第四章-生物氧化公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

第四章第1页第1页物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最后身成CO2和H2O过程。ADP+Pi热能糖CO2和H2O

O2能量ATP脂肪蛋白质另外尚有以体内代谢物、药物及毒物等非营养性物质清除、排泄相关非线粒体氧化体系。第2页第2页*生物氧化普通过程第3页第3页线粒体是细胞内动力站，主要功效是进行氧化硫酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供能量。第一节概述一、线粒体结构第4页第4页一、线粒体结构线粒体由内膜、外膜、膜间隙、基质构成。内膜把膜间隙与基质分开，内膜向基质折叠形成嵴。嵴上有许多带柄球状小体，称为基质颗粒。第5页第5页基粒由头部、柄部和基部构成，也称为三联体或ATP酶复合体。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε由亲水部分

F1(α3β3γδε亚基）、疏水部分F0（a1b2c9～12亚基）以及连接F1/F0柄部蛋白构成。第6页第6页F1（偶联因子）中还含有F1克制蛋白，预防ATP无效水解。F1主要功效是催化ADP和Pi发生磷酸化而生成ATP，同时有水解ATP功效，因此又称为F1-ATP酶。F0含有质子通道功效，可传递质子通过膜到达催化部位。柄部蛋白含寡霉素敏感蛋白（OSCP），控制质子流动速率。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε第7页第7页二、生物氧化方式与特点(一)生物氧化方式生物氧化与物质在体外氧化方式在化学本质上是相同，生物氧化方式有加氧、脱氢加水脱氢和失电子反应。第8页第8页A、生物氧化过程中CO2生成人体内CO2生成起源于有机酸脱羧反应。依据脱去羧基在有机酸分子中位置不同，分为α-脱羧和β-脱羧两种；又依据脱羧是否伴有氧化，可分为单纯脱羧和氧化脱羧两种类型。(一)α-单纯脱羧胺α-氨基酸2CO+2R-CHNH2氨基酸脱羧酶α2NHR-CH-COOH第9页第9页(二)α-氧化脱羧(三)β-单纯脱羧(四)β-氧化脱羧

+CO2CHOH-COOHCH-COOHCH2-COOHαβ异柠檬酸CH2-COOHCH2CO-COOHα-酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶+NADH+H+NAD丙酮酸草酰乙酸CO2+CH3COCOOH丙酮酸羧化酶αβCOCOOHHCH2-COO乙酰辅酶A+CO2SCoA~CH3COHSCoA+丙酮酸αCH3COCOOH丙酮酸脱氢酶系+NADH+H+NAD第10页第10页

乳酸丙酮酸CH3CH(OH)COOHCH3COCOOH+2HFe2+Fe3++eRCHO+1/2O2RCOOH

醛酸CH3CHOCH3COOHCH3CHOHOH+H2O-2H4.加水脱氢3.失电子反应2.脱氢反应1.加氧反应B、生物氧化中物质氧化方式第11页第11页(二)生物氧化特点为细胞内恒定条件下酶促反应逐步进行，能量逐步释放，生成ATP。加水脱氢反应使物质间接取得氧，脱下氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化体外氧化为不恒定条件下非酶促反应，能量以热能形式忽然释放。产生CO2、H2O由物质中碳和氢直接与氧结合生成。氧化方式均为加氧、脱氢、失电子。耗氧、释放能量、终产物（CO2，H2O）均相同。不同点相同点第12页第12页第13页第13页二、生物氧化酶类(一)氧化酶类细胞色素氧化酶、抗坏血酸氧化酶等属于这类酶，该类酶亚基常含有铁、铜等金属离子。2H+H2OSH2+2e2Cu2+O2-S2Cu+1/2O2SH2:底物S:产物2H+H2OSH2+2Cu2+O2-S2Cu+1/2O22e第14页第14页(二)需氧脱氢酶类(三)不需氧脱氢酶类乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等

。

L-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶等属于这类酶。

2HH2O2SH2SO2FMN

或FADFMNH2

或FADH22HSH2SFMN(或FAD)FMNH2(或FADH2)SH2SNAD+(NADP+)NADH+H+(NADPH+H+)第15页第15页第二节呼吸链与氧化磷酸化

代谢物脱下成对氢原子（2H）通过各种酶和辅酶所催化连锁反应逐步传递，最后与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、什么是呼吸链(respiratorychainandoxidativephosphorylation

)第16页第16页线粒体内膜上一组排列有序递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成功效单位，也称电子传递链(electrontransportchain)。第17页第17页四种含有传递氢和电子功效酶复合体。泛醌和Cytc均不包括在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941113复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶NADH-泛醌还原酶琥珀酸-泛醌还原酶泛醌-细胞色素还原酶FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu第18页第18页线粒体呼吸链复合体FMN,Fe-S复合体ⅠFAD,Fe-S,Cytb复合体ⅡCytb,Fe-S,Cytc1复合体ⅢCytaa3,Cu复合体Ⅳ第19页第19页第20页第20页氧化还原反应时改变发生在五价氮和三价氮之间。2HHHeH+HRHCONH2N+Ce+RHHCONH2N+H++H+H+

NAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H(一)复合体Ⅰ:NADH-泛醌还原酶(1)NAD+和NADP+1.复合体Ⅰ构成NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2第21页第21页烟酰胺(nicotinamide)核苷酸类（NAD+、NADP+）递氢体第22页第22页FMN结构中含核黄素，发挥功效部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。(2)FMN(FAD)OOCH3CH3RNNNHNOOCH3CH3RNNNHN+H-H+H-HHOOCH3CH3RNNNHNHHFMN(或FAD)FMNH(或FADH),即FMN•

FMNH2(或FADH2)氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型第23页第23页黄素蛋白(flavoprotein)类（FMN、FAD）递氢体第24页第24页铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫

(3)铁硫蛋白ⓈⓈFeFeⓈFeⓈFeSCH2SCH2SCH2SCH2第25页第25页铁硫蛋白(iron-sulfurcluster)Fe2+Fe3++e-传递电子方式：递电子体第26页第26页泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。(4)辅酶QoH3COH3COCH3o

RRoHOH3COH3COCH3·H++eH++eH3CORoH

OHH3COCH3泛醌泛醌H•

二氢泛醌氧化型或醌型半醌型还原型或氢醌型第27页第27页泛醌

（CoQ）(Ubiquinone)递氢体第28页第28页NADH+H+

NAD+FMNFMNH2还原型Fe-S氧化型Fe-SQQH22.复合体Ⅰ功效第29页第29页(二)

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌还原酶琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3第30页第30页(三)复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c还原酶QH2→→Cytcb562;b566;Fe-S;c1第31页第31页NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-

CysSH3C-CH

CysS蛋白质细胞色素是一类以铁卟啉为辅基催化电子传递酶类，依据它们吸取光谱不同而分类。细胞色素结构细胞色素c辅基第32页第32页细胞色素(Cytochrome)类Cytb、Cytc1、Cytc、Cytaa3构成呼吸链细胞色素:细胞色素氧化酶Fe2+Fe3++e-递电子体第33页第33页细胞色素系统传递电子过程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-

H2O2H+2e2e2e2e2e

bc1cCu2+aa3、第34页第34页(四)复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶还原型Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB第35页第35页细胞色素a结构CH=CH2CH3HO-CHOHCH3CNNNNFe3+CH3COOHCH2CH2COOHCH2CH2CH3CH2(

CH2-CH=C-CH2)

H3第36页第36页①原则氧化还原电位②拆开和重组③特异克制剂阻断④还原状态呼吸链缓慢给氧2.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O23.琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2

1.排列顺序拟定试验依据(五)呼吸链成份排列顺序第37页第37页第38页第38页4.两条呼吸链排列顺序NADH氧化呼吸链

FADH2氧化呼吸链FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2第39页第39页线粒体内主要代谢物氧化路径第40页第40页二、氧化磷酸化

(一)氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。

是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP过程。(三)底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)

(二)P/O比值氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔无机磷原子数与所消耗氧原子摩尔数之比即P/O比值。

第41页第41页(四)氧化磷酸化偶联部位1.氧化磷酸化偶联部位复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。2.偶联部位拟定根据P/O比值和自由能变化（⊿Gº=-nF⊿Eº）。线粒体离体实验测得一些底物P/O比值底物呼吸链组成P/O比值可能生成ATP数β羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.4～2.8

3→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.72→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.610.681～-第42页第42页电子传递链自由能改变

区段电位改变(⊿Eº′)自由能改变⊿Gº′=-nF⊿Eº′能否生成ATP(⊿Gº′是否不小于30.5KJ)Cytaa3~O20.53V102.3KJ/mol能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol能CoQ~Cytc0.21V40.5KJ/mol能ATP氧化磷酸化偶联部位FMN(Fe－S)NADH琥珀酸FAD(Fe－S)CoQCytbCytc1CytcCytaa3O2ATPATP第43页第43页自由能改变(△G0′)：

不小于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。

△G0′＝－nF△E0′69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol第44页第44页NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于3，即产生3molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于2，即产生2molATP。第45页第45页线粒体基质线粒体膜

++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP

化学渗入假说简朴示意图1.化学渗入假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。

(五)氧化磷酸化偶联机理第46页第46页ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅳ

F0F1Cytc

Q

NADH+H+

NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+

H2OADP+PiATP

胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗入假说详细示意图4H+

4H+

4H+

4H+

2H+

2H+

H+

H+

第47页第47页即复合体Ⅴ。位于线粒体内膜基质侧。2.ATP合酶第48页第48页2.ATP合酶由亲水部分F1(α3β3γδε亚基)和疏水部分F0(a1b2c9～12亚基)构成。ATP合酶结构模式图基质侧胞液侧线粒体内膜F1F0γαααβββδε当H+回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基构象改变，释放能量，使ADP生成ATP。第49页第49页化学计算预计每生成1分子ATP需3个H＋从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶工作机制第50页第50页ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白ADP3-H2PO4-ATP4-3H+3H+

H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H＋回流进入线粒体基质中第51页第51页

NADH氧化呼吸链每传递2H仅生成2.5分子ATP到线粒体外被利用。

FADH2氧化呼吸链每传递2H仅生成1.5分子ATP到线粒体外被利用。第52页第52页(一)胞浆中NADH氧化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭

(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭

(malate-asparateshuttle)转运机制三、线粒体内膜物质转运第53页第53页1.

