第十二章生物氧化ppt課件

1、第十二章 生物氧化 Biological Oxidation,學(xué)習(xí)內(nèi)容,第一節(jié) 生物氧化概述 第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈） 第三節(jié) 氧化磷酸化,第一節(jié) 生物氧化概述,一、生物氧化的概念 二、生物氧化的特點(diǎn) 三、生物氧化中物質(zhì)氧化的方式,一、生物氧化的概念,1、概念 有機(jī)物質(zhì)（糖、脂肪和蛋白質(zhì)）在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解產(chǎn)生CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化(biological oxidation)。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。 原核生物中,生物氧化發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)膜上,而真核生物中生物氧化主要發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上。,一切生命活動(dòng)都需要能量，維持生命活動(dòng)的能量主要有兩個(gè)來源：,

2、光能（太陽能）：光合自養(yǎng)生物通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能。,化學(xué)能：異養(yǎng)生物或非光合組織通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）氧化分解，使存儲(chǔ)的穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學(xué)能，ATP直接用于需要能量的各種生命活動(dòng)。,2、生物氧化主要包括三方面的內(nèi)容：,（1）細(xì)胞如何在酶的催化下將有機(jī)化合物中的C變成CO2CO2如何形成？ 脫羧反應(yīng)（主要指氧化脫羧）,（2）H2O的生成,代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+或FAD等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e-,O=,2

3、H+,草酰乙酸,（3）當(dāng)有機(jī)物被氧化成CO2和H2O時(shí)，釋放的能量怎樣轉(zhuǎn)化成ATP能量如何產(chǎn)生？ 氧化磷酸化 底物水平磷酸化,生物氧化的過程,生物氧化的三個(gè)階段,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。,二、生物氧化特點(diǎn) 需O2 釋放能量 產(chǎn)生H2O + CO2,三、生物氧化中物質(zhì)氧化的方式,氧化反應(yīng) 還原反應(yīng),脫電子 脫氫 加氧 得電子 加氫 脫氧,氧化劑： 還原劑： 遞電子 （遞氫）體：,接受電子，H （還原反應(yīng)） 供給電子，H

4、 （氧化反應(yīng)） 酶/輔酶在電子傳遞中： 供電子（供氫）體 + 受電子（受氫）體,Fe2+ Fe3+ （供電子體） （受電子體） （還原劑） （氧化劑）,第二節(jié) 電子傳遞鏈（呼吸鏈）,一、概念和類型 二、電子傳遞鏈的組成 三、電子傳遞鏈的電子傳遞順序 四、電子傳遞鏈的電子傳遞抑制劑,細(xì)胞怎樣利用分子氧將有機(jī)化合物中的H氧化成H2O,一、概念和類型,1.概念: 在生物氧化過程中，代謝物脫下的氫經(jīng)過一系列按一定順序排列的氫傳遞體和電子傳遞體的傳遞，最后交給分子氧并生成水，這個(gè)氫和電子的傳遞體系稱為電子傳遞鏈（eclctron transfer chainETC) 2.類型： 1）NADH呼吸鏈：2）

5、FADH2呼吸鏈：,線粒體內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成嵴（cristae），擴(kuò)大了內(nèi)膜的面積。 內(nèi)膜表面含有 執(zhí)行氧化反應(yīng)的電子傳遞鏈 ATP合酶 線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,線粒體的結(jié)構(gòu),內(nèi)膜的低通透性保證了ATP的合成,動(dòng)力工廠,二、呼吸鏈的組成,呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括： NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細(xì)胞色素還原酶、細(xì)胞色素氧化酶。,NADH,NADH-Q 還原酶,Q,細(xì)胞色素 還原酶,細(xì)胞 色素C,細(xì)胞色素 氧化酶,O2,琥珀酸-Q還原酶,FADH2,呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括： NADH-Q還原酶（復(fù)合體） 琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合體II） 細(xì)胞色素還原

