生物氧化与氧化磷酸化.ppt

1、生物氧化与氧化磷酸化,第一节 新陈代谢,生化定义泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。 是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一,一、 物质代谢与能量代谢的统一,二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢,反应步骤繁多，具有严格的顺序性,与内外环境相适应，自动调节； 通过酶活性调节来进行调节。 逐步进行,新陈代谢的特点,细胞内温和的条件下，由酶催化进行的,1、研究材料 活体研究：“in vivo”： 以生物整体、整体器 官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体研究（又称体内研究）； 离体研究：“in vitro”： 以组织切片、匀浆或组织提取液为对象进行的代谢研究称为离体研究（又称体外研

2、究,二、 代谢的研究方法,A、同位素示踪法 将含有同位素35S、32P、14C、15N、3H的物质参与代谢反应，测试该基团在不同物质间的转移情况，来认识代谢过程,2、研究方法,B、整体方法,典型案例 脂肪酸的氧化,以活动物为研究对象，分析其排泄物、血清、头发等，从而了解体内的代谢情况，属体内研究,C、组织提取法,各类组织细胞,典型例子 糖代谢、生物氧化等等,D、代谢途径阻断等方法 属体外研究，了解某一反应被抑制之后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化,如 使用酶抑制剂,E、利用遗传缺陷型,基因突变遗传缺陷型某种酶缺乏某代谢反应受阻某代谢中间物积累/某产物不能合成 遗传缺陷型微生物,F、气体测

3、量法,代谢过程中气体的消耗或产生的变化量 20世纪40年代50年代,G、核磁共振波谱法（NMR,通过测定放射性同位素的磁矩来研究分子外围和骨架的结构信息。 对样品不加任何破坏，能最好反映机体内化学反应的真实情况,一、生物氧化概念和特点,有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成C2O和H2O并释放和储存能量的过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用,1、概念,第二节、生物氧化,2、生物氧化的特点,实质相同：都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成C2O和H2O，所释放的能量也相同。 方式和历程不同,提问：有机物的生物氧化与体外燃烧有何相同与区别,3、生物

4、氧化的主要内容,1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成C2OC2O如何形成？ 脱羧反应 （2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2OH2O如何形成？ 电子传递链 （3）当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP能量如何产生？ 底物水平磷酸化 氧化磷酸化,基本方式： 底物脱羧基作用,分类,二、生物氧化中CO2的生成,O CH3 C COOH,单纯脱羧,氧化脱羧,第三节、生物氧化中H2O的生成,真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上的呼吸链作用下产生。 生物体内主要以脱氢酶、传递体、氧化酶组成的生物氧化体系催化水的生成,氧化酶,2e,H2O,1/2 O

5、2,电子传递体,氢传递体,脱氢酶 -2H,MH2,一、电子传递链的概念,生物氧化过程中，代谢物上脱下的氢原子，经过一系列的按一定顺序排列的氢传递体和电子传递体的传递，最后传递到氧分子生成水，这种氢和电子的传递体系称呼吸链或电子传递链。 类型：NADH链和FADH2链,FADH2,1、烟酰胺脱氢酶类递氢体 NAD(P)+ + 2H NAD(P )H+H+ 2、黄素脱氢酶类递氢体 FAD + 2H FADH2 3、铁硫蛋白类递电子体 Fe3+ + e Fe2+ 4、细胞色素类以卟啉铁为辅基，传递电子 5、辅酶Q（CoQ）递氢体,二、电子传递链的组分,1、烟酰胺脱氢酶类（递氢体,以NAD+或NADP

6、+为辅酶， 200多种，以前者为主 递氢体 总是作为NADH电子传递链上的原初电子供体,NAD(P)+ + 2H NAD(P )H+H,2、黄素脱氢酶类(递氢体,以FAD或FMN为辅基 MH2 + E-FMNM + E-FMNH2 MH2 + E-FADM + E-FADH2 类型 NADH脱氢酶，以FMN为辅基，催化NADH将H传递给FMNFMNH2 琥珀酸脱氢酶，以FAD为辅基，催化琥珀酸将H传递给FADFADH2,3、铁硫蛋白类(Fe-S)非血红素铁蛋白,Fe-S在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物存在。 9种，常以2Fe-2S或4Fe-4S存在 通过铁的变价进行单电子传递，F

