生物化學生物氧化和氧化磷酸化

1、關(guān)于生物化學生物氧化與氧化磷酸化第一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月G + O2 6CO2 + 6H2O + 能量糖類的分解代謝EMPG2ATP2乙酰CoA4CO22丙酮酸2NADH2NADH 2CO26NADH 、2FADH22GTPTCA第二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、生物氧化(biological oxidation)1、概念 有機物在生物細胞內(nèi)進行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放能量形成ATP的過程。 生物氧化又稱細胞氧化或細胞呼吸。第一節(jié) 生物氧化概述營養(yǎng)物 + O = H2O + CO2 + ATP第三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月有機物中

2、的H + O2 H2O （ETS）廣義生物氧化有機物中的C CO2（脫羧作用：TCA）有機物被氧化成CO2和H2O時，釋放 的能量如何儲存于ATP（氧化磷酸化）狹義生物氧化第四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月生物氧化與體外氧化燃燒相同點： 化學本質(zhì)：物質(zhì)分解為CO2和H2O，產(chǎn)能總量相等 不同點：條件、過程。 2、生物氧化的特點第五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）條件溫和： 常溫常壓、近中性pH、有水的活細胞。 （2）酶促反應： 在一系列酶、輔酶和中間傳遞體作用下進行。 （3）逐步氧化并放能，釋放的能量貯藏在ATP中。（4）CO2是代謝物經(jīng)脫羧作用產(chǎn)生。（5）原核生物

3、在細胞膜上進行，真核生物在線粒體進行。 第六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1）脫氫反應 琥珀酸 + FAD 琥珀酸脫氫酶 延胡索酸 + FADH2 （2）加氧反應 AA + O2 + H2O AA氧化酶 a-酮酸 + NH3 + H2O2 （3）失電子反應：如細胞色素氧化酶 Fe2+ Fe3+ + e- 3、生物體中氧化反應的類型第七張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）直接脫羧 A、- 直接脫羧 O CH3 C H + CO2 O CH3 C COOH丙酮酸脫羧酶COOHC =OCH2COOHCOOHC =O + CO2 CH3丙酮酸羧化酶+ ADP + Pi+ A

4、TP + H2O B、- 直接脫羧4、CO2的生成第八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （2）氧化脫羧 O CH3CCOOH + CoASH + NAD+ O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2丙酮酸脫氫酶系 A、 氧化脫羧 COOHC =O + CO2 +NADPH + H+ CH3COOHC =O + NADP+CH2COOH蘋果酸酶 B、 氧化脫羧 第九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 5、H2O的生成脫氫酶-2H電子傳遞體氧化酶 在脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的體系催化下生成。AH2氫傳遞體1/2O2H2O2e-2H+1/2O2-第十張，PPT共九

5、十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 高能化合物：在生化反應中，在水解或基團轉(zhuǎn)移反應中可釋放出大量的自由能的化合物。 大量的自由能20.92 KJ.mol-1 (5 Kcal. mol-1) - 高能鍵（ high-energy bond）不穩(wěn)定鍵 二、高能化合物第十一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、高能磷酸化合物根據(jù)其鍵型：有磷氧型和磷氮型 （1）磷氧鍵型 （一）高能化合物的類型 O O A、酰基磷酸化合物 HOCHCO POH O CH2O P OH CO P 1, 3DPGA12.3 Kcal. mol-1第十二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 C、焦磷酸化合物 O O

6、O PO P 腺苷OPOPOPO OH OH OH ATP7.3 Kcal. mol-1B、烯醇式磷酸化合物 COOH C=CO P CO P CH2 PEP14.8 Kcal. mol-1第十三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）氮磷鍵型 胍基磷酸化合物 O N P HNPOH C=NH OH N C = HN NCH3 CH2COOH 磷酸肌酸10.3 Kcal. mol-1第十四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 A、硫酯鍵化合物 O O CS CH3CSCoA 乙酰輔酶A 7.5 Kcal. mol-1 B、 甲硫鍵化合物 CH3S+ CH3S+CH2CHCOOH

7、腺苷 NH2 S-腺苷甲硫氨酸 10.0Kcal. mol-12、高能非磷酸化合物（硫碳鍵型）第十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月ATP ADP 肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 機械能(肌肉收縮) 滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運) 化學能(合成代謝) 電能(生物電) 熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲存和利用都以ATP為中心。（二）ATP的結(jié)構(gòu)特點及其生物學功能第十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、ATP是生物體內(nèi)的“能量貨幣” （1）ATP的結(jié)構(gòu)特點決定其易于水解放能（2）ATP的分解與合成與能量偶聯(lián) 2、ATP是磷酸基團轉(zhuǎn)移載體 3、生成NTP第十七張

