生物氧化的概念与特点.课件

1、Chap 6 Cellular Respiration第一节 生物氧化的概念与特点第二节 生物氧化与生物能(自学)第三节 生物氧化体系（重点）第四节 氧化磷酸化作用（重点）第一节 生物氧化的概念与特点一、生物氧化的概念 糖、脂肪、氨基酸等营养物质，在活细胞内进行一系列的氧化分解，最终生成H2O和CO2、释出能量的过程，称为生物氧化第一节 生物氧化的概念与特点生物氧化（biological oxidation）又称细胞氧化或细胞呼吸，指的是有机物质在生物体内所进行的氧化作用。生物氧化在化养生物的能量获取过程中具有决定性的作用，营养物分子中的化学能是在分解代谢的不同阶段被逐步地释放出来的，这些化学

2、键能的释放几乎都是通过氧化还原反应来完成的。 第一节 生物氧化的概念与特点体外燃烧 有机物+ 02 高 温 H2O + CO2 + 能量 生物氧化 有机物 酶 促 脱羧 （CO2） 代谢物MH2 电子传递体 O2 H+ O2- H2O 逐步释能 电子传递体 呼吸链 生物氧化中的CO2的生成绝大部分有机物生物氧化中的CO2生成是经 ？中的脱羧作用产生的。答：三羧酸循环其他一些CO2产生途径如糖异生草酰乙酸 + GTP 磷酸烯醇式丙酮酸 +GDP + CO2氨基酸脱羧脱羧酶第一节 生物氧化的概念与特点 二、生物氧化的特点生物氧化是在细胞温和的条件下，经历许多复杂的酶促反应历程而逐步完成的。生物氧化

3、中的能量也是逐步释放出来的。这些被释放出来的能量一部分转变成热能，一部分用来推动ATP分子中高能磷酸键的形成。二、生物氧化的特点进行生物氧化的代谢物分子大多是有机物，它们在氧化时除了失去电子外，还要失去质子，一个电子和一个质子相当于一个氢原子。所以生物氧化反应往往也是脱氢反应。并且，生物体中的氧化还原反应总是同时包含两个电子的转移。生物氧化过程还受到生物体的精确调节，这种调节控制着生物氧化的速率能正好满足生物体对ATP的需要。 第一节 生物氧化的概念与特点三、有氧氧化和无氧氧化 生物氧化并非仅在有氧条件下发生，无氧条件下也能进行。需氧生物和兼性生物在有氧条件下，以氧作为最终电子受体所进行的氧化

4、作用，叫有氧氧化（aerobic oxidation）。 专性厌氧生物和兼性生物在缺氧条件下，最终电子受体不是氧，电子交给了营养物分解代谢过程产生的某种有机分子，或者某些外源性电子受体，如硝酸盐、亚硝酸盐等。这种不需要氧参加的生物氧化过程叫无氧氧化（anaerobic oxidation）。 第二节 生物氧化与生物能一、氧化还原电位 标准氧化还原电位非标准状态下的氧化还原电位二、氧化还原电位与自由能一、氧化还原电位对于任意一个氧化还原反应，如：我们可以将其分成两部分：任意一种可氧化（或可还原）物质的氧化型和还原型（氧化型+e/还原型）称为一个氧化还原对或半电池。 标准氧化还原电位 标准生物学状

5、态下（25oC，1atm，1M，pH=7），半电池的氧化态物质接受电子的能力表示为标准氧化还原电位（Eo）。为使Eo有确定的数值，规定在标准状态下（pH=0，H2气的分压为1个大气压）时，2H+/H2的氧化还原电位：Eo =0.00V。任意一个半电池的标准氧化还原电位（Eo）可利用标准氢半电池（2H+/H2）作为参比电极测定出来 由于不同底物具有不同的氧化还原能力，就会产生不同的电流，其方向或正或负。如果电流流向样品半电池，表明H+H2对失去电子，发生氧化反应，同时，样品半电池中发生还原作用，该氧化还原对定为正值；相反，如果电流从样品半电池流出，该氧化还原对的还原电位规定为负值，这时样品半电池

