhì)進行跨膜運輸?shù)淖饔谩?如如NADH就不能穿過線粒體內(nèi)膜。就不能穿過線粒體內(nèi)膜。第64頁/共79頁 磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng)天冬氨酸穿梭系統(tǒng)第65頁/共79頁線粒體基質(zhì)（襯質(zhì)）線粒體基質(zhì)（襯質(zhì)）磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮FADH2 CoQ b c1 c aa3 O2線線粒粒體體內(nèi)內(nèi)膜膜細(xì)胞液細(xì)胞液膜內(nèi)空間膜內(nèi)空間外膜外膜線粒體線粒體磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮NADH +H +3-磷酸甘油磷酸甘油NAD+胞液胞液3-磷酸甘油脫氫酶磷酸甘油脫氫酶3-磷酸甘油磷酸甘油FAD內(nèi)膜內(nèi)膜3-磷酸甘油脫氫酶磷酸甘油脫氫酶第6

23、6頁/共79頁nP/O比為比為2，生成，生成2ATP。第67頁/共79頁細(xì)胞液細(xì)胞液線粒體內(nèi)膜體線粒體內(nèi)膜體蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸NADH+H+線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)蘋果酸蘋果酸NAD+蘋果酸蘋果酸脫氫酶脫氫酶 -酮戊二酮戊二酸酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NADH+H+蘋果酸蘋果酸脫氫酶脫氫酶谷氨酸谷氨酸谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷草轉(zhuǎn)氨酶谷草轉(zhuǎn)氨酶（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運載體）為膜上的轉(zhuǎn)運載體）呼吸呼吸鏈鏈第68頁/共79頁襯質(zhì)中的襯質(zhì)中的NADH第69頁/共79頁定義式：定義式：能荷能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP能荷能荷相相對對速速率率ATP的利用途徑的利用途徑 ATP的生成途徑的生成途徑能荷對能荷對ATP的生成途徑和的生成途徑和ATP的利用途徑相對速率的的利用途徑相對速率的 影響影響第70頁/共79頁 意義：意義： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相的相對數(shù)量決定，數(shù)值在對數(shù)量決定，數(shù)值在01之間，反映細(xì)胞之間，反映細(xì)胞能量水平。能量水平。 能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP 、 ADP和和AMP作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)作為代謝中某些酶分子的別構(gòu)效應(yīng)物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。物進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。第