8、，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月磷酯鍵酸酐鍵-+-ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G0,= -30.5 KJ.mol-1ATP4- + H2O AMP2- + PPi3- + H+ G0,= -33.1 KJ.mol-1第十八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 生理pH下，ATP有4個負電荷（ ATP4- ）分子內(nèi)磷酸根的靜電斥力 由于P=O的極化，電子云偏向氧原子，磷原子帶部分正電荷正電荷相斥使磷酸酐鍵不穩(wěn)定。 （1）ATP（反應物）分子結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定的因素：第十九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）使產(chǎn)物穩(wěn)定的因素： Pi是穩(wěn)定的共振

9、雜化物； 介質(zhì)中H+的低濃度。ATP易于水解，且釋放大量的能量第二十張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一些磷酸化合物水解的標準自由能變化化合物 G0 磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能 （kcal/mol) （kcal/mol) PEP -14.8 14.81,3-DPGA -12.3 12.3磷酸肌酸 -10.3 10.3ATP -7.3 7.3G-6-P -3.3 3.3G-3-P -2.2 2.2第二十一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月磷酸基團轉(zhuǎn)移勢能/kcal.mol-1246810121416ATP作為磷酸基團共同中間傳遞體示意圖 磷酸肌酸 （磷酸基團儲備物）1,3-DPGAATPG

10、-6-PG-3-PPPPPPPEP第二十二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）磷酸肌酸高能磷酸貯能物質(zhì)神經(jīng)和肌肉等細胞活動的直接供能物質(zhì) ATP 含量低（38mmol/kg），僅供肌肉劇烈活動約1s的消耗。 腦：磷酸肌酸1.5ATP 肌肉：磷酸肌酸4ATP ADP + 磷酸肌酸 肌酸 + ATP G 0第二十三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、能荷 能荷是細胞能量狀態(tài)的一種度量。由Atkinson于1968年提出。 能荷：是指生物體中ATPADPAMP體系中高能磷酸鍵的可獲性量度。 ATP + 0.5ADP 能荷 = ATP + ADP + AMP 第二十四張，PPT共

11、九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月能 荷能荷相對速率ATP的利用途徑 ATP的生成途徑能荷對ATP的生成途徑和ATP的利用途徑相對速率的 影響第二十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、一般情況下細胞內(nèi)能荷為0.8-0.9。 2、能荷高時，促進合成代謝抑制分解代謝。 3、能荷低時，促進分解代謝抑制合成代謝。 4、能荷的調(diào)節(jié)是靠ATP、ADP、AMP對代謝中酶 的變構(gòu)調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。能荷意義：第二十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、能量代謝（線粒體氧化體系）。 提供了生命活動所需的大量能量。2、生物合成和代謝調(diào)節(jié)。 包含了生物體重要的基本反應。3、其它作用（解毒、抗衰老、抗逆境

12、等微粒體 氧化體系）四、生物氧化的生物學意義第二十七張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 第二節(jié) 電子傳遞鏈（ 呼吸鏈） (Electron Transfer System ETS) ETS：存在于線粒體內(nèi)膜上的一系列能接受氫或電子的中間傳遞體組成的鏈鎖式反應體系。 根據(jù)呼吸底物上氫的初始受體的不同，線粒體內(nèi)呼吸鏈可分為：NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈一、概念第二十八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、黃素蛋白類（FP） 包括NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶，分別以 FMN、FAD為輔基 NADH + H+ + FMN NADH脫氫酶 NAD+ + FMNH2 琥珀酸 + FAD

13、琥珀酸脫氫酶延胡索酸 + FADH2 二、電子傳遞鏈的組成作用：傳遞電子和質(zhì)子第二十九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、鐵硫蛋白（Fe-S）它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。作用：通過鐵的價態(tài)變化而傳遞電子第三十張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月包括24Fe-4S核心第三十一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 ETS上唯一的非蛋白組分，是脂溶性小分子醌類化合物。 3、輔酶Q（又稱泛醌，CoQ）作用：傳遞質(zhì)子和電子第三十二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月CoQ的功能：在線粒體呼吸鏈中

