生物氧化微课市公开课获奖课件

1、第七章 生物氧化刘新文北京大学医学部生化系Biological Oxidation第1页第1页维持生命活动能量，主要有两个起源：光能（太阳能）：植物和一些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储化学能释放出来，并转变成生物能。有机物质在生物体内氧化作用，称为生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。在整个生物氧化过程中，有机物质最后被氧化成CO2和水，并释放出能量。第2页第2页第一节 生物氧化方式和特点一、生物氧化方式1、脱电子 2、脱氢 3、加氧生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下

2、分步进行。每一步反应，都由特定酶催化。在生物氧化过程中，主要包括下列几种氧化方式。第3页第3页1脱氢氧化反应（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有主要地位。它是许多有机物质生物氧化主要环节。催化脱氢反应是各种类型脱氢酶。第4页第4页烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢第5页第5页醛酮脱氢乳酸脱氢酶第6页第6页（2）加水脱氢酶催化醛氧化成酸反应即属于这一类。第7页第7页2氧直接参与氧化反应这类反应包括：加氧酶催化加氧反应和氧化酶催化生成水反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。比如： 【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

3、体氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化。第8页第8页3生成二氧化碳氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢中间产物羧酸在脱羧酶催化下，直接从分子中脱去羧基。比如丙酮酸脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系催化下，在脱羧同时，也发生氧化（脱氢）作用。比如苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸。第9页第9页二、生物氧化特点1、生物氧化是在生物细胞内进行酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。2、氧化进行过程中，必定伴随生物还原反应发生。3、水是许多生物氧化反应氧供体。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

4、氧化和氢氧化是非同时进行。氧化过程中脱下来氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第10页第10页5、生物氧化是一个分步进行过程。每一步都由特殊酶催化，每一步反应产物都能够分离出来。这种逐步进行反应模式有助于在温和条件下释放能量，提升能量利用率。6、生物氧化释放能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用生物能ATP。7、进行生物氧化反应部位（1）线粒体 （2）内质网、微粒体、过氧化酶体等8、生理意义：供应机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。第11页第11页第二节 生物能及其存在形式一、生物能和ATP1. ATP是生物能存在主要形式ATP是能够被生物细胞

5、直接利用能量形式。2. 生物化学反应自由能改变生物化学反应与普通化学反应同样,也服从热力学规律。第12页第12页二、高能化合物磷酸酯类化合物在生物体能量转换过程中起者主要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。普通将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）化合物称为高能化合物。ATP是生物细胞中最主要高能磷酸酯类化合物。依据生物体内高能化合物键特性能够把他们分成下列几种类型。 第13页第13页 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14页第14页(1)酰基磷

6、酸化合物氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第15页第15页（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第16页第16页（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔第17页第17页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作用。第18页第18页3、硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A第19页第19页4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸第20页第20页第三节 线粒体呼吸链和ATP合成细胞内线粒体是生物氧化主要场合，主要功效是将代谢物脱下氢通过各种酶及辅酶所构成传递体系传递，最后与氧结合生成水。由供氢体、传递体、受氢

7、体以及相应酶催化系统构成这种代谢路径普通称为生物氧化还原链，当受氢体是氧时，称为呼吸链。由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按一定顺序排列构成连锁反应体系称为电子传递链。它与细胞摄取氧呼吸过程相关，故又称呼吸链（electron transfer chain）一、线粒体呼吸链构成第21页第21页第22页第22页线粒体呼吸链第23页第23页线粒体呼吸链第24页第24页（一）呼吸链主要成份1、NAD+和NADP为辅酶脱氢酶 【构成成份】 酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）核糖、磷酸与AMP。 【作用】辅酶接受代谢物脱下2H，传递给黄素蛋白。第25页第25页NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受各种代谢产物脱氢

8、得到产物。NADH所携带高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。第26页第26页第27页第27页2、铁硫蛋白（iron-sulfur protein,Fe-S） 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【构成成份】含等量铁原子和硫原子（ Fe2 S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白半胱氨酸相连【作用】将FMN或FAD中电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递第28页第28页铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一个与电子传递相关蛋白质，它与NADHQ还原酶其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。第29页第29页铁硫蛋白它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼无机

9、硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 改变起传递电子作用第30页第30页 NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，它作用是催化NADH氧化脱氢以及Q还原。因此它既是一个脱氢酶，也是一个还原酶。 NADHQ还原酶至少含有16个多肽亚基。它活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN作用是接受脱氢酶脱下来电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2能够进一步将电子转移给Q。 NADHQ还原酶 NADH + Q + H+ = NAD+ + QH2第31页第31页NADH泛醌还原酶第32页第32页第33页第33页3、泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一

10、非蛋白电子载体。为一个脂溶性醌类化合物。第34页第34页辅酶-Q功效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传递体。第35页第35页 泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-cyt. c还原酶, 即复合物III, 它是线粒体内膜上一个跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2氧化和细胞色素c（cyt. c）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个多肽亚基构成。活性部分主要包括

11、细胞色素b（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。第36页第36页第37页第37页4、细胞色素（简写为cyt. ）是含铁电子传递体，辅基为铁卟啉衍生物，铁原子处于卟啉环中心，组成血红素。各种细胞色素辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a, b, c 和c1等，组成它们辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a, b, c能够经过它们紫外-可见吸取光谱来判别。 细胞色素主要是经过Fe3+ Fe2+ 互变起传递电子作用。第38页第38页细胞色素c（cyt.c）它是电子传递链中一个独立蛋白质电子载体，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含有相同辅基

12、，不过蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c经过Fe3+ Fe2+ 互变起电子传递中间体作用。第39页第39页由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，因此，实际反应情况比较复杂。QH2所携带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能够将QH 还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中一个电子传递给cyt.c。第40页第40页 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蛋白复合物，由12个多肽亚基构成。活性部分主要