6、中发生的是氧化作用。还原电位的数值是在实验开始时从电位计读出的伏特数。 还原型氧化型E0（V）n丙酮酸乙酸+CO2-0.702-酮戊二酸琥珀酸+ CO2-0.672乙醛乙酸-0.5823-磷酸甘油醛3-磷酸甘油酸-0.552异柠檬酸-酮戊二酸-0.382NADH + H+HAD+-0.3223-磷酸甘油醛 + Pi1,3-二磷酸甘油酸-0.292乙醇乙醛-0.1972乳酸丙酮酸-0.1852FADH2FAD-0.182苹果酸草酰乙酸-0.1662琥珀酸延胡索酸-0.0312细胞色素b（Fe2+）细胞色素b（Fe3+）+0.061泛醌（还原型）泛醌（氧化型）+0.102细胞色素c（Fe2+）细胞

7、色素c（Fe3+）+0.221细胞色素a（Fe2+）细胞色素a（Fe3+）+0.291H2H+0.4212Fe2+Fe3+0.771H2OO2+0.8162一些生物学上常见的氧化还原对的标准半电池电位 非标准状态下的氧化还原电位在非标准条件下实际的氧化还原电位（E）可用Nernst方程计算： 其中，R为气体常数（8.314 Jmol K）T为绝对温度n为每分子转移的电子数F为法拉第常数（96.485 k JV mol）。因此：在250C，n2时：2.303RTnF 项值为0.03。 二、氧化还原电位与自由能氧化还原反应的标准自由能（free energy）变化（G0）与两个半反应的氧化还原电位

8、之间差值（ E0）成线性关系：标准状态下：G0- nF E0 - nF（E0受体- E0供体） 非标准状态下： G = - nFEG0：氧化还原反应的标准自由能变化 n：反应中每分子反应物的电子传递数目F：法拉第常数（23.062 kcal/mol V） E0：两个氧化还原对之间标准氧化还原电位差值 第三节 生物氧化体系一、生物氧化体系的类型 不需传递体的生物氧化体系 代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶催化进行的脱氢反应属于这种类型。 一、生物氧化体系的类型 需传递体的生物氧化体系 这是生物体内的主要氧化体系，由不需氧脱氢酶和多个电子传递体组成。可以分成两个阶段：第一阶段是在一些分解代谢的途径中，代谢

9、中间物发生氧化，将电子传递给某种辅酶（NAD+、FAD或NADP+）。第二阶段是还原后的辅酶（NADH或FADH2）被重新氧化。 第三节 生物氧化体系二、呼吸链1. 呼吸链的概念有机物在生物氧化过程中脱下的氢原子（2H+2e）通过多种酶和辅酶组成的连续反应，逐步传递给氧结合生成水.这种由递氢体和电子传递体按一定顺序排列构成的并与细胞利用氧密切相关的连锁反应称为呼吸链或电子传递链。第三节 生物氧化体系2. 呼吸链的组成 组成呼吸链的电子传递体包括 四种蛋白质复合体（NADH脱氢酶、琥珀酸 脱氢酶、辅酶QH2-细胞色素c氧化还原酶和细胞色素c氧化酶）、 一个单体蛋白（细胞色素c） 一个有机物分子（

10、辅酶Q）外膜小分子物质、离子可自由通过内膜大多数小分子、离子不能通过电子传递体、ATP合成酶位于其中ATP合成酶嵴基质核糖体外膜通道膜间空隙线粒体结构示意图呼吸链位置Anatomy of the MitochondriaFigure 18.3The inner membrane appears to be invaginated forming folds termed cristae, increasing the surface area. The space inside the inner membrane, the matrix, contains the enzymes of th

11、e TCA cycle with the exception of succinate dehydrogenase, which is bound to the inner membrane, and enzymes for fatty acid oxidation. In addition mtDNA, ribosomes, and proteins necessary for transcription of mtDNA and translation of mRNA are located in the matrix. 呼吸链The oxidation of NADH/H+ to NAD

12、+ and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step. Rather, it is coupled through a series of oxidation-reduction cycles that are mediated by multiprotein complexes located in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respiratory chain. This consists of a series o

13、f sequentially acting electron carriers, most of which are integral proteins with prosthetic groups capable of accepting and donating either one or two electrons. Oxidative phosphorylation an overviewThe oxidation of NADH/H+ to NAD+ and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step. Rat

14、her, it is coupled through a series of oxidation-reduction cycles that are mediated by multiprotein complexes located in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respiratory chain. This consists of a series of sequentially acting electron carriers, most of which are integral p

