生物化学课件：第六章 生物氧化

1、第六章第六章 生物氧化和能量转换生物氧化和能量转换生物氧化概述生物氧化概述电子传递链电子传递链*氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用*v维持生命活动的能量主要有维持生命活动的能量主要有两个来源两个来源：v光能光能（太阳能）：光合自养生物（太阳能）：光合自养生物, , 光能光能-有机物中稳定的化学能。有机物中稳定的化学能。v化学能化学能：异养生物或非光合组织通过：异养生物或非光合组织通过生生物氧化物氧化作用作用, ,有机物质有机物质-ATP-ATP中活跃的化中活跃的化学能学能.ATP.ATP直接用于需要能量的各种生命直接用于需要能量的各种生命活动。活动。第一节第一节 概述概述 生物氧化生物氧化：有机物质

2、（糖、脂肪和蛋白质）：有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物体内氧化分解成在生物体内氧化分解成COCO2 2 和和H H2 2O,O,并释放并释放能能量量的过程。的过程。 此过程需耗氧、排出此过程需耗氧、排出COCO2 2，又在活细胞，又在活细胞内进行，故又称内进行，故又称细胞呼吸细胞呼吸糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程：分解：分解：氧化分解：氧化分解：氧化磷酸化：氧化磷酸化 CO2 如何形成如何形成 直接脱羧、氧化脱羧直接脱羧、氧化脱羧 H2O 如

3、何形成如何形成 脱氢酶、氧化酶、传递脱氢酶、氧化酶、传递体体 能量如何形成能量如何形成生物氧化的特点生物氧化的特点（1 1）生物氧化是在细胞内进行的）生物氧化是在细胞内进行的 （2 2）生物氧化是在温和条件下进行的）生物氧化是在温和条件下进行的（3 3）生物氧化所产生的能量是逐步释放的）生物氧化所产生的能量是逐步释放的（4 4）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊）生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊 的高能化合物中的高能化合物中 高能磷酸化合物：生物体内有一些磷酸化合物,当其磷酸基团水解或转移时，可释放出大量的自由能，这类化合物称为. 高能键：高能磷酸化合物中的含有高能的酸酐键， 20.

4、92 kJ /mol20.92 kJ /mol 生化中的高能键与化学中的区别高能键型高能键型 1,1,磷氧键型（磷氧键型（OP)OP) 2,2,磷氮键型磷氮键型（NP)NP) 3,3,硫碳键型（硫碳键型（CS)CS)注意：常见化合物高能键的类型注意：常见化合物高能键的类型 1,1,磷氧键型（磷氧键型（OP)OP)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸乙酰磷酸10.1千卡千卡/摩尔摩尔11.8千卡千卡/摩尔摩尔H3N+COO POO-O-氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸R COOPOOO-A酰基腺苷酸酰

5、基腺苷酸RCH COO POOO-AN+H3氨酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物OPOOC O O HCOC H2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.814.8千卡千卡/ /摩尔摩尔2,2,磷氮键型磷氮键型OPOON HCN HNC H3C H2C O O HOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨

6、酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔3,3,硫碳键型硫碳键型RCOSCoA酰基辅酶酰基辅酶ACO O-CHN H3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸ATPATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP1. ATP1. ATP是生物能存在的主要形式是生物能存在的主要形式 ATPATP是能够被生物细胞直接利用的能量形是能够被生物细胞直接利用的能量形式式, ,是能量的携带者和传递者是能量的携带者和传递者2.2.磷酸原磷酸原 以高能磷酸形式贮能的

7、物质统称为以高能磷酸形式贮能的物质统称为. 磷酸肌酸、磷酸精氨酸磷酸肌酸、磷酸精氨酸等等OPOON HCN HNC H3C H2C O O H 2.1 2.1 基本知识基本知识 2.2 2.2 电子传递链的组成电子传递链的组成 2.3 2.3 电子传递链抑制剂电子传递链抑制剂第二节第二节 电子传递链电子传递链2.1 2.1 电子传递链基本知识电子传递链基本知识 呼吸链呼吸链：在生物氧化过程中，从代谢物上脱下在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链。水的整个体系称为呼吸链。 部位：部位： 原核细胞原核细

8、胞-质膜质膜 真核细胞真核细胞-线粒体内膜线粒体内膜 外膜、内膜、外膜、内膜、膜间隙、基质膜间隙、基质 主要功能：进主要功能：进行氧化磷酸化，行氧化磷酸化，合成合成ATP基粒基粒：内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的：内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体，简称带柄的球状小体，简称 电子传递链的主要组分包括：电子传递链的主要组分包括： 烟酰胺腺嘌呤核苷酸烟酰胺腺嘌呤核苷酸、 黄素蛋白黄素蛋白、 铁硫蛋白铁硫蛋白、 泛醌泛醌 及及细胞色素细胞色素类类+e-铁铁硫硫蛋蛋白白v是脂溶性醌类化是脂溶性醌类化合物，分子较小，合物，分子较小，可在线粒体内膜可在线粒体内膜的磷脂双分子层的磷脂双分子层