6、酶（復(fù)合體III） 細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體IV）,NADH 氧化呼吸鏈,琥珀酸氧化呼吸鏈,1、 NADH-Q還原酶(NADH脫氫酶、復(fù)合體、 亦是第一個(gè)質(zhì)子泵),NADH-Q還原酶是一個(gè)大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，F(xiàn)MN和鐵-硫聚簇（Fe-S）(非血紅素鐵蛋白)是該酶的輔基，輔酶Q是該酶的輔酶，由輔基或輔酶負(fù)責(zé)傳遞電子和氫。 以FMN或FAD為輔基的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱黃素蛋白。 FMN通過氧化還原變化可接收NADH+H+的氫以及電子。 FMN FMNH2,鐵硫聚簇主要以（Fe-4S） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。,鐵硫聚簇（Fe-S中心 ）,2Fe-2S

7、4Fe-4S是NADH-Q還原酶中的兩種存在形式,-e-,鐵硫聚簇通過Fe3+ Fe2+ 變化，起傳遞電子的作用，每次傳遞一個(gè)電子.,NADH-Q還原酶先與NADH結(jié)合并將NADH上的兩個(gè)氫轉(zhuǎn)移到FMN輔基上， NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,鐵硫絡(luò)合物,CoQ,e-,e-,M,MH2,NAD+,NADH,FMN,FMNH2,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2H+,基質(zhì)2H+,NADH-Q還原酶各輔基（輔酶）的氧化還原循環(huán),NADH-Q還原酶,泵到線粒體內(nèi)膜外側(cè),基質(zhì)H+,Fe-S

8、中心是單電子載體,而NADH黃素蛋白Q10都是兩個(gè)電子載體,是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。 功能基團(tuán)是苯醌,通過醌/酚的互變傳遞氫，Q (醌型結(jié)構(gòu)) 很容易接受2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個(gè)電子和2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白組分。(哺乳動(dòng)物含十個(gè)異戊二烯,Q10),2、輔酶Q（泛醌、亦簡(jiǎn)稱Q。是許多酶的輔酶),如：NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、脂酰-CoA脫氫酶等,3、琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合體 ）,琥珀酸脫氫酶也是此復(fù)合體的一部分，琥

9、珀酸-Q還原酶輔基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時(shí)其輔基FAD還原為FADH2，然后FADH2又將電子傳遞給Fe-S聚簇。 最后電子由Fe-S聚簇(2Fe-2S 3Fe-3S 4Fe-4S)傳遞給琥珀酸-Q還原酶的輔酶CoQ。,4、細(xì)胞色素還原酶（細(xì)胞色素bc1復(fù)合體、復(fù)合體） 有質(zhì)子泵功能,含有兩種細(xì)胞色素（細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素C1）和一鐵硫蛋白（2Fe-2S）。 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體的作用是將電子從QH2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素c：,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,復(fù)合體,是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)（有顏色），高等動(dòng)物線粒體呼吸鏈

10、中主要含有5種細(xì)胞色素a、a3、 b、 c 、c1等，細(xì)胞色素b,c1,c的輔基都是鐵-原卟啉，細(xì)胞色素a、a3的輔基為血紅素A。 細(xì)胞色素主要是通過輔基中Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用。一個(gè)細(xì)胞色素每次傳遞一個(gè)電子。,細(xì)胞色素（cytochrome,cyt）,與蛋白質(zhì)以硫醚鍵相連,5、細(xì)胞色素c,在復(fù)合體III和之間傳遞電子（細(xì)胞色素c 交互地與細(xì)胞色素還原酶的C1和細(xì)胞色素氧化酶接觸）。 是唯一能溶于水的細(xì)胞色素，存在線粒體內(nèi)膜外表面。類似于Q作為電子載體在不同復(fù)合物之間游動(dòng)。,細(xì)胞色素c是目前了解最清楚的蛋白質(zhì)，其序列差異常作為生物系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系的一個(gè)判斷指標(biāo)。,由 cyt.a

11、和a3 組成。復(fù)合物中除了含有鐵卟啉外，還含有2個(gè)銅原子（CuA，CuB）。Cyta與CuA相配合，cyta3與CuB相配合，當(dāng)電子傳遞時(shí)，細(xì)胞色素的Fe3+ Fe2+間循環(huán)，同時(shí)Cu2+ Cu+間循環(huán)，將電子從cytc直接傳遞給O2。 也叫末端氧化酶。,6、細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合體、細(xì)胞色素c氧化酶 ） 有質(zhì)子泵功能,細(xì)胞色素氧化酶（10個(gè)亞基的多聚蛋白）,O2+4H+ 4e-,2H2O,每個(gè)分子氧被還原共需4個(gè)電子,三、電子傳遞鏈的電子傳遞順序 呼吸鏈的各組分在線粒體內(nèi)膜上是按一定順序排列的，在線粒體內(nèi)膜上主要有兩條呼吸鏈： NADH+H+ FMN Fe-S CoQ cytb Fe-S cy