15、roteins with prosthetic groups capable of accepting and donating either one or two electrons. Oxidative phosphorylation an overviewThe oxidation of NADH/H+ to NAD+ and the reduction of O2 to H2O does not occur in a single step. Rather, it is coupled through a series of oxidation-reduction cycles tha

16、t are mediated by multiprotein complexes located in the inner membrane of the mitochondria called the mitochondrial respiratory chain. This consists of a series of sequentially acting electron carriers, most of which are integral proteins with prosthetic groups 辅基 capable of accepting and donating e

17、ither one or two electrons. Oxidative phosphorylation an overviewATPOxidative phosphorylation an overviewTwo pathway, how to pass, site of component.驿站送信传递体分子量亚基数辅基NADH脱氢酶（复合体）850,00042FMN，Fe-S琥珀酸脱氢酶（复合体）140,0004FAD，Fe-S辅酶Q （可移动成分）862辅酶QH2-细胞色素c氧化还原酶（复合体）250,00011血红素，Fe-S细胞色素c (可移动成分)13,0001血红素细胞色素c

18、氧化酶（复合体）204,00013血红素，Cu电子传递体的种类递氢体递电子体位于线粒体内膜上的电子传递体琥珀酸 延胡索酸电流通过的结果：电能转变为H势能3. 电子传递的顺序细胞中存在有两种电子传递链：NADH传递链FADH2传递链电子传递的顺序NADH传递链NADH传递链负责传递以NAD为辅酶的不需氧脱氢酶氧化底物所得来的电子。从NADH至O2的整个电子传递过程涉及到三个连续的膜结合传递体（复合体、， ）两个可移动的成分： 脂溶性的辅酶Q， 水溶性的细胞色素c电子传递的顺序是： 代谢物NADH复合体辅酶Q复合体细胞色素c复合体氧电子传递的顺序FADH2传递链FAD传递链负责传递以FAD为辅基的

19、不需氧脱氢酶（琥珀酸脱氢酶是其代表）氧化底物所得来的电子。电子从FADH2到分子氧的传递顺序是： 代谢物复合体（FADH2）辅酶Q复合体细胞色素c复合体氧两条传递链的后半部分（辅酶Q氧）是相同的。 呼吸链的组成 尼克酰胺核苷酸： 辅酶I 和 辅酶II 黄素蛋白或黄素酶： FMN 和 FAD 铁硫蛋白（Fe-S） 泛醌（辅酶Q） 细胞色素（Cyt） 复合体 、 NADH- C0Q还原酶（NADH脱氢酶） 复合物 黄素蛋白（FMN为辅基） 铁-硫蛋白 NAD+（NADP+） H-O-NH2N+ H + H+ + - 2HR-O-NH2H HN+H+RNAD+（NADP+）NADH（NADPH）(1

20、) NAD+，NADP+（辅酶I和辅酶II）（2）黄素蛋白（FP） （以FMN、FAD为辅基）FMN： NADH脱氢酶的辅酶FAD： 琥珀酸脱氢酶的辅酶NNNNHORH3CH3CONNNNHORH3CH3COHH+2H-2H还原型FMN或FAD氧化型FMN或FADFMN或FAD的作用机理（递氢体，递电子体） （3）铁硫蛋白 （ Fe-S） 主要形式 ：Fe2S2 、 Fe4S4 Fe3+ Fe2+递电子体+e- e铁硫蛋白结构 （a）Fe-Cys (b) 2Fe-2S (c) 4Fe-4S Iron-Sulfur (Fe-S) Proteins Figure 18.13铁硫蛋白结构 （a）Fe

21、-Cys (b) 2Fe-2S (c) 4Fe-4S 2Fe-2S center of ferredoxin 、 琥珀酸-C0Q还原酶复合物 黄素蛋白（FAD为辅基） 铁-硫蛋白 泛醌（辅酶Q） 脂溶性，能在线粒体内膜迅速扩散， 反应中心是苯醌的结构 泛醌 （COQ） O OH CH3O CH3 2H+2e CH3O R O OH 醌式（氧化型） 氢醌（还原型） 、 辅酶Q CytC 还原酶复合物 （Fe-S蛋白、细胞色素b及c1） 细胞色素（Cyt） 辅基：铁卟啉 Cyta、a3、b、c、c1、b5和P450 Cytc Fe3+ Fe2+e- eCytochromes: Electron c

