生物氧化和磷酸化ppt課件.ppt

1、第六章 生物氧化與氧化磷酸化,主要內(nèi)容和要求：重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。對非線粒體氧化體系作一般介紹。,返回,思考,1,目錄,第一節(jié) 生物氧化概述 第二節(jié) 線粒體電子傳遞體系 第三節(jié) 氧化磷酸化作用 第四節(jié) 非線粒體氧化體系（自學(xué)）,2,6.1 生物氧化概述,一、生物氧化的概念和特點 二、生物能學(xué)簡介 三、 高能化合物,3,生物氧化的特點和方式,1、生物氧化的特點 2、生物氧化過程中CO2的生成和H2O的生成 3、有機物在體內(nèi)氧化釋能的三個階段,糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細(xì)胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologi

2、cal oxidation），其實質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。,4,一、生物氧化概念：1、生物氧化的特點：,在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。 氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。,5,2、CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧,6,3、H2

3、O的生成,代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN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H2O 。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e,O=,2H+,7,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質(zhì),脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,生物氧化的三個階段,8,二、生物能學(xué)簡介：

4、,1、生物能的轉(zhuǎn)換及生物系統(tǒng)中的能流 2、自由能的概念及化學(xué)反應(yīng)自由能的計算,9,1、自由能（free energy）的概念,定義式：=H-TS 物理意義：* (體系中能對環(huán)境作功的能量) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即： G0，反應(yīng)不能自發(fā)進行 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。,10,化學(xué)反應(yīng)自由能的計算,a.利用化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)計算 基本公式：G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) G= - RTlnKeq 例：計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化 b.利用標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E）計算（限于氧化還原反應(yīng)） 基本公式：G=nFE (E=E+-E-) 例：計算NADH氧化反應(yīng)的G,11,

5、計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化,達平衡時 =Keq=19,解：,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1,未達平衡時 =Qc=0.1,反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應(yīng)未達到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應(yīng)的 G是多少？,例題：,12,例題：計算下反應(yīng)式G,NADH+H+1/2O2=

6、NAD+H2O 正極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 負(fù)極反應(yīng)：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,13,生物系統(tǒng)中的能流,14,15,三、高能化合物,1、高能化合物的類型 2、ATP的特點及其特殊作用,生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。,16,高能化合物類型,17,ATP的特點,在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（G=-

7、30.5千焦/摩爾）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,18,ATP的特殊作用, ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨” ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體,19,6.2 線粒體電子傳遞體系,一、線粒體結(jié)構(gòu)特點 二、電子傳遞呼吸鏈的概念 三、呼吸鏈的組成 四、機體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化 五、電子傳遞抑制劑,20,線粒體呼吸鏈,線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和

8、電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctron transfer chain),因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。,21,呼吸鏈的組成,1. 黃素蛋白酶類 （flavoproteins, FP） 2. 鐵-硫蛋白類 （ironsulfur proteins) 3. 輔酶 （ubiquinone,亦寫作CoQ） 4. 細(xì)胞色素類 （cytochromes）,NADH,輔 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黃素蛋白（F AD）,黃素蛋白（FMN）,細(xì)胞色素類,鐵硫蛋白（F

9、e-S）,鐵硫蛋白（Fe-S）,22,NADH呼吸鏈,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,細(xì)胞色素 b- c- c1 -aa3,2H+,23,NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈,24,電子傳遞鏈中各中間體的順序,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合物 I,復(fù)合物 III,NADH脫氫酶,輔酶Q-細(xì)胞色素還原酶,細(xì)胞色素C還原酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,25,呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,26,NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化,總反應(yīng): NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-2

10、96.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,27,煙酰胺脫氫酶類,特點：以NAD+ 或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機理:,28,黃素蛋白酶類,特點： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白,類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）,29,鐵硫蛋白,特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。,30,CoQ,特點：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位

11、于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。,31,細(xì)胞色素,特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。,32,CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理,CoQ+2H CoQH2,33,鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)及遞電子機理,34,細(xì)胞色素的結(jié)構(gòu)和遞電子機理,35,線粒體結(jié)構(gòu),36,6.3 氧化磷酸化作用,一、 氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念 二、氧化磷酸

12、化的偶聯(lián)機理 三、 線粒體外NADH的氧化磷酸化作用 四、能荷,37,氧化磷酸化,代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。,類別： 底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化,38,磷氧比（ P/O ）,呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。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ATP消耗一分子Pi ，因此P/O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ATP分子數(shù)。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 實測得NADH呼吸鏈： P/

13、O 3,實測得FADH2呼吸鏈： P/O 2,2e-,2e-,39,氧化磷酸化的偶聯(lián)機理,1、化學(xué)滲透假說 2、氧化磷酸化的抑制 解偶聯(lián)劑和離子載體抑制劑 氧化磷酸化抑制劑,40,三、 線粒體外NADH的氧化磷酸化作用, 磷酸甘油穿梭系統(tǒng) 蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng),41,-磷酸甘油穿梭,（線粒體基質(zhì)）,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羥丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,線粒體內(nèi)膜,（細(xì)胞液）,42,蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用,細(xì)胞液,線粒體內(nèi)膜體,天冬氨酸,-酮戊二酸,蘋果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,蘋

14、果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,線粒體基質(zhì),NADH+H+,（、 、 、 為膜上的轉(zhuǎn)運載體）,呼吸鏈,43,2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用,H+,H+,線粒體內(nèi)膜,內(nèi),外,44,線粒體ATP酶,45,化學(xué)滲透假說示意圖,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,46,ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型,旋轉(zhuǎn)催化理論認(rèn)為質(zhì)子流通過Fo引起亞基III 寡聚體和及亞基一起轉(zhuǎn)動,這種旋轉(zhuǎn)配置 /亞基之間的不對

15、稱的相互作用,引起催化位點性質(zhì)的轉(zhuǎn)變, 亞基的中心 -螺旋被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住 /異質(zhì)六聚體.,47,ADP+Pi,Proten Flux,H2O H+,ATP酶作用機理,48,電子傳遞 抑制劑,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,復(fù)合物 II,復(fù)合物 IV,復(fù)合物 I,復(fù)合物 III,49,能 荷,意義： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相對數(shù)量決定，數(shù)值在01之間，反映細(xì)胞能量水平。 能荷對代謝的調(diào)節(jié)可通過ATP 、 ADP和AMP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)。,50,化學(xué)滲透假說示意圖,51,6.4 非線粒體氧化系統(tǒng),通過線粒體細(xì)胞色素系統(tǒng)進行氧化的體系是一切動物、植物、微生物主要氧化途徑，它與ATP的生成緊密相關(guān)。除此以外，生物體內(nèi)還存在非線粒體氧化系統(tǒng)，其特點是從底物脫氫到H2O的生成是經(jīng)過其