j电子传递体系与氧化磷酸化PPT课件

1、目录第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述第二节第二节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用第四节第四节 非线粒体氧化体系（自学）非线粒体氧化体系（自学）第1页/共61页第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述一、生物氧化的概念和特点一、生物氧化的概念和特点二、生物能学简介二、生物能学简介三、三、 高能化合物高能化合物第2页/共61页生物氧化的特点和方式生物氧化的特点和方式 糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成COCO2 2和H H2 2O O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidationbiological o

2、xidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。 狭义生物氧化：专指H+和e-通过呼吸链传递给O2生成H2O并释放能量的过程。 化学本质氧化还原反应 氧化的形式：脱氢、加氧、失电子 意义：生物体重要的基本反应，提供生命活动所需的大量能量1、生物氧化的特点2、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成3、有机物在体内氧化释能的三个阶段和相关酶类第3页/共61页生物氧化的特点 在活的细胞中（在活的细胞中（pHpH接近中性、体温条件下），接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回

3、曲折，有条不紊。下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATPATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。的能量尽可得到有效的利用。第4页/共61页COCO2 2的生成 方式方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧脱羧而生成而生成COCO2

4、2。 类型类型：直接脱羧和氧化脱羧：直接脱羧和氧化脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第5页/共61页H2O的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（体（NADNAD+ +、NADPNADP+ +、FADFAD、FMNFMN等）所接受，再通过等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢

5、酶例：12 O2NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+第6页/共61页脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi 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。大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段第7页/共61页三、生物能学简介1 1、生物能的转换及生物系统中的能流2 2、自由能的概念及化学反应自由能的计算第8页/共61页自由能（free energyfree energy）的概念定义：在恒温恒压

6、条件下,体系可以用来对环境做功的那一部分能量。自由能与化学反应的关系: 一个物质（A）的自由能含量是不能测得，但在反应中A-B 的自由能变化(G）是可以测定的。G = GB - GA ，表示化学反应中产物与底物的自由能差。它们与化学反应的关系是： G0G0G0，反应不能自发进行G=0G=0，反应处于平衡状态。自由能的变化能预示某一过程能否自发进行. . 第9页/共61页化学反应自由能的计算标准自由能差(G0)： G受温度、物质浓度的影响，因此采用标准条件（ 1个大气压，25 oC， pH7，物质浓度1mol/L），就用G0表示。 1. 标准氧化还原电位（E0）氧化还原反应和氧化还原电对： 氧化

7、还原反应：AH2 + B=A + BH2 式中A、B为氧化型，AH2、BH2为还原型 A/AH2 和 B/BH2 构成两个氧化还原电对。电对的电位是相对值。用标准条件，以标准氢电极做参比（0V）得到该电对的电位，表示为 E0。 P172表6-2列举了生物体中重要的氧化还原电对的 E0 。（重要）第10页/共61页2、E0值的意义：表示电对中物质对电子的亲和力 电位 负 正 对电子的亲和力 小 大 还原型供出电子能力 强 弱 氧化型接受电子能力 弱 强3、标准氧化还原电位差（E0） 生化反应中，一种物质的氧化与另一种物质的还原相偶联，两物质间电子流动的条件是它们的E0不相等，其差值就是E0。E0

8、 = E0氧化剂 - E0还原剂如：乳酸发酵： 丙酮酸 + NADH + H+ -乳酸 + NAD+确定氧化还原电对，并查表6-2丙酮酸/乳酸 NAD+ / NADH2 反应正行:E0 = 丙酮酸 - NADH + H+ = 第11页/共61页自由能与氧化还原电位的关系： 标准条件下，电子从低（越负）的氧化还原电位流向高（越正）的氧化还原电位，自由能降低。两者的关系可定量的表示为： G0(KJ/mol)= - n FE0 （P172，要求记）将上述列子带入计算：反应正行:G0= -2 96.403 0.13 = -25.1 (KJ/mol)（放能反应） 第12页/共61页生物系统中的能流生物系

