生物氧化的教案

生物氧化的教案第1页/共75页（一）生物氧化概念

生物细胞将糖、脂肪、蛋白质等有机化合物氧化分解，最终生成CO2和H2O并释放能量的作用。又称作组织呼吸、细胞呼吸。一生物氧化概述

糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能第2页/共75页（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，中性pH、常温、常压），需要大量的酶和辅酶参与。2.氧化进行过程中，伴随有还原反应的发生。3.氧化反应分阶段进行，能量逐步释放。4.生物氧化释放的能量，通常被偶联的磷酸化反应利用，贮存于高能化合物中。第3页/共75页生物氧化与体外氧化之相同点：☆生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。☆都服从热力学规律。☆物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。第4页/共75页是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。生物氧化与体外氧化之不同点：生物氧化体外氧化反应是在强酸、强碱、高温、高压条件下进行的。能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第5页/共75页（三）生物氧化中物质氧化的方式氧化反应还原反应失电子脱氢加氧得电子加氢脱氧第6页/共75页乳酸脱氢酶苯丙氨酸酪氨酸O2第7页/共75页（四）生物氧化中CO2

和H2O的生成1.CO2的生成：代谢底物在酶的作用下，经过一系列的脱氢与加水反应生成含羧基的化合物，通过脱羧反应生成。包括直接脱羧和氧化脱羧第8页/共75页氧化脱羧脱羧酶直接脱羧第9页/共75页2.H2O的生成

代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O

。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+

乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链

H2O2eO=2H+第10页/共75页真核生物线粒体内膜或原核生物细胞膜上的呼吸链作用下产生NADH链第11页/共75页（五）高能磷酸化合物1.高能化合物生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物中。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12页/共75页（1）磷氧键型

酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸第13页/共75页氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第14页/共75页焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔第15页/共75页烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸PEP第16页/共75页（2)氮磷键型磷酸肌酸（CP）磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。第17页/共75页(3)硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A第18页/共75页(4)甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸(SAM)第19页/共75页2.ATP的结构及其在能量转换中的作用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。ATP被用作“能量通货”ATP作为磷酸基团转移的载体存在第20页/共75页机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用第21页/共75页ATP的生成和利用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)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。第22页/共75页二电子传递链(electrontransportchain)(呼吸链respiratorychain)（一）线粒体的结构第23页/共75页第24页/共75页(二）概念电子传递链：又叫电子传递体系，是指代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。由于好氧故又称呼吸链。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。第25页/共75页线粒体呼吸链第26页/共75页(三)组成

呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素、辅酶Q等。第27页/共75页第28页/共75页第29页/共75页1.黄素蛋白（flavoprotein）：许多脱氢酶以NAD+/NADP+

作为电子受体，大多以NAD+为辅酶。

电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到NADH（黄素）脱氢酶上。第30页/共75页电子传递链中的黄素蛋白有两种，分别以FMN或FAD为辅基FAD和FMN第31页/共75页第32页/共75页2.铁硫蛋白（iron-sulfurprotein

）

含铁-硫络合物的非血红素铁蛋白，为单电子传递体。通过Fe的变价传递电子。主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。作用：Fe2+Fe3++e

第33页/共75页3.细胞色素（ctyochromes)是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。

其作用靠铁和铜的变价传递电子由CoQ传到氧。

第34页/共75页Cytc第35页/共75页Cytaa3第36页/共75页第37页/共75页4.辅酶Q（CoenzymeQCoQ）又称泛醌（ubiquinone，CoQ)。1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性，可在线粒体内膜中移动3.接受多种脱氢酶脱下的氢和电子变为泛醇（CoQH2）4.是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）5.可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用6.泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出第38页/共75页第39页/共75页复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-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3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌还原酶琥珀酸-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3941013第40页/共75页复合物Ⅰ——NADH-CoQ还原酶

NADH脱氢酶辅基为FMN的黄素蛋白.铁硫蛋白催化电子从NADH,传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.NADHFMN，Fe-SCoQ第41页/共75页复合物Ⅱ——

琥珀酸-泛醌还原酶琥珀酸脱氢酶由4-5种不同的蛋白质组成，140kD含有一个FAD，2个铁硫蛋白及细胞色素b560.催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。第42页/共75页复合物ⅢQ-cytc还原酶细胞色素b、c1复合体二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。b566b562Fe-Sc1QH2Cytc第43页/共75页复合物Ⅳ——Cyt氧化酶包含两个血红素（a、a3）和一个含铜蛋白(CuB)通过Fe、Cu的变价传递电子