9、的疏水区自由扩的疏水区自由扩散。散。 功能基团是苯醌功能基团是苯醌, ,通过醌通过醌/ /酚的互变酚的互变传递氢，传递氢，它在线它在线粒体呼吸链中作粒体呼吸链中作为电子和质子的为电子和质子的传递体。传递体。辅酶辅酶Q,Q,泛醌泛醌, , v是以铁卟啉（血红是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白素）为辅基的蛋白质（有颜色）质（有颜色）v细胞色素主要是通细胞色素主要是通过辅基中过辅基中FeFe3+3+ FeFe2+2+ 的互变起传递的互变起传递电子的作用。一个电子的作用。一个细胞色素每次传递细胞色素每次传递一个电子。一个电子。细胞色素（细胞色素（cytochrome,cytcytochrome,cyt）

10、2.2 2.2 电子传递链组成电子传递链组成 NADHNADH电子传递链电子传递链 最初的供氢体NADH FADHFADH2 2电子传递链电子传递链 最初的供氢体FADH2NADHNADH脱氢酶复合物脱氢酶复合物辅酶辅酶Q-Q-细胞色素细胞色素C C还原酶复合物还原酶复合物细胞色素氧化酶复合物细胞色素氧化酶复合物琥珀酸脱氢酶复合物琥珀酸脱氢酶复合物 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-NADH-QNADH-Q还原酶还原酶： ： 琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶

11、：细胞色素还原酶：细胞色素还原酶：细胞色素氧化酶：细胞色素氧化酶 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 电子传递链电子传递链：由于在传递过程中，在很多部位由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子形式进入膜间隙，仅发生氢原子实际上以质子形式进入膜间隙，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子

12、转移，因此呼吸链又称为呼吸链呼吸链：在生物氧化过程中，从代谢物上脱：在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链形成水的整个体系称为呼吸链第三节第三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylation） 指生物氧化过程中释放出的自由能驱动指生物氧化过程中释放出的自由能驱动ADPADP磷磷酸化形成酸化形成ATPATP的过程的过程 生物体合成生物体合成ATPATP的方式：的方式： 底物水平磷酸化底物水平磷酸化

13、 电子传递链的磷酸化电子传递链的磷酸化二者均是生物氧化过程中合成二者均是生物氧化过程中合成ATPATP的方式？的方式？3.1 ATP3.1 ATP的生成方式的生成方式1 1 底物水平磷酸化：底物水平磷酸化： ( (不需不需O O2 2) ) 在底物氧化过程中，形成某些高能中间产在底物氧化过程中，形成某些高能中间产物或某种高能状态，再通过酶的作用使其将物或某种高能状态，再通过酶的作用使其将能量转给能量转给ADPADP生成生成ATPATP的过程。的过程。 2 2 电子传递链的磷酸化：电子传递链的磷酸化： ( (需需O O2 2) ) 电子从电子从NADHNADH或者或者FADHFADH2 2经过电

14、子传递链传经过电子传递链传递给分子氧时，将释放的能量转移给递给分子氧时，将释放的能量转移给ADPADP生生成成ATPATP的方式。的方式。底物水平磷酸化：底物水平磷酸化：3.2 3.2 呼吸链氧化磷酸化的机制呼吸链氧化磷酸化的机制 三种假说： 化学偶联假说 高能共价中间产物 构象偶联假说 高能构象中间产物 化学渗透假说化学渗透假说 19611961，P.MitchellP.Mitchell（1 1）化学偶联假说（）化学偶联假说（19531953年）年） chemical coupling hypothesis chemical coupling hypothesis 认为电子传递反应释放的能量

15、通过认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成一系列连续的化学反应形成高能共价高能共价中间物中间物，最后将其能量转移到，最后将其能量转移到ADPADP中中形成形成ATPATP。 conformational coupling hypothesis conformational coupling hypothesis 认为电子沿电子传递链传递使线粒体内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，形成一膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种种高能构象高能构象，这种高能形式通过，这种高能形式通过ATPATP的合的合成而恢复其原来的构象。成而恢复其原来的构象。 迄今未能

16、分离出这种高能蛋白质。但在迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。是存在的。线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图（3）化学渗透学说）化学渗透学说* 1)递氢体和递电子体间隔排列递氢体和递电子体间隔排列,催化定向催化定向反应反应. 2)递氢体递氢体(复合物复合物I. II.III.)起质子泵作用起质子泵作用,把质子从内膜内侧泵到内膜外侧把质子从内膜内侧泵到内膜外侧. 3)线粒体内膜对质子

17、不透性线粒体内膜对质子不透性,于是内膜两于是内膜两侧形成了侧形成了pH梯度和跨膜电位梯度梯度和跨膜电位梯度.4) 4) pHpH梯度梯度和和跨膜电位梯度跨膜电位梯度合称为合称为质子电化学质子电化学梯度，梯度，是推动是推动ATPATP合成原动力合成原动力. .5)5)强大的质子流通过嵌在线粒体内膜上的强大的质子流通过嵌在线粒体内膜上的 F F1 1- -F F0 0-ATP-ATP合成酶合成酶( (三联体三联体) )进入线粒体基质时进入线粒体基质时, ,释释放的自由能推动放的自由能推动ATPATP的合成的合成. .化学渗透假说成立的条件化学渗透假说成立的条件：线粒体：线粒体内膜的完整内膜的完整性