13、包括cyt a和a3。第41页第41页cyt a和a3构成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt aa3能够直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中铜离子能够发生Cu+ Cu2+ 互变，将cyt.c所携带电子传递给O2。第42页第42页细胞色素c氧化酶第43页第43页5、黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）【构成成份】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（Vit B2）、磷酸、AMP构成。 【作用】进行可逆脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪第1、10位N上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下H传入呼吸链。第44页

14、第44页异咯嗪结构第45页第45页琥珀酸-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46页第46页琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上蛋白复合物, 它比NADH-Q还原酶结构简朴，由4个不同多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cyt b560和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶作用是催化琥珀酸脱氢氧化和Q还原。第47页第47页（二）体内主要呼吸链1、NADH氧化呼吸链 【构成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和

15、细胞色素。 2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【构成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素【差别】脱下2H不通过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同.第48页第48页NADHFP(FMN)UQCyt bCyt C1Cyt cCyt aa3O2 (Fe-S) FP(FAD-Fe-S) 第49页第49页第50页第50页线粒体呼吸链第51页第51页二、氧化-还原电势与自由能改变在生物氧化反应中，氧化与还原总是互相偶联。一个化合物（还原剂）失去电子，必定伴随另一个化合物(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力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/

16、2 O2 / H2O两个半反应之间存在很大电势差。(a) O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E0 = +0.82 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52页第52页三、电子传递和ATP合成作用物水平磷酸化（substrate level phoaphorylation）：高能化合物在进行反应过程中，将能量转给ADP生成ATP。第53

17、页第53页 NADH或琥珀酸所携带高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2过程中，释放出大量能量。这种高能电子传递过程释能反应与ADP和磷酸合成ATP需能反应相偶联，是ATP形成基本机制。代谢物氧化脱氢经呼吸 链传递给氧生成水同时，伴有ADP磷酸化生成ATP过程为氧化磷酸化，因氧化反应与ADP磷酸化反应偶联发生，有称偶联磷酸化。 此为体内生成ATP主要方式。第54页第54页1、ATP酶复合体 线粒体内膜表面有一层规则地间格排列着球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成场合。第55页第55页ATP酶，含有5种不同亚基（按3、3、1、1 和1 百分比结合）。OSCP为一个蛋白，是能量转换通道。F0为一

18、个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接部位。第56页第56页2、ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化释能反应与ADP磷酰化反应偶联合成ATP过程，称为氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation ）。依据氧化-还原电势与自由能改变关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应G -30.5 kJ / mol。 FMNH2 Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2G -55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与ADP磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链偶联部位。第57页第57页P/O:物质氧化时，每消耗1摩尔氧

19、原子所消耗无机磷摩尔数，即生成ATP摩尔数。NADH氧化呼吸链生成3个ATP/传递1对电子（P/O=3）。从琥珀酸 O2只产生2个ATP（P/O=2）.解偶联：有代谢物氧化过程，不伴有ADP磷酸化过程为氧化磷酸化解偶联。第58页第58页（2）偶联机制化学渗入假说要点是：a. 线粒体内膜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能量，用于驱动膜内侧H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透）。这样，在膜内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；第59页第59页c. 在膜内外势能差（pH 和）驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶构成部分）

20、，跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。第60页第60页第61页第61页（1）氧化磷酸化调整 a.ADP和ATP调整：正常生理条件下，ADP是氧化磷酸化主要调整者， ADP则氧化磷酸化。b.甲状腺激素：它诱导Na+,K+-ATP酶生成使ATP分解,因ADP造成氧化。它还使解偶联蛋白基因表示和耗氧，产热。（2）线粒体DNA突变mtDNA突变率是核内DNA10-20倍，如突变发生在氧化磷酸化基因上，将使ATP生成,造成疾病。3、影响氧化磷酸化原因第62页第62页（3）克制剂呼吸链克制剂【作用】阻断呼吸链中一些部位电子传递，造成生命活动停止,引起死亡。 例1鱼藤酮、

21、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等:克制复合物IFe-S蛋白。 例2抗霉素A、二巯基丙醇:克制CytbCytc1(复合物)电子传递。例3CO、CN-、N3及H2S等:克制Cyt aa3（复合物）。第63页第63页解偶联剂（uncoupler）【作用】使氧化磷酸化脱离 例1二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:脂溶性物质，自由通过内膜，将H+带入基质,破坏了H+梯度. 例2解偶联蛋白:人体棕色脂肪组织中含大量线粒体，其内膜中含解偶联蛋白，它转运H+，释放热量，维持体温。（骨骼肌，心肌） 氧化磷酸化克制剂【作用】对电子传递和ADP磷酸化都有克制。例寡霉素:与ATP合酶F0部位结合，破坏H+回流，

22、影响呼吸链质子泵功效，克制电子传递。 第64页第64页 线粒体基质与胞液之间有内、外膜相隔，外膜通透性高，内膜依赖其膜上转运载体完毕转运。（一）胞液中NADH氧化 胞液中生成NADH不能自由通过线粒体内膜转运胞液NADH机制主要有：苹果酸-天冬氨酸穿梭和-磷酸甘油穿梭作用。 四、线粒体内膜物质转运第65页第65页第66页第66页第67页第67页-磷酸甘油穿梭（glycerol- -phosphate shuttle） 部位脑、骨骼肌 催化酶磷酸甘油脱氢酶（FAD）能量生成经呼吸链生成2个ATP，在脑与骨骼肌组织中，1分子葡萄糖彻底氧化生成36分子ATP2.苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle） 部位肝、心肌 催化酶苹果酸脱氢酶（NAD+）、谷草转氨酶能量生成经呼吸链生成