第十章生物氧化ppt課件

1、物質(zhì)與能量代謝、合成與分解代謝的關(guān)系 一、生物氧化的定義和特點(diǎn) 糖、脂、蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)物在機(jī)體內(nèi) 經(jīng)過一系列的氧化分解，最終生成CO2和H2O等 小分子物質(zhì)并釋放出化學(xué)能的總過程稱為生物氧 化。它實(shí)際上是需氧生物呼吸作用中的一系列氧 化-還原過程。 由于生物氧化是在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，氧化作 用和吸入O2、呼出CO2的呼吸作用密切相關(guān)，所 以又將生物氧化稱為組織呼吸或細(xì)胞呼吸。 生物氧化的特點(diǎn)： 1. 生物氧化是在體溫條件下，通過酶的催化作用 逐步氧化，脫下的H和電子通過呼吸鏈傳遞； 2 . 氧化過程中產(chǎn)生的能量通常儲(chǔ)存在特殊的高能 化合物主要是ATP中, 氧化過程還產(chǎn)生 NADPH等還原性物

2、質(zhì)，用于滿足合成反應(yīng)的 需求; 3. 氧化作用和合成作用是同時(shí)進(jìn)行的。aA + bB cC + dDKeq = CcDd AaBb 二、生物氧化的物理化學(xué)基礎(chǔ)G = G + RT lnCD/AB 生物體內(nèi)的物質(zhì)有很多屬于氧化還原物質(zhì)，物質(zhì)被分解代謝的過程就是不斷地被脫氫、加氧的過程。失去電子的物質(zhì)叫還原劑，得到電子的物質(zhì)叫氧化劑。 氧化還原所釋放的能量可以利用公式 -GnEF來計(jì)算。 機(jī)體中的許多反應(yīng)是靠電勢能來推動(dòng)的，如細(xì)胞或細(xì)胞器膜不允許游離的電子自由通過，就形成了膜內(nèi)外的電子梯度，從而產(chǎn)生了電勢。這種跨膜電勢可提供能量，使膜上的反應(yīng)得以進(jìn)行。 三 ATP的作 用及其他的高能化合物ATP

3、的 結(jié) 構(gòu) 特 性 高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸的水解放能高能化合物1,3二磷酸甘油酸的水解放能磷 酸 肌 酸 的 水 解 放 能高能化合物乙酰輔酶A的水解 水解時(shí)釋放5000卡20.92千焦以上自由能的化合物稱為高能化合物。 高能化合物的類型： 1. 磷氧鍵型(-OP)：如ATP 2. 氮磷鍵型(-NP)：如磷酸肌酸 3. 硫酯鍵型(-SC或-SO)：如乙酰輔酶A 4. 甲硫鍵型(-SCH3)：如SAM ATP的G在所有的含磷酸基團(tuán)化合物中處于中間位置，這使ATP能在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移中作為中間載體而起作用。但ATP只是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者，而不是能量的貯存者。有能量貯存作用的是兩種氮磷鍵型（-N-

4、P化合物-磷酸肌酸和磷酸精氨酸。ATP 斷裂形成AMP和焦磷酸的作用螢 火 蟲 的 發(fā) 光 物 質(zhì) 的 形 成生物氧化的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ) 一、呼吸鏈的概念和電子傳遞順序 氫或電子從NADH等傳遞到O2所經(jīng)歷的途徑就稱為呼吸鏈，又稱為電子傳遞系統(tǒng)。 糖、脂、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)在各自的分解途徑形成的還原性輔酶(NADH和FEDH2)上氫原子以質(zhì)子形式脫下， 其電子由一系列的載體最終轉(zhuǎn)運(yùn)給O2，形成H2O。在電子傳遞過程中就有能量釋放出來使ADP磷酸化成ATP。 目前呼吸鏈中各組分的排序來自多種方法： 1 .各組分的氧化-還原電勢：電勢越低，越朝前排列； 氧化-還原電勢(V) ： -0.32 -0.06 0