9、统中的能流第13页/共61页第14页/共61页四、高能化合物1 1、高能化合物的类型 2 2、ATPATP的特点及其特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（2121千焦/ /摩尔）的化合物称为高能化合物。第15页/共61页高能化合物类型第16页/共61页ATPATP的特点 在pH=7pH=7环境中，ATPATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4 4个负电荷的离子形式（ATPATP4-4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（千焦/ /摩尔）。腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP4- + H2O ADP3

10、- + Pi2- + H+ G MOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G MOL-1第17页/共61页ATPATP的特殊作用 ATPATP是细胞内的“能量通货” ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物） 6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第18页/共61页第二节第二节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系 一、线粒体结构特点二、电子传递呼吸链的概念三、呼吸链的组成四、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化 五、电子传递抑制剂第19页/共61页线粒体呼吸链 线粒

11、体基质是呼吸底物氧线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产化的场所，底物在这里氧化所产生的生的NADHNADH和和FADHFADH2 2将质子和电子转将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后氢载体和电子载体的传递，最后传递给传递给O O2 2生成生成H H2 2O O。这种由载体组这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链成的电子传递系统称电子传递链（eclctron transfer chain),eclctron transfer chain),因因为其功能和呼吸作用直接相关，为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链亦称为呼

12、吸链。第20页/共61页呼吸链的组成1. 1. 黄素蛋白酶类（flavoproteins, FPflavoproteins, FP）2. 2. 铁- -硫蛋白类（ironsulfur proteins)ironsulfur proteins)3 3. . 辅酶（ubiquinone,ubiquinone,亦写作CoQCoQ）4 4. . 细胞色素类（cytochromes）NADH辅 酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黄素蛋白（F AD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）第21页/共61页NADH呼吸链H2O12

13、O2O2-MH2还原型代 谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代 谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 细胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第22页/共61页NADH呼吸链和FADH2呼吸链 FADH2 FeS FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytcFMNFeSCoQCytbFeSCytc1 1CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2NADH呼吸链FADH2呼吸链第23页/共6

14、1页电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物 II复合物 IV复合物 I复合物 IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素C还原酶琥珀酸-辅酶Q还原酶第24页/共61页呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第25页/共61页NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应: NADH+HNADH+H+ +1/2O+1/2O2 2NADNAD+ +H+H2 2O O GG=-nFE=-nFE =-296.50.82-(-0.32)千焦mol-1总反应：FADH2+1/2O2FA

15、D+H2OG=-nFE = -296.50.82-(-0.18) =-193.0千焦mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化第26页/共61页烟酰胺脱氢酶类 特点特点：以：以NADNAD+ + 或或NADPNADP+ +为辅酶，存在于线为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。粒体、基质或胞液中。 传递氢机理传递氢机理: NAD(P)NAD(P) + + + 2H + 2H+ + +2e NAD(P)H + H+2e NAD(P)H + H+ +第27页/共61页黄素蛋白酶类 特点特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）

16、 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2第28页/共61页铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e 特点特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成FeS中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。第29页/共61页CoQ 特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。 +2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2H第30页/共61页细胞色素 传递电子机理传递电子机理： +e +e Fe

17、3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特点特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。 类别类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。第31页/共61页CoQ的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2第32页/共61页铁硫蛋白的结构及递电子机理S Fe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e

18、+e第33页/共61页细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理传递电子机理：Fe3+ Fe2+-e+e第34页/共61页线粒体结构第35页/共61页第三节第三节 氧化磷酸化作氧化磷酸化作用用一、 氧化磷酸化和磷氧比（氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念的概念二、二、氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理三、三、 线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用四、四、能荷能荷 第36页/共61页氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATPATP）, ,这种氧化放能和ATPATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化( (广义）。类别类别： 底物水平

19、磷酸化底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中释放出的自由能第37页/共61页磷氧比（ P/O ）P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATPATP分子数。NADHNADHFADHFADH2 2O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例 实测得NADHNADH呼吸链： P/O ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得FADHFADH2 2呼吸链： P/O O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP

20、+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP第38页/共61页氧化磷酸化的偶联机理1 1、化学渗透假说2 2、氧化磷酸化的抑制 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂第39页/共61页三、三、 线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作的氧化磷酸化作用用 磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统 酵解（细胞质）氧化磷酸化 （线粒体）第40页/共61页 -磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）第41页/

21、共61页苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸 -酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸 -酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、 、 、 为膜上的转运载体）呼吸链第42页/共61页2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外第43页/共61页线粒体ATP酶第44页/共61页化学渗透假说示意化学渗透假说示意图图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+ + + +

22、+ + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜磷酸化 氧化 第45页/共61页ATPase的旋转催化模型第46页/共61页第47页/共61页电电子子传传递递 抑抑制制剂剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物 II复合物 IV复合物 I复合物 III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO第48页/共61页能能 荷荷定义式：能荷定义式：能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 意义意义： 能荷由能荷由ATP 、 ADP和和AMP的相对数量决定，数值在的相对数量决定，数值在01之间之间(常为常为0

23、.8-0.95)，反映细胞，反映细胞能量水平。能量水平。 能荷相对速率ATP的利用途径 ATP的生成途径能荷对ATP的生成途径和ATP的利用途径相对速率的 影响第49页/共61页化学渗透假说示意化学渗透假说示意图图2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-2e-2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流线粒体内膜F0-F1寡霉素第50页/共61页非线粒体氧化系统非线粒体氧化系统 通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还

24、存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的非线粒体氧化系统如下：1、多酚氧化酶系统2、抗坏血酸氧化酶系统3、黄素蛋白氧化酶系统4、超氧化物歧化酶氧化系统5、植物抗氰氧化酶系统第51页/共61页生物氧化有关的酶类( (一) )脱氢酶类1 1、不需氧脱氢酶（最重要）特点：催化底物脱氢后，不能以O O2 2为直接 受氢体 酶蛋白组成：结合酶 辅酶：NADNAD+ + 、NADPNADP+ + 辅因子 辅基：FMN FMN 、FADFAD第52页/共61页2 2、需氧脱氢酶特点：催化底物脱氢后，以特点

25、：催化底物脱氢后，以O O2 2为直接受氢体，为直接受氢体， 生成生成H H2 2O O2 2。组成：结合酶组成：结合酶酶蛋白酶蛋白辅基：辅基：FADFAD例：乙醇酸氧化酶等第53页/共61页组成：结合组成：结合酶酶酶蛋白酶蛋白辅基：含辅基：含Fe Fe 、 Cu Cu例：细胞色素氧化酶例：细胞色素氧化酶、酚氧化酶等酚氧化酶等3 3、氧化酶类特点：催化底物脱氢后，以特点：催化底物脱氢后，以O O2 2为直接受氢体为直接受氢体， 生成生成H H2 2O O。第54页/共61页问答题1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？3、

26、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？名词解释生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（P0）能荷第55页/共61页本章内容提要（P P167167）。思考题：1 1、何谓生物氧化？其特点如何？2 2、GG0 0和EE0 0各表示什么，它们之间的定量关系如何？3 3、简述高能化合物的定义及种类，为什么ATPATP可以作为细胞中能量的“通币”。4 4、呼吸链中各成员的排列顺序根据什么原则确定。5 5、用化学渗透学说解释氧化磷酸化机理。6 6、NADHNADH呼吸链由哪些成分组成？电子传递抑制剂有哪些？第56页/共61页 练习题 1、用表8-1的数据，计算乙醛被NADH还原为乙醇时的E0及G0。 2、计算1分子3-磷酸甘油醛通过有氧分解被彻底氧化为CO2和H2O时生成的ATP分子数。（假设通过3-磷酸甘油穿梭） 3、P219第4题 4、解释名词：氧化磷酸化、底物水平磷酸化、能荷、解偶联剂, ATP合酶、末端氧化酶、P/O、电子传递抑制剂第5