7、e3+ + e Fe2,共有3种,4、细胞色素类(Cyt)电子传递体,Cytb和Cytc1：细胞色素c 还原酶。 Cytaa3：末端氧化酶,以Fe卟啉为辅基的色素蛋白，只存在于需氧细胞； 依靠铁和铜的变价传递电子 Fe3+ + eFe2+ Cu2+ + eCu+ 呼吸链中的Cyt 蛋白: Cytb、Cytc1、Cytc和Cytaa3,存在于细胞色素a、a3的血红素A,存在于细胞色素b、c、c1的血红素,5、辅酶Q (CoQ)、泛醌、递氢体,非蛋白组分，醌类，侧链为异戊二烯； 中间传递体，通过醌/酚结构互变传递电子 只能从黄素酶的FMNH2或FADH2，接受和传递H,复合体(NADH脱氢酶或 N

8、ADHQ还原酶):包括黄素蛋白(FMN)和铁硫蛋白。催化电子从NADHCoQ。 复合体(琥珀酸脱氢酶或琥珀酸Q还原酶):包括黄素蛋白(FAD)、铁硫蛋白和细胞色素b560。催化电子从琥珀酸CoQ。 复合体 （细胞色素还原酶）：包括Cytb、Cytc1和铁硫蛋白。催化电子从CoQH2Cytc。 复合体（细胞色素氧化酶):包括Cytaa3和含铜蛋白。催化电子从还原型Cytc O2,电子传递链的组成,从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc,复合体I：NADH-Q还原酶,组成：FMN + Fe-S蛋白（+ CoQ） 功能：递氢,Fe-S蛋白：递电子体 Fe3+ + e

9、 Fe2,NADH链,复合体II：琥珀酸-Q还原酶,组成：FAD + Fe-S蛋白 功能：递氢,FADH2链,2,3,2,复合体III：细胞色素还原酶,组成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白 功能：传递电子,复合体IV：细胞色素氧化酶,组成：Cytaa3 +2Cu 功能：递电子给氧,NADH链,CoQ,NADH-Q还原酶,细胞色素C,2e,NADH链,FADH2链,I,III,IV,Q,C,II,Q,C,三、电子传递链的类型和组成,NADH链：复合体I、CoQ、III、Cytc、 IV,FADH链：复合体II、CoQ、III、Cytc、IV,四、电子传递链中传递体的排列顺序,依据各传递体的E

10、 ,重建组成、抑制剂的阻断试验,NADH链 NADHFMNCoQbc1caa3O2,FADH2链,FADH2,CoQbc1caa3O2,E0 低高,NADHFMNCoQbc1caa3O2,鱼藤酮,NADH链断，FADH2链通,FADH2,五、电子传递抑制作用（链阻断试验,电子传递抑制剂：能够抑制电子传递链上某一部位电子传递的物质,安蜜妥 杀粉蝶菌素A,毒鱼藤：两广一带有毒鱼作用的一类藤本植物的统称。毒鱼藤的根皮或种子中含有的杀虫有效成分是鱼藤酮和拟鱼藤酮,一,NADHFMNCoQbc1caa3O2,氰化物 CO,氰化物、CO窒息剂（剧毒,抗霉素A-分离自霉菌,二,三,第四节、氧化磷酸化与ATP

11、的生成,生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP,一、高能化合物,1、定义：在生化反应中，随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能（20.92KJ/mol）的化合物。 其中断裂释放出大量自由能的共价键称为高能键 (,提问：两反应如何可以结合在一起呢,P177,A+高能化合物 B+低能化合物 G00 (能自发进行,高能基团的传递,2.生物意义,3、高能化合物的种类,硫脂键化合物 S -31.4 甲硫键化合物 CH3S+- C-C -40.8,P177,1）ATP的分子结构,4、最重要的高能化合物ATP,生物体通用的能量货币。 产能反应产生的能量物质主要

12、是ATP 提供反应所需能量 ； 提供细胞活动的机械能； 提供细胞吸收物质时的能量； 产生电效应； 转变成光能或热能 磷酸基团转移反应的中间载体,2）ATP在能量转化中的作用,能量源自,能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解,分解代谢 氧化产能,ADP,机械能（运动） 化学能（合成反应） 渗透能（分泌、吸收） 电能（生物电） 热能（体温维持） 光能（生物发光,UTP、GTP、CTP、TTP 合成，供能,ATP,5、ATP生成的途径,光合磷酸化 氧化磷酸化,ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者,储能物质：磷酸肌酸、磷酸精氨酸,二、氧化磷酸化作用,定义：