5、.00 +0.26 +0.28 +0.8 NAD+ FP1 COQ b c aa3 O2 2 .分離重排：用分離出的電子傳遞體進(jìn)行重組實(shí)驗(yàn)； 3 . 用分光光度法直接測定吸收光譜的變化來測定各 物質(zhì)的氧化-還原狀態(tài)：游離的完整的線粒體在有氧 狀態(tài)下傳遞電子時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的吸收光譜的變 化。氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)的氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)的NAD有不同的吸收光譜有不同的吸收光譜 現(xiàn)在普遍接受的呼吸鏈?zhǔn)?： 代謝物分子中的氫先經(jīng)脫氫酶激活而脫出，形成還原型輔酶，包括NADH和FADH2，還原型輔酶上的氫以質(zhì)子形式脫下，電子按一系列電子傳遞體轉(zhuǎn)移，最后傳給O2，形成離子型O2-。質(zhì)子H+和離子型氧O2-氧合

6、生成H2O。 the flow of electrons and protons through the four complexes of the respiratory chain 二. 與呼吸鏈有關(guān)的酶和電子載體及其作用機(jī)制 吡啶核苷酸類脫氫酶 這是一類以NAD+或NADP+ 為輔酶的脫 氫酶, NAD +或NADP+ 是電子受體.。催化的 反應(yīng)是： 還原形底物AH2）+ NAD+ 氧化形底物A）+ NADH+ H+ 還原形底物AH2）+ NADP+ 氧化形底物A）+ NADPH + H+ NAD+ 2H NADH + H+ NADH脫氫酶 這是一類以FMN或FAD為輔基的脫氫酶， 因?yàn)?/p>

7、有黃素Flavin參與組成，所以又稱為黃素蛋 白類(又是簡稱黃酶)。催化的反應(yīng)式是： NADH+ H + E-FMN NAD+ + E-FMNH2 NADH+ H+ + E-FAD NAD+ + E-FADH2留意： “NADH脫氫酶與“以NAD為輔酶的脫氫酶是兩個(gè)完全不同的概念。FMN + 2H FMNH2 還原型NADH脫氫酶將2個(gè)H分解成2 個(gè)質(zhì)子(2H+)和2個(gè)電子(2e)，2個(gè)質(zhì)子和經(jīng)鐵-硫蛋白傳遞的2個(gè)電子最后都傳給輔酶Q。 輔酶Q (Ubiquinone ) 又稱為泛醌，分子中有一個(gè)長的異戊二烯側(cè)鏈，具有高度的疏水性。 泛醌是線粒體中唯一不與蛋白質(zhì)結(jié)合的電子 載體，其克分子數(shù)比其

8、他組分多得多，且因?yàn)橛?很長的脂溶性碳?xì)滏?，可在膜?nèi)流動(dòng)，所以泛醌 在呼吸鏈中處于中心地位，可以接受從NADH 脫 氫酶脫下的氫，也可以接受從別的黃酶脫下的氫。 QH2將電子傳給氧化型細(xì)胞色素，使之成為 還原型細(xì)胞色素，質(zhì)子留在溶液中。 細(xì)胞色素類(cytochromes, Cyt) 細(xì)胞色素是一類傳遞電子的色蛋白，以血 紅素(含鐵的卟啉)為輔基。細(xì)胞色素由在還 原狀態(tài)時(shí)吸收峰的不同而分為a、b、c三類， 再因其最大吸收峰的微小差別而分成幾個(gè)亞類， 現(xiàn)已知的至少有a、a3、b、c和c1 5種。 細(xì)胞色素b、c、c1依靠鐵卟啉中的鐵原子價(jià) 態(tài)的變化來傳遞電子；細(xì)胞色素a、a3中還含有 銅離子，且