14、作為電子和質(zhì)子的傳遞體。第三十三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 一類以鐵卟啉為輔基的色素蛋白。 作用：通過輔基中鐵的價態(tài)變化而傳遞電子 Cytb、Cytc1 、Cytc Cyta、Cyta3 輔基血紅素 輔基血紅素A， 還含有兩個必 需的銅離子 4、細胞色素類（Cyt）第三十四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 a類中的卟啉環(huán) c類中的卟啉環(huán)卟啉環(huán)共 同17個碳的碳氫鏈第三十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞色素 C第三十七張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 上述ETS組分除UQ和Cytc 外，其余組分

15、形成嵌入內(nèi)膜的復合物NADH鏈輔酶QNADH-輔酶Q還原酶CoQH2:Cytc氧化還原E復合體細胞色素C細胞色素氧化酶復合體2e復合體線粒體外膜線粒體內(nèi)膜間隙第三十八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 NADH呼吸鏈是絕大部分有機物氫最終氧化的途徑第三十九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、復合物：NADH-CoQ還原酶 組成：FMN+鐵硫蛋白第四十張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、復合物：琥珀酸-CoQ還原酶 組成：FAD+鐵硫蛋白32第四十一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、復合物： 細胞色素還原E 組成：Cytb+Fe-S+ Cytc1第四十二

16、張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 組成：Cyta+ Cyta3+含銅蛋白4、復合物：細胞色素氧化E第四十三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、電子傳遞鏈的順序FAD Fe-S琥珀酸NADH+H+FMN Fe-SCoQCytbFe-SCytc1 Cytc Cytaa3 O2細胞色素氧化酶NADH-Q還原酶細胞色素還原酶琥珀酸-Q 還原酶NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈第四十四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月NADH呼吸鏈為什么是這樣一個順序呢？第四十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 利用光譜變化確定各組分的氧化還原狀態(tài)(1) 測各組分氧化還原電位（E

17、0） 研究方法(2) 呼吸鏈復合物重組(4)利用呼吸鏈抑制劑第四十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在標準條件下， G = G0 , ； G0, = -nFE, （ n：轉(zhuǎn)移電子數(shù) F：法拉弟常數(shù) F = 96.5 kJ/V.mol） E = E電子受體 E,電子供體 即：電子從E,值較小的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到E,值較大的物質(zhì)，反應自發(fā)進行 一個反應能夠自發(fā)進行， G 0.16V G, 30.5KJ/mol NADH (-0.32) 電位 FMN (-0.30) Fe-S CoQ Cytb Fe-S ( 0.04) (-0.02) ( 0.10) ( 0.00) (0.22) Cytc1 C

18、ytc (0.25) Cyta (0.29)能量 Cyta3 (0.55) O2 (0.82)二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位第六十四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 P/O ：每消耗一個氧原子（或每對電子通過呼吸鏈傳遞至氧）所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。 實驗證明：線粒體中的NADH經(jīng)ETS氧化，P/O=3，F(xiàn)ADH2經(jīng)ETS氧化，P/O=2 3、偶聯(lián)部位： NADH CoQ 復合物 Cytb Cytc1 復合物 Cytaa3 O2 復合物 2、根據(jù)P/O判斷第六十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)不同載體的E0值證明由NADH到分子氧的電子傳遞鏈中，有三處能使氧化還原過程所釋放的能

19、量足以合成ATP。第六十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月磷氧比（ P/O ）NADHFADH2H2OH2O例 實測得NADH呼吸鏈： P/O 3ADP+Pi ATP例：實測得FADH2呼吸鏈： P/O 2O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPO212第六十七張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1molG經(jīng)EMP-TCA-ETS徹底氧化生成38mol ATP（或36） 3830.5 貯能效率： 100% = 40.3% 2876.54、氧化磷酸化的貯能效率第六十八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、化學

20、偶聯(lián)假說：電子的傳遞過程中形成高能中間物，釋放能量，使ADP生成ATP。 三、氧化磷酸化的機理（一）能量偶聯(lián)假說第六十九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月這一假說的典型例子是G-3-P脫氫酶所催化的產(chǎn)能和貯能過程以及PEP形成丙酮酸并生成ATP的反應。G-3-P +Pi1,3-DPGNAD+NADHH+G-3-P脫氫酶1,3-DPG + ADP3-PGA + ATP3-PGA激酶第七十張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、構(gòu)象偶聯(lián)假說：電子的傳遞過程中形成高能構(gòu)象，釋放能量，使ADP生成ATP。能說明構(gòu)象偶聯(lián)假說的例子是ATP形成或水解與肌動球蛋白的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)第七十一張，PP

