天津大学生物化学九件

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九章 生物氧化,2,第一节 生物氧化的特点,第二节 生物氧化的一般原理,第三节 氧化磷酸化作用,-ATP,的生成,第,1,页,/,共,57,页,第一节 生物氧化的特点,1,一、与非生物氧化或燃烧的化学本质相同,二、生物氧化的特点,三、生物氧化进行的场所,四、生物氧化的类型,五、生物氧化的方式,第,2,页,/,共,57,页,一、与非生物氧化或燃烧化学本质相同,表现为：,1.,都是脱氧、失电子或与氧直接化合的过程。,2.,释放出相等的能量。,第,3,页,/,共,57,页,二、生物氧化的特点,（,1,）,场所：,在细胞内进行。,（,2,）,条件：,在体温和近于中性,pH,及有水的环境中进行。,（,3,）,催化剂：,在一系列酶、辅酶和某些传递体的作用下进行。,（,4,）,能量：,是逐步释放的，氧化过程所释放的能量通常先贮存在一些特殊的高能化合物（如,ATP,）中。,第,4,页,/,共,57,页,三、生物氧化进行的场所,1,参与生物氧化的各种酶类（如脱氢酶、电子传递体系、偶联磷酸化酶等）都分布在线粒体内膜和嵴上。,真核生物细胞是在线粒体内进行。,第,5,页,/,共,57,页,三、生物氧化进行的场所,2,原核生物细胞，是在细胞膜上进行,第,6,页,/,共,57,页,四、生物氧化的类型,1.,一酶体系：,不需传递体的生物氧化体系。,（南大,P514,图,13,2,）,2.,二酶及多媒体系：,需要传递体的生物氧化体系。（氧化呼吸链）,第,7,页,/,共,57,页,五、生物氧化的方式,1,脱氢：,包括失电子、加氧和脱氢反应。,2,脱羧：,直接和氧化脱羧。,3,生成水：,代谢物被各种脱氢酶催化脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递，最后与氧结合生成水。可见，生物氧化是需氧的过程。,第,8,页,/,共,57,页,1,脱氢,1,(,失电子,),Fe,2+, Fe,3+,+e,+,第,9,页,/,共,57,页,1,脱氢,2,(,加氧,),R,C=O +,O,2,R,C=O,1,2,H,OH,醛,酸,第,10,页,/,共,57,页,1,脱氢,3,(,脱氢,),R,C,OH,R,C=O +,H,H,醇,醛,H,2H,第,11,页,/,共,57,页,2,脱羧,1,（,-,直接脱羧）,乙醛,丙酮酸,CH,3,C,COOH,-,酮酸脱羧酶,Mg,2+,TPP,H,CH,3,C + CO,2,O,O,第,12,页,/,共,57,页,2,脱羧,2,（,-,直接脱羧）,丙酮酸,草酰乙酸,COOH,C=O,CH,2,COOH,COOH,草酰乙酸脱羧酶,COOH,C=O,+,CO,2,CH,3,COOH,第,13,页,/,共,57,页,2,脱羧,3,（,-,氧化脱羧）,丙酮酸,CH,3,C,COOH,CoASH,NAD,+,O,辅酶,A,丙酮酸氧化脱羧酶系,CH,3,C,SCoA,NADH,H,+,CO,2,O,乙酰辅酶,A,第,14,页,/,共,57,页,2,脱羧,4,（,-,氧化脱羧）,苹果酸,COOH,CHOH,CH,2,COOH,COOH,苹果酸酶,NADP,丙酮酸,COOH,COOH,C=O,+,CO,2,+,NADPH,+,H,+,CH,3,第,15,页,/,共,57,页,3,生成水,水是生物氧化的产物之一。,生成机制：代谢物被各种脱氢酶催化脱氢，脱下的氢再经过一系列传递体的传递，最后与氧结合，生成水。,第,16,页,/,共,57,页,第二节 生物氧化的一般原理,1,呼吸链：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，生成水的全部体系称做呼吸链，也叫电子传递体系或电子传递链。,传递体系有多种，有的是传氢体，如脱氢辅酶,I,（,NAD,）、,II,（,NADP,）、黄酶（,FAD,，,FMN,）、辅酶,Q,等；有的是传电子体如：细胞色素酶系,b,、,c,1,、,c,、,aa,3,等。,第,17,页,/,共,57,页,第二节 生物氧化的一般原理,2,一、呼吸链的类型,二、呼吸链的组成,三、呼吸链中传递体的顺序,第,18,页,/,共,57,页,一、呼吸链的类型,目前普遍认为生物体有两条典型的呼吸链：,1,NADH,呼吸链,2,FADH,2,（二酶氧化体系）呼吸链,第,19,页,/,共,57,页,1,NADH,呼吸链,1,(,总）,糖、脂肪、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大部分是通过此链。