生物氧化與氧化磷酸化

關(guān)于生物氧化與氧化磷酸化第1頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五概述電子傳遞鏈（生物氧化中H2O的生成）氧化磷酸化作用（ATP的生成）第2頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第一節(jié)概述能量的來源：光能：植物和某些藻類光合作用化學(xué)能：動(dòng)物和大多數(shù)的微生物生物氧化化學(xué)能→生物能（主要是ATP）第3頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五糖原脂肪蛋白質(zhì)葡萄糖脂肪酸甘油氨基酸乙酰CoAⅠⅡⅢTCA營養(yǎng)物分解代謝的三個(gè)階段第4頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五一、生物氧化（biologicaloxidation）1、定義：有機(jī)物在活細(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，又稱呼吸作用。第5頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五2、內(nèi)容：1）C→CO22）H→H2O3）能量如何產(chǎn)生底物水平磷酸化氧化磷酸化電子傳遞鏈脫羧反應(yīng)第6頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五3、特點(diǎn)（與燃燒的比較）相同點(diǎn)：都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合；都生成CO2和H2O；釋放的能量相同

第7頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五生物氧化

燃燒細(xì)胞內(nèi)溫和條件，水環(huán)境高溫或高壓，干燥條件

一系列酶促反應(yīng)

無機(jī)催化劑

能量逐步釋放能量爆發(fā)釋放轉(zhuǎn)化成ATP，被利用

轉(zhuǎn)換為光和熱，散失

不同點(diǎn)：第8頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五二、生物能學(xué)原理△G<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；△G=△Gθ’+RTlnQ△Gθ’=-nF△Eθ’（在氧還反應(yīng)中，電子總是從Eθ較低的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到Eθ較高的物質(zhì)）；在熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)可以被有利反應(yīng)所推動(dòng)。第9頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五三、高能化合物1、概念：

水解時(shí)能夠釋放≥20.92kJ/mol（5kcal/mol）自由能的化合物稱為高能化合物。其中斷裂釋放出大量自由能的共價(jià)鍵稱為高能鍵，用~表示。第10頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五2、類型（了解）（1）磷氧鍵型（-O~P）1,3-二磷酸甘油酸?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿岬?1頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五焦磷酸化合物焦磷酸第12頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸第13頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（2）氮磷鍵型（-N~P）磷酸肌酸磷酸精氨酸第14頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（3）硫酯鍵型?；鵆oA第15頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（4）甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第16頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（1）ATP的作用A、生物體通用的能量貨幣提供反應(yīng)所需能量、細(xì)胞活動(dòng)的機(jī)械能、細(xì)胞吸收物質(zhì)時(shí)的能量；產(chǎn)生電效應(yīng)；轉(zhuǎn)變成光能或熱能。B、磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體3、最重要的高能化合物----ATP第17頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（磷酸原）第18頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（2）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)ATP是能量的攜帶者、轉(zhuǎn)運(yùn)者，但不是能量的貯存者。第19頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（3）能荷與ATP能荷：在總的腺苷酸系統(tǒng)中（即ATP、ADP、AMP之和）所含的高能磷酸基數(shù)量。第20頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五細(xì)胞內(nèi)能荷值=0.8~0.95；能荷低（<0.8）→ATP不足→產(chǎn)能代謝加強(qiáng)。能荷高（>0.95）→ATP過多→產(chǎn)能代謝抑制，貯能代謝加強(qiáng)；第21頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第二節(jié)線粒體電子傳遞鏈一、線粒體（mitochondria）真核生物的發(fā)電站；雙層膜結(jié)構(gòu)；外膜：對(duì)小分子和離子通透；內(nèi)膜：對(duì)多數(shù)小分子和離子不通透。第22頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第23頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五二、電子傳遞鏈（electrontransferchain,ETC）也叫呼吸鏈（respiratorychain）定位：原核生物質(zhì)膜，真核細(xì)胞線粒體內(nèi)膜；組成：一系列按嚴(yán)格順序排列的電子傳遞體；作用：將代謝物脫下的氫傳遞給氧生成水種類：NADH鏈和FADH2鏈第24頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五線粒體內(nèi)膜上分離到4種酶復(fù)合體、CoQ、Cytc復(fù)合體I：NADH-CoQ還原酶復(fù)合體II：琥珀酸-CoQ還原酶復(fù)合體III：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體IV：細(xì)胞色素c氧化酶NADH鏈：由I、CoQ、III、Cytc、IV組成FADH2鏈：由II、CoQ、III、Cytc、IV組成第25頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五NADH鏈線粒體內(nèi)膜線粒體外膜第26頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第27頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五FADH2鏈線粒體內(nèi)膜IIIII第28頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五1、復(fù)合體I：NADH-CoQ還原酶組成：FMN（遞氫體）、Fe-S蛋白（通過Fe3+、Fe2+互變傳遞單電子）功能：將電子從NADH傳遞到CoQ；質(zhì)子泵（4H+）NADH鏈第29頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第30頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五2、復(fù)合體II：琥珀酸-CoQ還原酶組成：FAD、Fe-S蛋白功能：將電子從琥珀酸傳遞到CoQIIIIIII琥珀酸延胡索酸FADH2鏈第31頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五非蛋白，醌類，側(cè)鏈為異戊二烯；遞H體；中間傳遞體：只能從黃素酶的輔基上接受H3、輔酶Q（coenzymeQ）