21、T共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、化學滲透假說：1961年由P.Mitchell提出，此假說得到多數(shù)人支持。第七十二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月化學滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化 氧化 第七十三張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1）遞H體和遞電子體交替排列 （2）復合物、 和中的遞H體利用電子傳遞反應能量將H+泵出內(nèi)膜 （3）線粒體內(nèi)膜對H+不通透，造成跨膜H+梯度(質(zhì)子濃度梯度和電位梯

22、度，合稱為質(zhì)子動力勢) （4） H+通過F1-F0-ATPase回流時，釋放能量，生成ATP化學滲透假說內(nèi)容：（1978年的諾貝爾化學獎）第七十四張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1）氧化磷酸化的進行要求線粒體內(nèi)膜完整 （2）將線粒體懸浮于無O2緩沖液，當通入O2 時介質(zhì)很快酸化 （3）內(nèi)膜對H+、OH-、K+和Cl-等離子不通透 （4）人為地造成跨膜的質(zhì)子電子電化學梯度，同時加入ADP和Pi，發(fā)現(xiàn)合成了ATP化學滲透假說的證據(jù)：第七十五張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 合成1分子ATP有多少H+通過F0 ？ CoQ在電子傳遞鏈中的變化 ？ H+究竟是怎樣通過ETS而被逐

23、出的？ 該理論存在的疑問第七十六張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 F1：球行頭部，伸入到線粒體基質(zhì)中，由五種9個亞基組成 功能：合成ATP的催化部位寡霉素敏感性蛋白（OSCP）：參與調(diào)控F1-F0的功能 F0：橫貫線粒體內(nèi)膜功能：質(zhì)子通道1、ATP合酶復合體（二）ATP合成機制第七十七張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、ATP合成機制 Paul Boyer提出的“結(jié)合變化機制”（binding-change mechnism) 亞基有三種狀態(tài)“O”狀態(tài)：開放形式，對底物親和力極低“L”狀態(tài)：松弛形式，對底物結(jié)合較松弛， 對底物無催化能力“T”狀態(tài)：與底物結(jié)合緊密，并有催化活

24、性 質(zhì)子流的能量使“T”部位轉(zhuǎn)變?yōu)椤癘”， “L”部位轉(zhuǎn)變?yōu)椤癟”， “O”部位轉(zhuǎn)變?yōu)椤癓”第七十八張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、解偶聯(lián)劑：不阻斷電子傳遞不生成ATP電子傳遞抑制劑：阻斷電子傳遞不生成ATP作用：使氧化（電子傳遞）和磷酸化（形成ATP兩個偶聯(lián)的過程脫節(jié)，只抑制ATP的形成過程，而不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱能表達。四、解偶聯(lián)作用和氧化磷酸化的抑制作用第七十九張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外2，4-二硝基苯酚（dini

25、trophenol,DNP)將質(zhì)子從膜外側(cè)帶到膜內(nèi)側(cè)，使線粒體內(nèi)膜對H+的通透性增加，這樣就破壞了電子傳遞形成的跨膜H+梯度的形成抑制了ATP的形成。第八十張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 作用：直接作用于ATPase復合體而抑制ATP的合成；間接抑制了電子傳遞和分子氧的消耗。 這類抑制劑有短桿菌肽、纈氨霉素、蕓香霉素和寡霉素。 寡酶素抑制原理：與Fo-F1-ATPase復合體柄部（Fo）的一個亞基結(jié)合“堵塞”了其內(nèi)的質(zhì)子通道,阻止膜外的H+回流到基質(zhì)內(nèi)。 2、 氧化磷酸化的抑制第八十一張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）外NADH脫氫酶(真菌和高等植物) 外NADH脫氫酶分布在內(nèi)膜的外側(cè)朝向膜空間，以FAD為輔基的黃素蛋白，接受來自于胞液的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。 P/O=2 內(nèi)NADH脫氫酶分布在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)朝向襯質(zhì)，以FMN為輔基的黃素蛋白，接受來自于線粒體襯質(zhì)的NADH的氫原子，傳遞給CoQ。P/O=3五、線粒體外NADH的氧化磷酸化第八十二張，PPT共九十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 動物體內(nèi)的NADH必須通過線粒體穿梭系統(tǒng)。 線粒體穿梭：生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進