,如：糖的氧化分解中有五次脱氢反应：,3,磷酸甘油醛,1,，,3,二磷酸甘油酸,丙酮酸乙酰,C,O,A,异柠檬酸草酰琥珀酸,酮戊二酸琥珀酰,C,O,A,苹果酸草酰乙酸,第,20,页,/,共,57,页,1,NADH,呼吸链,1,(,图示）,NADH,氧化呼吸链的组成,第,21,页,/,共,57,页,2,FADH,2,呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链（,FADH,2,呼吸链）的组成,第,22,页,/,共,57,页,二、呼吸链的组成,1,(,总）,1,烟酰胺脱氢酶类,2,黄素脱氢酶类,3,铁硫蛋白类（,Fe-S,）,4,辅酶,Q,（,C,O,Q,）,5,细胞色素,目前已发现，构成呼吸链的成分有,20,多种，一般可分五类：,第,23,页,/,共,57,页,1,烟酰胺脱氢酶类,以,NAD,+,或,NADP,+,为辅酶,NAD,+,或,NADP,+,NADH+H,+,或,NADPH+H,+,第,24,页,/,共,57,页,2,黄素脱氢酶类,以,FMN,（黄素单核苷酸）或,FAD,（黄素腺嘌呤二核苷酸,),为辅基,FMN,+ 2e + 2H,+,FMNH,2,FAD,+ 2e + 2H,+,FADH,2,第,25,页,/,共,57,页,3,铁硫蛋白类（,Fe-S,）,1,铁硫蛋白在线粒体内膜上往往和其他递氢体或电子传递体（如黄素酶或细胞色素）结合成复合物而存在。复合物内的铁硫蛋白称为铁硫中心。,第,26,页,/,共,57,页,3,铁硫蛋白类（,Fe-S,）,2,当铁硫蛋白还原后，其中的三价铁变成二价铁。有人认为，两个铁原子中，只有一个被还原，故铁硫蛋白可能是一种单电子传递体。,第,27,页,/,共,57,页,4,辅酶,Q,（,C,O,Q,）,是一种脂溶性的醌类化合物，其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。,第,28,页,/,共,57,页,5,细胞色素,1,是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也是依靠铁的化合价的变化来传递电子。目前发现的细胞色素有多种，包括,aa,3,、,b,、,c,、,c,1,。不同种类的细胞色素的辅基结构及与蛋白质连接的方式是不同的。,第,29,页,/,共,57,页,5,细胞色素,2,第,30,页,/,共,57,页,5,细胞色素,3,第,31,页,/,共,57,页,三、呼吸链中传递体的顺序,1,（,1,）,1,从,NAD,到分子氧，每个电子传递体的氧化还原电势逐渐增加，实验得氧化还原电势变化为：氧化还原电位（,E,0,）值越低，则该物质丢失电子的倾向越大，愈易成为还原剂，而在呼吸链的前面。,（一）呼吸链中传递体顺序确定的依据,第,32,页,/,共,57,页,不同种类的细胞色素在典型的线粒体呼吸链中其顺序是：,NADHFMNCoQ b c,1, c aa,3, O,2,Eo,0.32,0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816,FAD,0.18, P,3ADP, P, P,3ATP,三、呼吸链中传递体的顺序,1,（,1,）,第,33,页,/,共,57,页,三、呼吸链中传递体的顺序,2,2,用分离出的电子传递体进行重组实验。,NADH,可以使,NADH,脱氢酶还原，但不能直接使细胞色素,b,、,c,或,aa3,还原。同样，还原型,NADH,脱氢酶不能直接与细胞色素,c,作用，必须经过,C,O,Q,和细胞色素,c,1,后，才能再细胞色素,c,起作用。,第,34,页,/,共,57,页,三、呼吸链中传递体的顺序,3,3.,在分离呼吸链的各成分中，从线粒体中分离到传递体的复合物，这些复合物在传递功能上都是有顺序地联在一起。,如复合物细胞色素,b,、,c,和一个铁硫蛋白等。,复合物各成分的相关性，说明了呼吸链各成分的顺序性。,第,35,页,/,共,57,页,三、呼吸链中传递体的顺序,4,（,1,）,4.,最直接的是用分光光度法通过吸收光谱的变化测定完整线粒体中呼吸链的各个电子传递体的氧化还原状态。,结果表明：在呼吸链的,NAD,一端，电子传递体的还原性最强。而在靠近氧一端，电子传递体（细胞色素,aa,3,）几乎全部处于氧化状态。在呼吸链中间的电子传递体，按照从底物到氧的方向，氧化程度逐渐升高，这说明电子是沿着底物到氧的方向传递。,第,36,页,/,共,57,页,三、呼吸链中传递体的顺序,4,（,2,）,NADHFMNCoQ b c,1, c aa,3, O,2,Eo,0.32,0.03 + 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816,FAD,0.18,（二）呼吸链的顺序,第,37,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,1,在生物氧化中，相伴有磷酸化作用的称为氧化磷酸化作用。,氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源，现已证明线粒体内膜是能量传递系统的重要部位。,氧化磷酸化作用是将生物氧化中释放出的自由能转移而使,ADP,生成,ATP,的作用。