22、arriersCytochromes:Figure 19-3、 细胞色素氧化酶 （细胞色素a、a3及以Cu2+为辅基的 酶） Cytaa3 Cu2+ Cu+ 1/2O2 O2- + H+ H2O+e- e+e- eElectron Carrier Complexes of theElectron TransportChain FADH2Figure 18.9 (二)呼吸链复合体的排列顺序第四节 氧化磷酸化作用一、电子传递过程自由能的变化 二、氧化磷酸化作用的偶联机制 化学偶联学说 化学渗透偶联学说 三、ATP合成酶四、P/O比值 五、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联 一、电子传递过程自由能的变化电

23、子传递的顺序基本上是按照标准氧化还原电位由低到高的顺序排列的 。从NADH（-0.32V）到O2（+0.816V）的 E0=1.14V，相当于G0-nF E0 -2（23.062kcal/mol V）（1.14V）= -52.58 kcal/mol；从FADH2（-0.18）到O2（+0.816V）的 E0=1.00V，相当于G0-nF E0 -2（23.062kcal/mol V）（1.00V）= -46.12 kcal/mol。而ADP和Pi生成ATP的G0+7.3 kcal/mol说明电子传递所释放的自由能足以推动ATP的合成。 Eo -0.32 NADH -0.12 复合体 I NAD

24、H-CoQ 还原酶 复合体 II +0.04 Q 琥珀酸 琥珀酸-CoQ 还原酶 +0.07 复合体III CoQ-细胞色素 c 还原酶 +0.22 +0.25 c +0.29 复合体 IV 细胞色素 c 氧化酶 +0.82 O2FMNFe-SnFe-S FADbFe-Sc1aa3Cu2+二、氧化磷酸化作用的偶联机制化学偶联学说由E.C.Slater在1953年首先提出，按照这一假说，氧化磷酸化作用和呼吸链之间通过高能中间物（其中包括有高能磷酸化中间物）偶联起来。化学偶联学说曾经得到过普遍的支持，许多支持者还开展了寻找高能中间物的工作，但经过多年的努力，这种中间物始终未能得到。后来Slater

25、本人也承认化学偶联假说“几乎肯定是不正确的”。 二、氧化磷酸化作用的偶联机制化学渗透偶联学说一个全新的学说在1961年被英国生物化学家Peter Mitchell提出。这一假说一提出来就遭到了强烈的反对，因为它偏离了生物力能学的基本观念，但是后来大量积累的事实证明这一假说是正确的。这一学说不仅解释了氧化磷酸化和电子传递的偶联机制，而且极大地影响着我们认识生物体系中能量转化过程的思维方式。Mitchell也因此在1978年赢得了Nobel化学奖。 化学渗透偶联学说按照化学渗透偶联学说的假定，电子传递和氧化磷酸化作用是通过质子浓度梯度偶联起来的。电子在呼吸链中的传递伴随着质子从线粒体基质中的泵出，

26、结果造成线粒体内膜两侧质子浓度的差别（质子浓度梯度），基质中质子的浓度低于膜外侧质子的浓度，同时产生一种膜电势，膜外侧为正。这样一种电化学状态储存了电子传递过程所释放的部分自由能，形成由膜外到膜内的质子迁移力（proton-motive force）。随后，膜外侧的质子通过特殊的通道返回基质，并推动ATP的合成。 Chemiosmotic HypothesisFigure 18.25化学渗透偶联学说的正确性被许多实验事实所证明：实验测得当进行电子传递时线粒体外的质子浓度的确升高。每对电子通过复合体和复合体时，分别有四个质子从基质中泵出；通过复合体时有两个质子从基质中泵出。所以，处于正常状态下的

27、线粒体，每对电子从NADH通过呼吸链传递到氧时有十个质子（4*2+2）被泵出；每对电子从FADH2传递到氧时有六个质子从基质中泵出。 （4+2）许多实验事实证明化学渗透偶联学说的正确性：破损的线粒体内膜（例如，当将线粒体置于高渗的溶液中时，由于溶胀作用线粒体内膜遭到破坏）能够继续进行电子的传递，但不再有ATP的合成。当人为地将一质子浓度梯度强加于线粒体或叶绿体时，在没有电子传递的情况下也有ATP的合成。 这一结果是在1966年由A，Jagendorf在叶绿体上首先证实的。由于在叶绿体上的pH梯度正好与线粒体上的相反，类囊体盘里面质子浓度比膜外要高。Jagendorf首先把叶绿体保持在pH4中几