Cu2++eCu+

Fe3++eFe2+CytaCyta3CytcO2第44页/共75页（三）呼吸链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上按照各组分的氧化还原电位的高低，由低向高排列。在线粒体内膜上主要有两条呼吸链：

NADH呼吸链

FADH2

呼吸链

第45页/共75页呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADH第46页/共75页NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-S复合物IV复合物I复合物IIINADH-Q还原酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶FADH2Fe-S琥珀酸复合物II琥珀酸-Q还原酶第47页/共75页NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链第48页/共75页（四）呼吸链的电子传递抑制剂鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素A抗霉素A氰化物、叠氮化物、CO、H2S第49页/共75页鱼藤酮杀粉蝶菌素Ａ安密妥抗霉素Ａ二巯基丙醇CO、CN-、N3-及Ｈ２Ｓ第50页/共75页（一）氧化磷酸化1.定义：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。2.氧化磷酸化作用是体内产生ATP的主要方式三氧化磷酸化oxidatirephosphorylation第51页/共75页3.根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及氧化磷酸化（电子传递磷酸化）。底物水平磷酸化：Substrate-levelphospharylation,底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。第52页/共75页底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP第53页/共75页P/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。实验指明NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。(二)P/O第54页/共75页第55页/共75页(三)ATP产生的部位氧化磷酸化偶联的部位就是ATP产生的部位。呼吸链中产生ATP的部位有三个：NADHCoQCytbCytc1

Cytaa3O2第56页/共75页

氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学偶联学说、结构偶联学说与化学渗透学说化学渗透学说的主要论点呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。(四)ATP产生的机理第57页/共75页Fl蛋白：是球状结构，由5种不同的多肽链组成，催化ATP合成的部位在β亚基上

F0质子通道：是跨线粒体内膜的疏水蛋白质，由4种多肽链组成

F0和Fl之间的柄：包含有两种蛋白质。一种为寡霉素敏感蛋白(OSCP)

，一种为偶合因子6

寡霉素结合区(四)ATP产生的机理1.线粒体偶联因子F1-F0-ATP合酶系统第58页/共75页ATP合成酶由疏水的F0(a1b2c912)和亲水的F1(33)组成.质子穿过a时,推动c环象转动,连带F1转动.第59页/共75页ATP酶的旋转催化理论亚基有三种构象:松L、紧T、放O。生产ATP的过程：结和（L）脱水（T）松开（O）（O）H+H+H+第60页/共75页线粒体基质

线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP2.化学渗透偶联假说(chemiosmotichypothesis):P.Mitchell1961年提出，1978年获诺贝尔化学奖电子传递释出的能量用于形成跨膜的质子（H+）梯度，此梯度用以驱动ATP的合成。第61页/共75页主要内容：电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+电化学梯度，这个梯度的电化学电势驱动ATP的合成。第62页/共75页某些特殊的试剂可将氧化磷酸化过程分成若干个反应阶段，根据这些试剂的作用方式将其分成三类：

解偶联剂氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂(四)氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂第63页/共75页1.解偶联剂（uncouplers）作用：使ADP磷酸化与电子传递两个过程分离，只抑制ATP的生成，而不抑制电子传递的过程，使电子传递过程中产生的能量全部以热能的形式散发出来。典型的解偶联剂

2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenolDNP）第64页/共75页DNP的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜内外低pH高pH不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制ATP的生成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。第65页/共75页作用：

既抑制氧的吸收利用又抑制ATP的形成，却不直接抑制电子传递链上的载体的作用，直接干扰ATP的生成。典型的抑制剂寡霉素（oligomycin）

2.氧化磷酸化抑制剂第66页/共75页

寡霉素(oligomycin)对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。寡霉素第67页/共75页3.离子载体抑制剂（Ionophore）作用方式：插入线粒体内膜的脂质双分子层中，结合某些离子，并作为离子的载体，使离子穿过线粒体内膜，不能形成离子梯度。典型的抑制剂：缬氨霉素：结合K+短杆菌肽：结合K+

、Na+和其他一些一价阳离子第68页/共75页五线粒体的穿梭系统生物氧化和氧化磷酸化主要发生在线粒体内，NAD+、NADH都不能自由