,第,38,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,2,氧化磷酸化的全过程为：,NADH + H,+,+ 3ADP + 3Pi,NAD,+,+ 4 H,2,O + 3ATP,+,O,2,1,2,第,39,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,3,（,1,）,ATP,为主要的高能化合物,第,40,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,3,（,2,）,含高能键的化合物有多种,-,焦磷酸化合物,焦磷酸,ADP,（二磷酸腺苷）,第,41,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,3,（,3,）,含高能键的化合物有多种,-,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸（,PEP,）,第,42,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,3,（,4,）,含高能键的化合物有多种,-,胍基磷酸化合物,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,第,43,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,3,（,5,）,3,-,磷酸腺苷,-5-,磷酰硫酸,酰基辅酶,A,含高能键的化合物有多种,-,高能硫酯键化合物,第,44,页,/,共,57,页,第三节 氧化磷酸化作用,4,（总）,一、,ATP,的生成,二、氧化磷酸化的作用机制,第,45,页,/,共,57,页,一、,ATP,的生成,1,底物水平磷酸化,2,电子传递体系磷酸化（呼吸链磷酸化）,第,46,页,/,共,57,页,1,底物水平磷酸化,1,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,。,底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分布。底物磷酸化和氧的存在与否无关。,第,47,页,/,共,57,页,1,底物水平磷酸化,2,第,48,页,/,共,57,页,1,底物水平磷酸化,3,第,49,页,/,共,57,页,2,电子传递体系磷酸化,1,当电子从,NADH,或,FADH,2,经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有,ADP,磷酸化为,ATP,，这一全过程称电子传递体系磷酸化。,它是生成,ATP,的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节。根据实验证明,从,NADH,到分子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为,ATP,，这三处也即是传递链上可被特异性抑制剂切断的地方。,第,50,页,/,共,57,页,2,电子传递体系磷酸化,2,NADH,呼吸链生成,ATP,的三个部位是：,+0.8,+0.6,+0.4,+0.2,- 0.0,-0.2,-0.4,0,10,20,30,40,50,NADH,FAD,FMN,C,O,Q,b,c,1,a,a,3,O,2,c,NAD,FMNH,C,O,Q,cytb,cytc,1,cytaa,3,代谢物,2H,ADP+Pi,ADP+Pi,ADP+Pi,O,2,ATP,ATP,ATP,E ,O,G,O,/kcal,第,51,页,/,共,57,页,2,电子传递体系磷酸化,3,研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体的,P/0,比值和电化学实验。,P/0,比值指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。实验测得,NADH,呼吸链的,P/0,值是,3,，即每消耗一摩尔氧原子就可形成,3,摩尔,ATP,。,FADH,2,呼吸链的,P/0,值是,2,，即可形成,2,摩尔,ATP,。从理论推算：,G,0,(,自由能,),的变化，也与,P/0,比值一致。,第,52,页,/,共,57,页,2,电子传递体系磷酸化,4,作用物,呼吸链组成,P/O,比值,生成,ATP,数,-,羟丁酸,琥珀酸,抗坏血酸,细胞色素,c,NAD,+,FMN C,O,Q cyt O,2,FAD C,O,Q cyt O,2,cytc cytaa,3, O,2,cytaa,3, O,2,2.42.8,1.7,0.88,0.61,0.68,3,2,1,1,第,53,页,/,共,57,页,二、氧化磷酸化的作用机制,1,1.,化学偶联学说,2.,结构偶联学说,3.,化学渗透学说,目前提出三个学说,:,第,54,页,/,共,57,页,二、氧化磷酸化的作用机制,2,化学渗透学说得到较多的支持：认为质子梯度推动,ATP,生成，此学说由英国生物化学家,P.mitchell,提出。认为呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵的作用。质子被泵出线粒体内膜的外侧，形成一个跨内膜的,H,+,梯度，这梯度中所含的渗透能正是促使,ATP,生成所需的能。,化学渗透学说与不少实验结果相符，也对氧化磷酸化作用机理有一定的说明。,1978,年曾获诺贝尔化学奖，但近年来也不断报导与此学说相矛盾的实验结果。目前已面临严重的挑战，成为生物能研究中大家关注的问题。,第,55,页,/,共,57,页,二、氧化磷酸化的作用机制,3,化学渗透假说示意图,第,56,页,/,共,57,页,第五节,ATP,的重要作用,分解代谢,（氧化作用）,ATP,ADP,机械能（运动）,化学能（合成作用）,渗透能（分泌、吸收、钠泵）,电能（生物电）,热能（体温维持）,光能（生物发光）,第,57,页,/,共,57,页,