28、个小时，使类囊体盘内容物在这种pH中达到平衡，然后突然地将叶绿体转移至pH8的缓冲液中，从而诱发出跨类囊体膜的暂时pH梯度。结果使类囊体盘外基质的碱性大于盘里。在加入ADP和无机磷时就观察到ATP突发性合成，pH梯度随之消失。同样的结果在线粒体中也观察到。 能够破坏质子浓度梯度的物质（如2,4二硝基苯酚，能够携带质子穿过线粒体内膜）使氧化磷酸化和电子传递解偶联。 Oxidative PhosphorylationFigure 18.2三、ATP合成酶ATP合成酶（又叫FoF1ATP合成酶或FoF1ATPase）的研究开始于1960年，通过电子显微镜观察到在线粒体内膜上有大量直径约为85nm的“

29、球形把手”状突出物，在细菌细胞的质膜内表面也能看到相同的结构。ERacker发现机械搅动能使“球形把手”状突出物从亚线粒体膜上脱落，而脱落后的膜仍能进行电子传递但不能再合成ATP。当将突出物放回到脱落颗粒上时，ATP合成能力又被恢复，这有力地说明了这种突出物和ATP的合成有关。ATP合成酶结构示意图进一步的研究表明ATP合成酶有两部分组成：“球形把手”的球形部分具有ATP酶活性，叫F1，另外一部分叫F0。F1部分是含有九个亚基的聚合物，其中包括五种不同的亚基（33），三个亚基和三个亚基交替排列形成的六聚体坐落在“棒状”的亚基的头上； F0部分是质子的通道，含有三种类型的亚基（ab2c10-12

30、）。每一个c亚基形成两个穿过膜的螺旋，1012个c亚基在膜的平面上形成一个环。亚基牢固地固定在c亚基所形成的环上。 ATP合成酶的功能是奇特的，正像Boyer所说：“所有的酶都是美丽的，但ATP合成酶是最美丽的、同时也是最不寻常和最重要的酶之一。” Boyer对ATP合成酶的赞美是有理由的：首先，ATP合成酶是自然界中存在最普遍和最丰富的蛋白质之一，其次，ATP合成酶的作用方式非常特别：它像一个微型马达，在质子通过Fo时能引起部分亚基（c和）的转动，由于亚基的不对称性，它的转动引起亚基构象的改变。亚基的转动是不连续的，每一次转动1200，使得三个亚基依次在三种构象之间转变。亚基的三种构象形式具

31、有不同的结合核苷酸能力：一种构象形式（DP）结合ADP和Pi，另一种构象形式（TP）结合ATP，第三种构象形式（E）不与核苷酸结合。 这种结合变化机制（binding change mechanism）的假说是Paul Boyer在1977年提出的，十多年后，John Walker对这种假说进行了验证。两人因此共同获得了1997年的Nobel化学奖。ATP的生成 1.底物水平磷酸化高能化合物将所含的高能键中的能量直接传给ADP，使之磷酸化为ATP与电子传递，O2是否参加反应无关，只需高能底物存在常伴随无氧氧化出现只获得部分能量 3-磷酸甘油激酶1，3-二磷酸甘油酸+ADP 3-磷酸甘油酸+ A

32、TP 丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸 + ATP 琥珀酰CoA硫激酶 琥珀酰CoA 琥珀酸+CoASH GDP+Pi GTP ATP ADP+Pi 2.氧化磷酸化 代谢物脱下的氢经电子传递链传递给O2生成H2O的过程中逐步释放能量,使ADP磷酸化生成ATP,这种氧化与磷酸化的偶联过程称为氧化磷酸化。 OA-2H A+ H2O能ADP+Pi ATP四、P/O比值 P/O比值用来表示呼吸作用中每利用1个氧原子所生成ATP的分子数。由于每个氧原子可以接受2个电子，P/O比值相当于1对电子从还原型辅酶（或其他电子供体）经过呼吸链传递到氧时合成ATP的分子数。近年来的实验表明，以NADH作为电子供体时，P/O比值为2.5；以FADH2作为电子供体时P/O比值为1.5。一对电子从NADH传递到氧的过程中共有10个H从线粒体基质中泵出： 其中，在复合体的位置泵出4个，复合体的位置泵出4