第十二章生物氧化ppt课件

1、第十二章 生物氧化 Biological Oxidation,学习内容,第一节 生物氧化概述 第二节 电子传递链（呼吸链） 第三节 氧化磷酸化,第一节 生物氧化概述,一、生物氧化的概念 二、生物氧化的特点 三、生物氧化中物质氧化的方式,一、生物氧化的概念,1、概念 有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在细胞内进行氧化分解产生CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。 原核生物中,生物氧化发生在细胞质膜上,而真核生物中生物氧化主要发生在线粒体内膜上。,一切生命活动都需要能量，维持生命活动的能量主要有两个来源：,

2、光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能。,化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。,2、生物氧化主要包括三方面的内容：,（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2CO2如何形成？ 脱羧反应（主要指氧化脱羧）,（2）H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+或FAD等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e-,O=,2

3、H+,草酰乙酸,（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP能量如何产生？ 氧化磷酸化 底物水平磷酸化,生物氧化的过程,生物氧化的三个阶段,大分子降解成基本结构单位,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,二、生物氧化特点 需O2 释放能量 产生H2O + CO2,三、生物氧化中物质氧化的方式,氧化反应 还原反应,脱电子 脱氢 加氧 得电子 加氢 脱氧,氧化剂： 还原剂： 递电子 （递氢）体：,接受电子，H （还原反应） 供给电子，H

4、 （氧化反应） 酶/辅酶在电子传递中： 供电子（供氢）体 + 受电子（受氢）体,Fe2+ Fe3+ （供电子体） （受电子体） （还原剂） （氧化剂）,第二节 电子传递链（呼吸链）,一、概念和类型 二、电子传递链的组成 三、电子传递链的电子传递顺序 四、电子传递链的电子传递抑制剂,细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O,一、概念和类型,1.概念: 在生物氧化过程中，代谢物脱下的氢经过一系列按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后交给分子氧并生成水，这个氢和电子的传递体系称为电子传递链（eclctron transfer chainETC) 2.类型： 1）NADH呼吸链：2）

5、FADH2呼吸链：,线粒体内膜向内折叠形成嵴（cristae），扩大了内膜的面积。 内膜表面含有 执行氧化反应的电子传递链 ATP合酶 线粒体内膜转运蛋白,线粒体的结构,内膜的低通透性保证了ATP的合成,动力工厂,二、呼吸链的组成,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。,NADH,NADH-Q 还原酶,Q,细胞色素 还原酶,细胞 色素C,细胞色素 氧化酶,O2,琥珀酸-Q还原酶,FADH2,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括： NADH-Q还原酶（复合体） 琥珀酸-Q还原酶（复合体II） 细胞色素还原

6、酶（复合体III） 细胞色素氧化酶（复合体IV）,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,1、 NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体、 亦是第一个质子泵),NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）(非血红素铁蛋白)是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。 以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。 FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。 FMN FMNH2,铁硫聚簇主要以（Fe-4S） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,铁硫聚簇（Fe-S中心 ）,2Fe-2S

7、4Fe-4S是NADH-Q还原酶中的两种存在形式,-e-,铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，起传递电子的作用，每次传递一个电子.,NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个氢转移到FMN辅基上， NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,铁硫络合物,CoQ,e-,e-,M,MH2,NAD+,NADH,FMN,FMNH2,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2H+,基质2H+,NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环,NADH-Q还原酶,泵到线粒体内膜外侧,基质H+,Fe-S

8、中心是单电子载体,而NADH黄素蛋白Q10都是两个电子载体,是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。是电子传递链中唯一的非蛋白组分。(哺乳动物含十个异戊二烯,Q10),2、辅酶Q（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶),如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等,3、琥珀酸-Q还原酶（复合体 ）,琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，琥

9、珀酸-Q还原酶辅基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇(2Fe-2S 3Fe-3S 4Fe-4S)传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。,4、细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体） 有质子泵功能,含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素C1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。 细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,复合体,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链

10、中主要含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是铁-原卟啉，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。,细胞色素（cytochrome,cyt）,与蛋白质以硫醚键相连,5、细胞色素c,在复合体III和之间传递电子（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触）。 是唯一能溶于水的细胞色素，存在线粒体内膜外表面。类似于Q作为电子载体在不同复合物之间游动。,细胞色素c是目前了解最清楚的蛋白质，其序列差异常作为生物系统发生关系的一个判断指标。,由 cyt.a

