生物氧化与磷酸化

1、关于生物氧化和磷酸化第一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月生物代谢生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）交换过程。合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2和H2O。第二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第一节、生物氧化的方式和特点一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的

2、酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。第三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月1脱氢氧化反应（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。第四张，PPT共六十八页，创作于2022年6月烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢第五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月醛酮脱氢乳酸脱氢酶第六张，PPT共六十八页，创作于2022年6月（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。第七张，PPT共六十八页，创作于2022年6月2氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶能够

3、催化氧分子直接加入到有机分子中。例如， 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。第八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月3生成二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧生成丙酮酸。第九张，PPT共六十八页，创作于2

4、022年6月二、生物氧化的特点1，生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。2，氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4，在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月5，生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6，生物氧化释放的能量，通过与AT

5、P合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。第十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第二节、生物能及其存在形式一、生物能和ATP1. ATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。2. 生物化学反应的自由能变化生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。第十二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月二、高能化合物磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。ATP

6、是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。 第十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 1,磷氧键型（OP)(1)酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔第十四张，PPT共六十八页，创作于2022年6月(1)酰基磷酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第十五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第十六张，PPT共六十八页，创作于2022年6月（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第十七张，PPT共六十八页，创作于2

7、022年6月2, 氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第十八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月3,硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A第十九张，PPT共六十八页，创作于2022年6月4, 甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第二十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第三节、线粒体呼吸链和ATP合成细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所，主要功能是将代谢物脱下的氢通过多种酶及辅酶所组成的传递体系的传递，最终与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢体以及相应的酶催化系统组成的这种代谢途径一般称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，

8、称为呼吸链。一、线粒体呼吸链的组成第二十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月线粒体呼吸链第二十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月线粒体呼吸链第二十四张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。第二十五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。第二十六张，PPT共六十八页，创作于2022年

9、6月铁硫蛋白它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用第二十七张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+

10、 = NAD+ + QH2第二十八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月NADH泛醌还原酶第二十九张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第三十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。第三十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月辅酶-Q的功能Q (醌型结构) 很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，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。第三十二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-c

11、yt. c还原酶, 即复合物III, 它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt. c）的还原。 QH2-cyt. c 还原酶QH2 + 2 cyt. c (Fe3+) = Q + 2 cyt. c (Fe2+) + 2H+ QH2-cyt. c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。第三十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第三十四张，PPT共六十八页，创作于2022年6月细胞色素（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色

12、素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a, b, c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。第三十五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 细胞色素c（cyt.c）它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。第三十六张，PPT共六十八页，创作于2022年6月由于Q

13、H2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH 还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。第三十七张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 细胞色素c氧化酶简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt. a和a3。第三十八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月cyt. a

14、和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt. a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。第三十九张，PPT共六十八页，创作于2022年6月细胞色素c氧化酶第四十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月琥珀酸-Q还原酶琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-cyt, c还原酶、cyt. c和cyt. c氧化酶将电子传递到O2。 第四十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月琥珀酸-Q还原酶

15、也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。第四十二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月二、氧化-还原电势与自由能的变化在生物氧化反应中，氧化与还原总是相互偶联的。一个化合物（还原剂）失去电子，必然伴随另一个化合物(氧化剂）接受电子。在线粒体呼吸链中，推动电子从NADH传递到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大的电势差。(a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0

16、.82 V(b) NAD+ + H+ + 2 e- NADH E0 = -0.322 V 将 (a) 减去 (b)，即得 (c) 式：(c) O2 + NADH + 2H+ H2O + NAD+ E0 = +1.14 VG =-nF E0 =-2 96500 1.14 = -220 kJ / mol第四十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月呼吸链成分的排列顺序 电子从电子亲和力低（氧化能力弱）的电子传递体传向电子亲和力强（氧化能力强）的传递体。测定各电子传递体的标准氧化还原电位值（E0）即可测出其氧化还原能力。E0值越小的电子传递体供电子能力越大，处于电子传递链的前端。第四十四张，PP

17、T共六十八页，创作于2022年6月 琥珀酸 FAD（Fe-S） NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 O2第四十五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链：为体内最常见的一条重要的呼吸链。代谢过程中多种代谢物如苹果酸、乳酸等脱氢时，辅酶NAD+接受氢生成NADH+H+，通过复合体传递给CoQ生成CoQH2，后者把2H中2H+释放于介质中，而将2个电子经复合体（Cytb，Fe-S，Cytc1）、Cytc和复合体，最终交给1/2 O2生成O2-，再与介质中的2H+ 结合生成水。 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2