13、代谢物的氧化作用与ADP的磷酸化作用相偶联生成ATP的过程。 根据氧化方式不同分为两类 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 电子传递链磷酸化,P185,1、底物水平磷酸化(无O2参与,S MPADP ATP,定义：底物被氧化的同时，分子内部能量重新分布产生高能磷酸化合物，高能磷酸化合物在酶(激酶)的作用将高能磷酸基团转移至ADP上形成ATP的过程,与底物催化过程相伴的无氧ATP形成机制,磷酸甘油酸激酶,丙酮酸激酶,GTP+ ADP GDP + ATP,琥珀酰CoA合成酶,2、电子传递体系磷酸化 (通常称的氧化磷酸化,电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给O2形成水时，同时偶联ADP磷酸化为ATP

14、，这一过程称电子传递体系磷酸化,氧化过程和磷酸化过程同时进行。 与电子传递链相伴的有氧ATP形成机制,P/O：一对电子经呼吸链传给氧原子的过程中所产生的ATP分子数。 实质指每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸/产生ATP的摩尔数,3、P/O比和氧化磷酸化偶联部位,1940年 S. Ochoa 提出P/O比概念,NADH链:P/O=3,FADH2链：P/O=2,偶联部位的证实: 专一性的抑制剂；电化学实验 当传递体间E0 0.18时，满足ADP+PiATP的需要,NADH(FMN)CoQ( b c1 ) c ( a a3 ) O2 -0.32-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.2

15、9+0.39+0.816,ATP,ATP,ATP,复合物I、III和IV具有质子泵功能，能利用电子传递释放的自由能将质子泵出线粒体内膜，形成质子电化学梯度，此梯度可推动ATP的合成,氧化磷酸化的耦联部位是：复合物I、III和IV,三、氧化磷酸化的偶联机制,化学偶联假说(1953) (chemical coupling hypothesis) 构象偶联假说(1964) (conformational coupling hypothesis) 化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis,1、化学渗透学说,P.Mitchell（英）1961年提出, 1978年诺贝尔化学奖,在电子

16、传递和ATP合成之间起偶联作用的是质子电化学梯度,要点： 线粒体内膜是完整的封闭系统； 内膜上递氢体和递电子体交替排列，催化反应定向进行 e传递过程中释放的能量将H+由内膜内侧泵到内膜外侧； 内膜对H+不通透，阻止H+自由进入，形成膜内外质子电化学梯度； 足够大的质子电化学梯度使质子经F1-F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP,化学渗透假说示意图,ATP合酶是ATP合成的场所。 FO镶嵌在内膜中,是膜外质子返回膜内的通道。 F1伸向膜内基质,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,2、ATP的合成机制 FOF1-ATP合酶,3、ATP酶的

17、旋转催化理论Boyer.P.D. (1994,L,O,T,四、氧化磷酸化的阻断作用,电子传递抑制剂 氧化磷酸化抑制作用 解偶联作用 离子载体抑制作用,2.氧化磷酸化抑制作用：既抑制氧的利用又抑制ATP的生成，但不直接抑制呼吸链上载体的作用。如寡霉素,阻断方式,寡霉素：通过抑制ATP合酶Fo质子通道的作用抑制氧化磷酸化,1.电子传递抑制作用:如鱼藤酮、安密妥等,概念：将电子传递过程和ATP形成过程分离的作用称为。产生这种作用的物质为。 能抑制ATP的形成，但不抑制电子传递，不抑制底物水平磷酸化。 解偶联剂：2,4-二硝基苯酚（DNP,3、解偶联作用与解偶联剂（uncoupler,中性 解离 脂不

18、溶 不能过膜 酸性 不解离 脂溶 容易过膜 质子载体：将H+带入膜内，消除跨膜的H+梯度,中性,酸性,DNP的解偶联机制,呼吸链可与磷酸化脱离，能量全部转化为热,熊冬眠 婴儿 初生哺乳动物,颈背部褐色脂肪细胞,维持体温,4.离子载体抑制剂（ionophores）：能与某些一价阳离子结合，作为载体使离子穿过线粒体内膜，消除跨膜电位梯度,例如：颉氨霉素，可结合K+离子 短杆菌肽（K+、Na,五、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,甘油-3-磷酸穿梭作用(肌肉、神经组织) 苹果酸-天冬氨酸穿梭作用(肝、肾等组织） 植物细胞质NADH的转运,真核胞液中的NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成ATP,1、甘油3磷酸穿梭作用,胞质的甘油-3-磷酸脱氢酶,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭作用,P/O=3或2