11、和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时Cu2+ Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。 也叫末端氧化酶。,6、细胞色素氧化酶（复合体、细胞色素c氧化酶 ） 有质子泵功能,细胞色素氧化酶（10个亚基的多聚蛋白）,O2+4H+ 4e-,2H2O,每个分子氧被还原共需4个电子,三、电子传递链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链： NADH+H+ FMN Fe-S CoQ cytb Fe-S cy

12、tc1 cytc cytaa3 O2 Fe-S FAD 琥珀酸-Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶,FMN Fe S,Cytb Fe-S cytc1,cytaa3,Fe-S FADH2,NADH-Q还原酶,呼吸链中电子传递体的排列顺序,根据标准氧还电位E0的高低排列 e EO（小） EO（大） 当向完全处于还原状态的电子传递体中加入氧时，最先被氧化的是细胞色素aa3,其次是cytC-cytC1-cytb-.NADH。DADH（340nm）；NAD+（260nm）。,四、电子传递链的电子传递抑制剂,1、概念：能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。 电子传递抑制剂的使用是研

13、究呼吸链中电子传递体顺序的有效方法。（阻断部位物质的氧化-还原状态可以测出）,2、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NADH-Q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：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递，所以阻断电子由QH2向cytC1的传递。 （3）氰化物（CN-）、硫化氢（H2S）、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。 抗霉素A是从灰色链球菌中分离出来的抗生素.,呼吸链的电子传递抑制剂图示 NADH NAD

14、H-Q还原酶 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 CoQ cytb 抗霉素A cytc1 cytc cytaa3 氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物 O2,FADH2,琥珀酸-Q还原酶,第三节 氧化磷酸化,一、概念 二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比 三、氧化磷酸化机理 四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂,有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP?,一、概念,生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要有三种方式： 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 光合磷酸化,底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物（PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。,1、底物水平磷酸化,特点：ATP的形成直接与中间

15、代谢物进行的反应相偶联；在有 O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。,是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。 这是需氧生物合成ATP的主要途径。 真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。,2、氧化磷酸化,1、P/O比： 1940年，S Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生成的关系，为此提出P/O比的概念。（同位素实验） 一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子数。实质是指每消

16、耗1 mol原子氧所产生的ATP的物质量(mol),称为P/O比。 线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2经呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。,二、氧化磷酸化偶联部位及P/O比,2、形成ATP的部位（氧化与磷酸化偶联部位）,电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有3处，即复合物、 ，这3个部位就是ATP合成的部位，称为偶联部位。,即复合物、 ，这3个部位就是ATP合成的部位(这三个部位均具有质子泵功能,发生三次磷酸化)。 呼吸链上磷酸化位点： NAD+CoQ； CtybCtyc； Ctyaa3O

17、2,P511,1、有关氧化磷酸化机理的几种假说 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说（公认）,三、氧化磷酸化作用的机理,电子传递过程中将产生一种活泼的高能共价中间物，通过此中间物进一步氧化产生能量来驱动ATP的合成。,(1)、化学偶联假说（1953） chemical coupling hypothesis,Edward Slater,（2）构象偶联假说（1964） conformational coupling hypothesis 认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。 迄今未能分离出这种高能蛋

18、白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。,Paul Boyer,（3）化学渗透假说（1961） chemiosmotic hypothesis,1961年由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出。 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。,Peter Mitchell,化学渗透假说示意图,化学渗透假说的要点,NADH呼吸链中的三个复合物、起着质子泵的作用，将H+从线粒体基质跨过内

19、膜泵入膜间隙。 H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。 当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。,支持化学渗透假说的实验证据：,(1) 氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 (2) 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 (3) 破坏H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。 (4) 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+从线粒体内膜逐出到

20、线粒体膜间隙。,(5) 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 (6) 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能蛋白存在形式。 H+如何通过电子传递链“泵”出的？,线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复合体或ATP合酶，是ATP合成的场所。 FO是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP合成的部位，当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成。,3、ATP的合成机制 FOF1-ATP合酶,ATP合酶结构示意图,当膜外的质子经F0质子通道到达F1时便推动ATP的合成。,膜间隙,膜内基质,1、解偶联剂（uncouplers