12、tc1 cytc cytaa3 O2 Fe-S FAD 琥珀酸-Q還原酶 細(xì)胞色素還原酶 細(xì)胞色素氧化酶,FMN Fe S,Cytb Fe-S cytc1,cytaa3,Fe-S FADH2,NADH-Q還原酶,呼吸鏈中電子傳遞體的排列順序,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧還電位E0的高低排列 e EO（?。?EO（大） 當(dāng)向完全處于還原狀態(tài)的電子傳遞體中加入氧時(shí)，最先被氧化的是細(xì)胞色素aa3,其次是cytC-cytC1-cytb-.NADH。DADH（340nm）；NAD+（260nm）。,四、電子傳遞鏈的電子傳遞抑制劑,1、概念：能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。 電子傳遞抑制劑的使用是研

13、究呼吸鏈中電子傳遞體順序的有效方法。（阻斷部位物質(zhì)的氧化-還原狀態(tài)可以測(cè)出）,2、常用的幾種電子傳遞抑制劑及其作用部位 （1）魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素。其作用是阻斷電子在NADH-Q還原酶內(nèi)的傳遞，所以阻斷了電子由NADH向CoQ的傳遞。 （2）抗霉素A：干擾電子在細(xì)胞色素還原酶中細(xì)胞色素b上的傳遞，所以阻斷電子由QH2向cytC1的傳遞。 （3）氰化物（CN-）、硫化氫（H2S）、疊氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻斷電子在細(xì)胞色素氧化酶中傳遞，即阻斷了電子由cytaa3向分子氧的傳遞。 抗霉素A是從灰色鏈球菌中分離出來的抗生素.,呼吸鏈的電子傳遞抑制劑圖示 NADH NAD

14、H-Q還原酶 魚藤酮、安密妥、殺粉蝶菌素 CoQ cytb 抗霉素A cytc1 cytc cytaa3 氰化物、一氧化碳、硫化氫、疊氮化合物 O2,FADH2,琥珀酸-Q還原酶,第三節(jié) 氧化磷酸化,一、概念 二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位及P/O比 三、氧化磷酸化機(jī)理 四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑,有機(jī)物被氧化成CO2和H2O時(shí)，釋放的能量怎樣轉(zhuǎn)化成ATP?,一、概念,生物體內(nèi)高能磷酸化合物ATP的生成主要有三種方式： 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 光合磷酸化,底物水平磷酸化指ATP的形成直接與一個(gè)代謝中間物（PEP）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)的作用。,1、底物水平磷酸化,特點(diǎn)：ATP的形成直接與中間

15、代謝物進(jìn)行的反應(yīng)相偶聯(lián)；在有 O2或無O2條件下均可發(fā)生底物水平的磷酸化。,是與電子傳遞過程偶聯(lián)的磷酸化過程。即伴隨電子從底物到O2的傳遞，ADP被磷酸化生成ATP的酶促過程，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。 這是需氧生物合成ATP的主要途徑。 真核生物的電子傳遞和氧化磷酸化均在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。原核生物則在質(zhì)膜上進(jìn)行。,2、氧化磷酸化,1、P/O比： 1940年，S Ochoa測(cè)定了在呼吸鏈中O2的消耗與ATP生成的關(guān)系，為此提出P/O比的概念。（同位素實(shí)驗(yàn)） 一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳給O2的過程中所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。實(shí)質(zhì)是指每消