18、氧化呼吸链）：琥珀酸、脂酰CoA和-磷酸甘油等脱下的氢直接经复合体（FAD，Fe-S，Cytb560）传递给CoQ，形成CoQH2，以后传递与NADH氧化呼吸链相同，最终将2e传递给氧，生成H2O。 第四十六张，PPT共六十八页，创作于2022年6月抗霉素A是由链霉素分离出的抗菌素，有抑制电子从细胞色素b到细胞色素c1的传递作用。 氰化物、硫化氢、叠氮化物、一氧化碳等能阻断电子有细胞色素aa3到氧的传递作用。第四十七张，PPT共六十八页，创作于2022年6月三、电子传递和ATP的合成 NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释

19、能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。第四十八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月（1）ATP酶复合体 线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。第四十九张，PPT共六十八页，创作于2022年6月ATP酶，含有5种不同的亚基（按3、3、1、1 和1 的比例结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换的通道。F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。第五十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月（2）ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酸化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化。

20、根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G -30.5 kJ / mol。 NADH Q Q cytc cytaa3 O2G-55.6kJ/mol -34.7 kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。从琥珀酸 O2只产生2个ATP.第五十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月氧化磷酸化偶联部位 偶联部位有3个：NADHCoQ，CoQCytc及Cytaa3O2 FADH2 NADHFMNCoQCytbCytcCytaa3O2 第五十二张，PPT共六十八页，创作于202

21、2年6月（2）偶联机制化学渗透假说的要点是：a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；第五十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月c. 在膜内外势能差（pH 和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。第五十四张，PPT共六十八页，创作于2022年6月第五十五张，PPT共六十八页，创作于2022年6月P

22、/O比 P/O比是指当一对电子通过氧化呼吸链传至氧所产生的ATP数。NADH 呼吸链 P/O比琥珀酸呼吸链 P/O比如果用铁氰化物作为电子的受体，用抗霉素A作用能够下，走NADH呼吸链P/O比为？用抗坏血酸使电子从细胞色素C进入呼吸链P/O比？2.51.5第五十六张，PPT共六十八页，创作于2022年6月电子传递的抑制剂 能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素；它们的作用是阻断电子由NADH向CoQ 传递。鱼藤酮一种极毒的植物物质，常用作重要的杀虫剂。第五十七张，PPT共六十八页，创作于2022年6月氧化磷酸化的解偶联和抑制解偶联剂氧化磷酸化抑制剂

23、离子载体抑制剂第五十八张，PPT共六十八页，创作于2022年6月解偶联剂：使电子传递和ATP形成两个过程分离。只抑制ATP的形成不抑制电子的传递。原因： 2，4二硝基苯酚在中性条件下是脂不溶性的，在酸性条件下，接受质子形成脂溶性，从而容易地透过膜，同时将一个质子带入膜内。破坏了膜两侧的质子梯度。2，4二硝基苯酚第五十九张，PPT共六十八页，创作于2022年6月影响氧化磷酸化的因素 氧化磷酸化抑制剂：该试剂及抑制氧的利用又抑制ATP的形成。不能直接抑制电子传递。但结果也使电子传递不能进行。寡霉素第六十张，PPT共六十八页，创作于2022年6月 离子载体抑制剂 该类物质是一类脂溶性物质，能与某些离

24、子结合，并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜。与解偶联剂的区别就是该类物质作用的质子以外的一价阳离子载体。如缬氨霉素，结合钾离子穿过膜，破坏其膜的通透性，影响氧化磷酸化。影响氧化磷酸化的因素第六十一张，PPT共六十八页，创作于2022年6月ATP/ADP比在细胞内对电子传递速度起着非常重要的作用。 呼吸控制：ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用。ADP浓度高如何？ADP浓度低如何？氧化磷酸化的调控第六十二张，PPT共六十八页，创作于2022年6月通过线粒体内膜的物质转运 胞液中NADH的氧化线粒体内三羧酸循环和-氧化等氧化途径大量产生的还原当量NADH和FADH2可直接经呼吸链的传递最终被氧化形成H2O，同时产生ATP，而胞液中如糖酵解中3-磷酸甘油醛脱氢等反应可生成少量的NADH，因线粒体内膜对NADH不能自由通透，胞液中生成的NADH必须经过某种转运机制才能进入线粒体，进而由呼吸链氧化成H2O，同时产生ATP。这种转运机制主要有-磷酸甘油穿梭作用和苹果酸-天冬氨酸穿梭作用。第六十三张，PPT共六十八页，创作于2022年6月-磷酸甘油穿梭作用：胞液NADH中的一对氢原子通过胞液中磷酸甘油脱氢酶（辅酶为N