9、銅離子連著血紅素輔基，鐵離子和 銅離子共同參與電子的傳遞。 不同的細(xì)胞色素分子內(nèi)卟啉環(huán)的取代基不同 QH2將電子傳給氧化型細(xì)胞色素b，使之成為 還原型細(xì)胞色素b，質(zhì)子留在溶液中。還原型Cytb 將電子傳給一個(gè)鐵-硫中心,再傳給Cytc和Cytaa3， Cytaa3將電子傳給分子氧使之活化。活化的氧與 活化的氫結(jié)合生成水。 鐵-硫蛋白(ironsulfur proteins)是相對分子量較小的蛋白質(zhì)，通常簡寫為Fe-S或FeS ，一般含有等量的 鐵原子和硫原子，它們在線粒體內(nèi)膜上常常與黃酶、細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物，是通過鐵價(jià)數(shù)的改變進(jìn)行電子的傳遞。 Fe3+ + e Fe2+ 三、線粒體電子傳遞鏈

10、復(fù)合物 1、復(fù)合物 (NADH脫氫酶復(fù)合物) 包括DADH到輔酶Q，分子量85KD，亞基數(shù)目超過25，有FMN輔基和多個(gè)Fe-S中心。 該復(fù)合物催化的總反應(yīng)式是：NADH + H+ + UQ NAD+ + UQH2 2. 復(fù)合物(琥珀酸脫氫酶) 從琥珀酸到輔酶Q，分子量為140KD，有4個(gè)亞基，F(xiàn)AD輔基和多個(gè)Fe-S中心。 還有一些線粒體脫氫酶的底物也可以在輔酶Q的水平上將電子送入呼吸鏈，但并不通過復(fù)合物，如催化脂肪酸氧化的脂酰輔酶A脫氫酶，及催化3-磷酸甘油脫氫的3-磷酸甘油醛脫氫酶等。 3. 復(fù)合物 (細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物) 包括從輔酶Q到細(xì)胞色素c，分子量為250KD，包括細(xì)胞色素b5

11、62，b566，一個(gè)Fe-S蛋白和至少6種蛋白質(zhì)亞基。 攜帶兩個(gè)電子的輔酶Q與傳遞一個(gè)電子的細(xì)胞色素之間的電子轉(zhuǎn)移是通過稱為“Q cycle的一系列反應(yīng)來完成的。反應(yīng)的凈結(jié)果是還原型輔酶Q被氧化，細(xì)胞色素c被還原。 復(fù)合物 同時(shí)也是質(zhì)子泵，在還原型輔酶Q被氧化過程中，質(zhì)子由線粒體基質(zhì)被排到膜間隙，從而在內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生了質(zhì)子梯度，這是ATP合成的重要的作用力。 4. 復(fù)合物 (細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物） 分子量為160KD，包括細(xì)胞色素a和a3，含有613個(gè)蛋白質(zhì)亞基及兩個(gè)Cu離子。這是呼吸鏈中唯一能直接將電子傳遞給O2的物質(zhì)。 復(fù)合物也有質(zhì)子泵的作用，參與了質(zhì)子梯度的形成。 電子傳遞到O2的過程是高

12、度放能的： NADH + H+ + O2 H2O + NAD+ E0 ： NAD+/NADH -0.320 V O2/H2O 0.816 V E0 0.816-(-0.320) +1.14 V G = -nFE0 = (-2)(96.5kJ/V.mol)(1.14V) = -220kJ/molSummary of the flow of electrons and protons through the four complexes of the respiratory chain 四、 電子傳遞的抑制劑 能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì) 稱為電子傳遞抑制劑。呼吸鏈中有 3 個(gè)部位可 被

13、抑制劑阻斷，如下圖所示： 一. 氧化磷酸化作用的概念 與生物氧化相伴而生的磷酸化作用稱為氧化磷 酸化，即代謝物被氧化釋放的電子通過呼吸鏈傳到 O2的過程伴隨著將 ADP磷酸化產(chǎn)生ATP。這是需氧 生物取得ATP的主要方式。 底物 呼吸鏈 H20 + CO2 氧化 能量 ADP+ H3PO4 ATP 磷酸化ATP的生成與電子傳遞是緊密相連的。的生成與電子傳遞是緊密相連的。 氧化磷酸化作用與底物水平磷酸化作用有原則 的差別，后者是指ATP的形成直接與代謝中間物上 的磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，即能量直接由高能化合 物釋放出來，用于ADP磷酸化成ATP。 二、 P/O比與ATP形成的部位 將完整的線粒體與