α-磷酸甘油穿梭机制（脑和骨骼肌中）FADH2NADH+H+NAD+CH2OHC=OCH2OPCH2OHCH-OHCH2OPCH2OHC=OCH2OPCH2OHCH-OHCH2OPFAD胞浆线粒体外膜线粒体内膜线粒体基质膜间隙磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油电子传递链第54页第54页2.

苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌中）谷氨酸NADH+H+NAD+①②COCOOH(CH2)2COOHCH2COOH苹果酸CHOHCOOHCHNH2COOH(CH2)2COOH谷氨酸CHNH2COOHCH2COOH天冬氨酸COCOOHCH2COOH草酰乙酸α-酮戊二酸④③①CH2COOH苹果酸CHOHCOOHCOCOOHCH2COOH草酰乙酸NADH+H+NAD+COCOOH(CH2)2COOHα-酮戊二酸②CHNH2COOHCH2COOH天冬氨酸CHNH2COOH(CH2)2COOH胞浆侧线粒体内膜基质侧①苹果酸脱氢酶②谷草转氨酶③α-酮戊二酸转运蛋白④酸性氨基酸转运蛋白第55页第55页(二)ADP进入与ATP移出腺苷酸转运蛋白参与ADP与ATP反向转运。H+H2PO4-ADP3-H2OATP4-基质侧胞液侧线粒体内膜磷酸盐载体腺苷酸载体H2PO4-H+ADP3-ATP4-ATP、ADP、Pi转运第56页第56页四、影响氧化磷酸化原因1.呼吸链克制剂阻断呼吸链中一些部位电子传递。如鱼藤酮、氰化物、CO等。2.解偶联剂

使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如解偶联蛋白、2，4-二硝基酚。3.ATP合酶克制剂对电子传递及ATP合酶都有克制作用。如寡霉素。(一)克制剂第57页第57页能够克制第一位点有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等；能够克制第二位点有抗霉素A和二巯基丙醇；能够克制第三位点有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要克制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要克制还原型Cytaa3-Fe2+。第58页第58页氧化磷酸化系统及克制剂影响

第59页第59页(二)甲状腺激素

使ATP分解加速，Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表示均增长（耗氧和产热均增长）。(三)ADP/ATP比值调整

1.比值增大，氧化加快，ATP生成增长；比值减小氧化减慢，ATP生成减少。

2.呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)指离体线粒体试验中，底物量很大时，加入ADP后耗氧速率与加入前耗氧速率之比。第60页第60页五、生物氧化与能量代谢营养物质氧化分解过程糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂肪酸氨基酸甘油乙酰辅酶ATCA2H1/2O2ADPPiATPH2OⅠⅢⅡ第61页第61页2.高能化合物：含有高能键化合物，如ATP、辅酶A、磷酸肌酸等。

(一)高能化合物1.高能键能释放不小于21KJ/mol能量化学键，如高能硫酯键和高能磷酸键，以“”表示。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量一个储存形式。肌酸激酶肌酸NH2NHNCOOHCH3CCH2磷酸肌酸NNHNCOOHCH3CCH2H~P+ATP+ADP第62页第62页磷酸肌酸生成

H2N+

C-NH2H3C-NCH2COO-

H2N+HO

C-N~P-OHH3C-NOHCH2COO-肌酸激酶肌酸磷酸肌酸（CP）ATPADP肌肉和脑组织中能量贮存形式第63页第63页高能化合物种类高能磷酸化合物高能硫脂化合物水解时释放自由能＞30KJ/mol化合物CH3CO～SCoACOOHC-O～PCH2=ATPADP第64页第64页几种常见高能化合物通式举例释放能量

pH7.0，25℃KJ/mol(kcal/mol)NHRCNH~PO3H2CH2RCO~PO3H2ORCO~PO3H2ORC~SCoA~POOHPOOHOOH磷酸肌酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoAATP,GTP,UTP,CTP-43.9(-10.5)-61.9(-14.8)-41.8(-10.1)-31.4(-7.5)-30.5(-7.3)第65页第65页

(二)ATP生成和利用第66页第66页ATPADP

肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P~P

机械能(肌肉收缩)渗入能(物质积极转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量储存和利用都以ATP为中心。第67页第67页高能键转移ATP+UDPCDPGDPADP+UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白质合成）第68页第68页CHOCH2OHCH2O-PCOOCH2OHCH2O-P～PCOOHCH2OHCH2O-PNAD+NADH+H+H3PO4ADPATP1、底物水平磷酸化2、氧化磷酸化ATP生成方式substratelevelphosphorylationoxidativephosphorylation第69页第69页(一)加单氧酶(monoxygenase)

又称混合功效氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase)。催化反应：RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O上