16、耗1 mol原子氧所產(chǎn)生的ATP的物質(zhì)量(mol),稱為P/O比。 線粒體NADH+H+經(jīng)呼吸鏈氧化P/O比為2.5（3），F(xiàn)ADH2經(jīng)呼吸鏈氧化P/O比為1.5（2）。,二、氧化磷酸化偶聯(lián)部位及P/O比,2、形成ATP的部位（氧化與磷酸化偶聯(lián)部位）,電子傳遞鏈將NADH和FADH2上的電子傳遞給氧的過程中釋放自由能，供給ATP的合成。其中釋放大量自由能的部位有3處，即復(fù)合物、 ，這3個(gè)部位就是ATP合成的部位，稱為偶聯(lián)部位。,即復(fù)合物、 ，這3個(gè)部位就是ATP合成的部位(這三個(gè)部位均具有質(zhì)子泵功能,發(fā)生三次磷酸化)。 呼吸鏈上磷酸化位點(diǎn)： NAD+CoQ； CtybCtyc； Ctyaa3O

17、2,P511,1、有關(guān)氧化磷酸化機(jī)理的幾種假說 化學(xué)偶聯(lián)假說 構(gòu)象偶聯(lián)假說 化學(xué)滲透假說（公認(rèn)）,三、氧化磷酸化作用的機(jī)理,電子傳遞過程中將產(chǎn)生一種活潑的高能共價(jià)中間物，通過此中間物進(jìn)一步氧化產(chǎn)生能量來驅(qū)動(dòng)ATP的合成。,(1)、化學(xué)偶聯(lián)假說（1953） chemical coupling hypothesis,Edward Slater,（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964） conformational coupling hypothesis 認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能構(gòu)象，這種高能形式通過ATP的合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。 迄今未能分離出這種高能蛋

18、白質(zhì)。但在電子傳遞過程中蛋白質(zhì)組分的構(gòu)象變化還是存在的。,Paul Boyer,（3）化學(xué)滲透假說（1961） chemiosmotic hypothesis,1961年由英國(guó)生物化學(xué)家Peter Mitchell最先提出。 認(rèn)為電子傳遞釋放的自由能和ATP的合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。即電子傳遞釋放的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入膜間隙，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的H+離子梯度，及一個(gè)電位梯度。這個(gè)跨膜的電化學(xué)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP的合成。,Peter Mitchell,化學(xué)滲透假說示意圖,化學(xué)滲透假說的要點(diǎn),NADH呼吸鏈中的三個(gè)復(fù)合物、起著質(zhì)子泵的作用，將H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)

19、膜泵入膜間隙。 H+不斷從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵至內(nèi)膜外側(cè)，而又不能自由返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，從而在內(nèi)膜兩側(cè)建立起質(zhì)子濃度梯度和電位梯度即電化學(xué)梯度，也稱為質(zhì)子動(dòng)力。 當(dāng)存在足夠的跨膜電化學(xué)梯度時(shí)，強(qiáng)大的質(zhì)子流通過嵌在線粒體內(nèi)膜的F0F1-ATP合酶返回基質(zhì)，質(zhì)子電化學(xué)梯度蘊(yùn)藏的自由能釋放，推動(dòng)ATP的合成。,支持化學(xué)滲透假說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：,(1) 氧化磷酸化作用的進(jìn)行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。 (2) 線粒體內(nèi)膜對(duì)H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 (3) 破壞H+ 濃度梯度的形成（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑）必然破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)行。 (4) 線粒體的電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)+從線粒體內(nèi)膜逐出到

20、線粒體膜間隙。,(5) 大量直接或間接的實(shí)驗(yàn)證明膜表面能夠滯留大量質(zhì)子，并且在一定條件下質(zhì)子能夠沿膜表面迅速轉(zhuǎn)移。 (6) 迄今未能在電子傳遞過程中分離出一個(gè)與ATP形成有關(guān)的高能中間化合物，亦未能分離出電子傳遞體的高能蛋白存在形式。 H+如何通過電子傳遞鏈“泵”出的？,線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間隔排列著的球狀顆粒，稱為FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶復(fù)合體或ATP合酶，是ATP合成的場(chǎng)所。 FO是膜外質(zhì)子返回膜內(nèi)的通道，F(xiàn)1是催化ATP合成的部位，當(dāng)膜外的質(zhì)子經(jīng)FO質(zhì)子通道到達(dá)F1時(shí)便推動(dòng)ATP的合成。,3、ATP的合成機(jī)制 FOF1-ATP合酶,ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)膜外的質(zhì)子經(jīng)F0質(zhì)子通道到達(dá)F1時(shí)便推動(dòng)ATP的合成。,膜間隙,膜內(nèi)基質(zhì),1、解偶聯(lián)劑（uncouplers