泛醌、CoQ第32頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五4、細(xì)胞色素（cytochrome，Cyt）一類功能相關(guān)，含血紅素輔基的色素復(fù)合物，只存在于需氧細(xì)胞；通過Fe3+、Fe2+互變傳遞單電子；種類：b、c1、c、a、a3；復(fù)合體III：Cytb+Cytc1Cytc復(fù)合體IV：Cytaa3第33頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（1）復(fù)合體III：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶組成：Cytb、Cytc1、Fe-S蛋白功能：將電子從CoQ傳遞到Cytc；質(zhì)子泵（4H+）第34頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第35頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五（2）復(fù)合體IV：

細(xì)胞色素c氧化酶組成：Cytaa3、Fe-S蛋白、含Cu蛋白功能：將電子從Cytc傳遞給氧；質(zhì)子泵（2H+）；第36頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第37頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第38頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五依據(jù)：各傳遞體的E0、差異光譜、電子傳遞抑制FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2E0

低→高，對(duì)電子親和力小→大FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2

-0.32

-0.22

+0.04

-0.08

+0.22

+0.24

+0.29

+0.82+0.55-0.22二、各電子傳遞體排列順序的確定第39頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五電子傳遞抑制：

1、NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2魚藤酮安密妥殺蝶素差異光譜：FADH2細(xì)胞色素中，b最先被還原，aa3最先被氧化第40頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五2、NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O23、NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2CN-、CON3-、H2S抗霉素A第41頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第三節(jié)氧化磷酸化作用一、概念1、ATP生成的途徑底物水平磷酸化直接與代謝物的反應(yīng)相偶聯(lián)；有無O2均可發(fā)生氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化）

通過電子傳遞鏈產(chǎn)能；好氧生物能量的主要來源2、氧化磷酸化：生物氧化△GADP→ATP第42頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五ATP合酶產(chǎn)水反應(yīng)的△G磷酸化第43頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五二、P/O比和ATP形成的部位1940年S.Ochoa提出P/O比P/O比：當(dāng)一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳給O2時(shí)所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，即每消耗1個(gè)氧原子所產(chǎn)生ATP的個(gè)數(shù)。第44頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五第45頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五真核細(xì)胞中，一對(duì)電子經(jīng)過NADH鏈傳遞至O2共泵出10個(gè)H+；每4個(gè)H+促使1個(gè)ATP合成并輸出至細(xì)胞質(zhì)；因此1個(gè)NADH經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生10/4=2.5個(gè)ATP；一對(duì)電子經(jīng)過FADH2呼吸鏈傳送時(shí)有6個(gè)H+被泵出；因此1個(gè)FADH2經(jīng)過呼吸鏈產(chǎn)生6/4=1.5個(gè)ATP；在原核細(xì)胞中，沒有線粒體，因此沒有ATP的輸出，故NADH呼吸鏈產(chǎn)生10/3≈3個(gè)ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈產(chǎn)生6/3=2個(gè)ATP第46頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五計(jì)算線粒體中1mol琥珀酰CoA生成OAA的P/O琥珀酰CoA→琥珀酸，產(chǎn)生1molGTP，不消耗O；

琥珀酸→延胡索酸，產(chǎn)生1molFADH2，通過電子傳遞鏈將合成1.5molATP，消耗1molO；蘋果酸→OAA，產(chǎn)生1molNADH，通過電子傳遞鏈將合成2.5molATP，消耗1molO；

0+1+1==2.51+1.5+2.5第47頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五三、氧化磷酸化的能量偶聯(lián)機(jī)制

----化學(xué)滲透學(xué)說目前被普遍接受的假說P.Mitchell獲1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)要點(diǎn)：1、各電子傳遞體在內(nèi)膜上各有其特定的位置，催化定向的反應(yīng)；第48頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五2、部分傳遞體利用電子傳遞的能量將H+泵出內(nèi)膜；3、由于H+不能自由透過內(nèi)膜，造成H+跨膜濃度梯度，形成跨膜電位差（△E）；第49頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五4、H+通過ATP合酶返回基質(zhì)，伴隨△E的抵消，釋放的能量推動(dòng)ADP磷酸化成ATP。第50頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五證據(jù)：1）氧化磷酸化時(shí)線粒體基質(zhì)內(nèi)的pH值高于內(nèi)膜外側(cè)的，說明基質(zhì)內(nèi)的H+少2）不進(jìn)行氧化或阻斷電子傳遞，人為造成膜兩側(cè)pH梯度，也有ATP生成3）電子傳遞體形成的電子流能將H+逐出內(nèi)膜前提：線粒體內(nèi)膜或亞線粒體囊泡的完整性不足：沒有說明H+如何泵到膜外？第51頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五四、ATP合成機(jī)制--FoF1-ATP合酶定位：線粒體內(nèi)膜表面球狀顆粒組成：F0：柄，嵌入內(nèi)膜，4種6條肽鏈。F1：頭，伸向線粒體基質(zhì)，5種9條肽鏈。功能：F0：質(zhì)子通道；F1：催化ATP合成的部位。當(dāng)膜外H+經(jīng)質(zhì)子通道到達(dá)F1時(shí)便推動(dòng)ATP的合成第52頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五Boyer旋轉(zhuǎn)催化理論第53頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五五、氧化磷酸化的阻斷不能合成ATP的原因：呼吸鏈不能傳遞電子—電子傳遞抑制劑不能產(chǎn)生跨膜電位差—解偶聯(lián)劑ATP合酶不能合成ATP—氧化磷酸化抑制劑第54頁，共62頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)10分，星期五概念：將電子傳遞過程和ADP生成ATP的過程分離的物質(zhì)。能抑制