14、代謝物溫育，測定其消耗 的氧與合入ATP的32P標(biāo)記的無機(jī)磷酸鹽的量，發(fā) 現(xiàn)凡是代謝物脫氫時(shí)以NAD+作為氫受體時(shí)，每 消耗1/2molO2，有3mol無機(jī)磷酸鹽合入ATP中， 即合成了3molATP。如果合入ATP的磷酸鹽以P原 子表示，消耗的氧原子以O(shè)表示，則該代謝物氧 化時(shí)的P/O值為3。 通過實(shí)驗(yàn)測定P/O值可以了解物質(zhì)氧化時(shí)生成 ATP的數(shù)目。如果脫氫酶是以FAD作為氫受體，其 P/O值接近2，即只生成2個(gè) ATP。 化學(xué)滲透學(xué)說 該學(xué)說是1961年由Peter Mitchell提出的，認(rèn)為電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵，以NADH呼吸鏈為例，每2個(gè)電子經(jīng)該呼吸鏈傳遞到氧，就有6個(gè)質(zhì)子從基質(zhì)

15、被排到內(nèi)膜外溶液中，于是在內(nèi)膜內(nèi)外產(chǎn)生了內(nèi)負(fù)外正的質(zhì)子梯度。膜外的質(zhì)子為質(zhì)子梯度所驅(qū)使，通過鑲嵌在內(nèi)膜上的F0F1ATP酶分子上的特殊通道又流回線粒體基質(zhì)。每2個(gè)質(zhì)子通過F0F1ATP酶分子上的特殊通道流回線粒體基質(zhì)的過程釋放出的自由能可用于1個(gè)ADP磷酸化成ATP。三、氧化磷酸化作用機(jī)制的解釋 化學(xué)滲透學(xué)說與化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說的區(qū)別： 在電子傳遞和ATP形成之間不存在中間傳 遞體； 將電子傳遞與ATP形成聯(lián)系在一起的是電 子傳遞本身所產(chǎn)生的電化學(xué)電勢，而不是高能中 間物。 支持化學(xué)滲透學(xué)說的證據(jù)有以下方面： 1. 實(shí)驗(yàn)觀察到有呼吸作用的線粒體確實(shí)排出質(zhì) 子。當(dāng)02通到線粒體的懸浮緩沖液中時(shí)，電極測

16、出 pH值降低。典型的跨內(nèi)膜的pH值大約為0.05pH單 位。 2. 當(dāng)線粒體內(nèi)膜被破壞，ATP的合成就終止。 3. 一些抑制ATP合成的物質(zhì)的作用原理是特異 性地消除膜內(nèi)外的質(zhì)子梯度。如解偶聯(lián)劑二硝基酚 (DNP) 和短桿菌肽A， 它們通過將內(nèi)膜外的質(zhì)子帶 回基質(zhì)而消除質(zhì)子梯度，電子傳遞所產(chǎn)生的自由能 得不到儲(chǔ)存而是轉(zhuǎn)變成熱能。 a: DNP(2,4-二硝基酚)b: 短桿菌肽A 4. 初生的哺乳類和冬眠動(dòng)物利用褐色脂肪的 氧化提供能量以維持體溫。褐色脂肪細(xì)胞的線粒 體內(nèi)膜上有特殊的質(zhì)子通道，可以使電子傳遞泵 出的質(zhì)子不通過F0F1ATP合成酶而流回線粒體，結(jié) 果電子傳遞釋放的自由能轉(zhuǎn)化形成熱能。 褐色脂肪細(xì)胞的作用示意圖褐色脂肪細(xì)胞的作用示意圖 F133F0abc ab2cn 亞基 組成形式H+ATP合酶 (ATP synthase) 根據(jù)對氧化磷酸化過程的影響方式不同，可以將抑制劑歸為三類： 1 . 解偶聯(lián)試劑: 作用機(jī)制是使電子傳遞與形成ATP的過程分 離，如DNP和一些酸性芳香族化合物，能使H+饒 過 ATP合酶而回到線粒體基質(zhì)，消耗了質(zhì)子梯 度，電子傳遞釋放的自由能不能用于