18、性和和对质子的不透性对质子的不透性化学渗透假说的实验证明化学渗透假说的实验证明氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制化学渗透学化学渗透学说说3.3 3.3 氧化磷酸化的细胞结构基础氧化磷酸化的细胞结构基础 线粒体线粒体组成：外膜、内膜、膜间隙、基质组成：外膜、内膜、膜间隙、基质 主要功能：进行氧化磷酸化，合成主要功能：进行氧化磷酸化，合成ATPATP基粒基粒：内膜和嵴：内膜和嵴的基质面上有许的基质面上有许多排列规则的带多排列规则的带柄的球状小体，柄的球状小体，简称简称ATPATP生成的结构基础生成的结构基础基粒组成：头部基粒组成：头部(F(F1 1) )、柄部、柄部(OSCP)(OSCP)、基部

19、、基部(F(F0 0) )头部头部:F:F1 1, ,含含，五种亚基五种亚基 作用：作用：催化催化ADPADP和和PiPi发生磷酸化，生成发生磷酸化，生成ATP,ATP, 也可水解也可水解ATPATP。基部基部：F F0 0， 作用：作用：具有质子通道的作用，传送质子通具有质子通道的作用，传送质子通 过膜到达过膜到达F F1 1的催化部位的催化部位柄部柄部：连接：连接F F1 1和和F F0 0 作用：作用：控制质子的流动，从而控制控制质子的流动，从而控制ATPATP的生的生成速度成速度F F1 1、OSCPOSCP、F F0 0 统称统称ATPATP合成酶合成酶或或F F1 1FF0 0 复

20、合体复合体或或三联体三联体3.4 ATP3.4 ATP的生成与的生成与P/OP/O的关系的关系 P/OP/O 指一对电子通过呼吸链传递到氧时指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的所产生的ATPATP的分子数的分子数 被传递的电子数目与被甭到膜间隙的被传递的电子数目与被甭到膜间隙的H H+ +之之间有什么数量关系呢间有什么数量关系呢? ? 生成生成ATPATP的数目与被甭到膜间隙的的数目与被甭到膜间隙的H H+ +之间有之间有什么数量关系呢什么数量关系呢? ?2e2e4H4H+ +2H2H+ +4H4H+ + 3H 3H+ + 1ATP 1ATP1H1H+ + 1ATP 1ATP运输运输 NAD

21、HNADH呼吸链完全氧化时：呼吸链完全氧化时： P/O =P/O =？ FADHFADH2 2呼吸链完全氧化时：呼吸链完全氧化时：P/O =P/O =？（4+2+44+2+4）/4=2.5/4=2.5（2+42+4）/4=1.5/4=1.53.5 3.5 影响氧化磷酸化的因素影响氧化磷酸化的因素(1)(1)电子传递抑制剂：电子传递抑制剂：(2)(2)解偶联剂解偶联剂(3)(3)氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂(4). (4). 离子载体抑制剂离子载体抑制剂 (1) (1) 电子传递抑制剂电子传递抑制剂能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的物质称为.(2)(2)解偶联剂解偶联剂 机理机理: :

22、某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度某些化合物能消除跨膜的质子浓度梯度或电位梯度，使或电位梯度，使电子传递与电子传递与ATPATP合成两合成两过程分离过程分离，ATPATP不能合成不能合成（线粒体内膜（线粒体内膜对对H H+ +通透性增加）通透性增加）DNP作用机理图二硝基苯酚二硝基苯酚： 脂溶性，可结合、释放脂溶性，可结合、释放H H+ +细菌、细菌、病毒可产生解偶联剂病毒可产生解偶联剂 解偶联蛋白解偶联蛋白： 位于棕色脂肪组织的线粒位于棕色脂肪组织的线粒体内膜中，为质子通道，体内膜中，为质子通道，H H+ +回流时产热御回流时产热御寒。寒。 应用：应用： 冬眠冬眠解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪

23、组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP (3)(3)氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂机理：机理：抑制氧化磷酸化抑制氧化磷酸化, ,不抑制电子不抑制电子 传递传递. .寡霉素：寡霉素：可与可与ATPATP合酶的寡霉素敏感蛋合酶的寡霉素敏感蛋白白( (柄部柄部) )结合，阻断质子通道。结合，阻断质子通道。（4 4） 离子载体抑制剂离子载体抑制剂 机理机理：线粒体内膜增加了对一价阳：线粒体内膜增加了对一价阳离子离子(除除H+)的通透性，破坏了膜两的通透性，破坏了膜两侧的电位梯度侧的电位梯度3.6 3.6 线粒体穿梭系统线粒体穿梭系统1.1.磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭 部位：肌肉组织、神经细胞部位：肌肉组织、神经细胞2.2.苹果酸苹果酸-