生物氧化ppt课件

第九章生物氧化 电子传递和氧化磷酸化作用 1 本章主要内容 一 生物氧化的概念定义 特点二 生物氧化中二氧化碳的生成氧化脱羧 直接脱羧三 生物氧化中水的生成呼吸链 呼吸链的组分 各组分排列顺序电子传递的抑制剂 2 四 氧化磷酸化作用ATP生成的方式线粒体的结构与功能氧化磷酸化作用机制质子梯度的形成ATP合成机制影响氧化磷酸化的因素五 细胞溶胶内NADH的再氧化甘油 3 磷酸穿梭 苹果酸穿梭六 ATP重要的生理功能 3 一 生物氧化 BiologicalOxidation 的概念1 定义生物氧化 有机物在生物体细胞内的氧化过程 也叫组织呼吸或细胞呼吸 本质 加氧 脱氢 失电子 终产物 CO2 H2O 能量 4 提供氧化环境并直接参加生物氧化过程 2 生物氧化的特点 逐步进行 物质逐步氧化 能量逐步释放 条件温和 需水参与 以脱氢 失电子 方式氧化为主 CO2以脱羧方式产生 有严格的细胞定位 5 二 生物氧化中二氧化碳的生成1 氧化脱羧在脱羧的同时 伴随有氢的丢失 氧化脱羧 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下 酮戊二酸在 酮戊二酸脱氢酶系催化下发生的脱氢脱羧反应等均属 氧化脱羧 6 氧化脱羧 2 直接脱羧不伴有氧化反应的脱羧过程 直接脱羧 7 直接脱羧 直接脱羧 直接脱羧 8 需要脱氢酶 氧化态传递体 一个或多个传递体 需要氧化酶 还原态传递体 三 电子传递和氧化呼吸链1 电子传递过程 9 乙醇脱氢酶 CH3CH2OH CH3CHO NAD NADH H 1 2O2 NAD 电子传递链 H2O 2e O2 2H 10 生物氧化过程中脱下的氢 经一系列传递体的传递 最后与氧结合生成水 水的生成发生在电子传递过程的最后阶段 电子传递和形成ATP的偶联机制称氧化磷酸化作用 氧化呼吸或呼吸代谢 11 2 电子传递链电子从NDAH或FADH2到O2的传递途径称为电子传递链 也叫电子传递体系或呼吸链 其组成 12 NADH Q还原酶 复合体 琥珀酸 Q还原酶 复合体 细胞色素还原酶 复合体 细胞色素氧化酶 复合体 辅基 黄素类 FAD FMN 铁 硫聚簇 血红素 铜离子等 13 NADH Q还原酶 NADH脱氢酶 复合体 呼吸链中第一个氢泵 辅基一 FMN 接受NADH上的质子和电子生成FMNH2 并将质子传递给CoQ 电子传递给铁硫聚簇 FMN属递氢递电子体 辅基二 铁硫聚簇 Fe S 接受FMNH2传给的电子 并将电子传递给CoQ 14 黄素脱氢酶 需要以FMN或FAD为辅基 15 线粒体中 CoQ是还原型黄素辅基的直接氢受体 16 铁硫聚簇 属递电子体 其所含的Fe为非血红素铁 S为酸不稳定硫 铁硫聚簇中 铁与硫往往等量出现 铁通过与蛋白质上Cys残基的S结合而与蛋白质相连 组成铁 硫蛋白 17 18 琥珀酸脱氢酶复合物 NADH脱氢酶复合物 19 CoQ 辅酶Q 辅酶Q 也叫泛醌 因其广泛存在于具有呼吸作用的生物体内 泛醌属递氢递电子体 第二个氢泵 20 人及动物细胞线粒体中的CoQ含有10个异戊二烯单位 因此也叫CoQ10 CoQ 仅在呼吸链中传递氢 在线粒体内膜上的位置不固定 21 辅酶Q10 呼吸链中一个和蛋白质结合不紧密的辅酶 呼吸链中重要的递氢体 在黄素蛋白类和细胞色素间作为一种特殊灵活的电子载体而起作用 22 23 琥珀酸 Q还原酶复合体 组分有 琥珀酸脱氢酶 辅基 FADH2和铁 硫聚簇及CoQ 琥珀酸 Q还原酶的电子受体是铁 硫聚簇 FADH2将电子通过铁 硫聚簇传递给CoQ 从而进入电子传递链 24 细胞色素类 Cyt 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称 Cyt属递电子体 几乎存在于所有生物体内 其从CoQH2上接受电子 并将电子最后传递给氧 使氧成为氧负离子 25 bc1caa3 细胞色素c氧化酶复合体 细胞色素还原酶复合体 产生质子泵部位 O2 a和a3以复合物存在 称细胞色素氧化酶 分子中除含Fe外还含有Cu 可将电子传递给氧 故亦称其为末端氧化酶 26 3 电子传递链中各组分的排列顺序 NADH呼吸链 电子传递和水的生成 27 FADH2呼吸链 电子传递和水的生成 28 琥珀酸等 NADH呼吸链 NADH FMN CoQ Fe S Cytc1 O2 Cytb Cytc Cytaa3 Fe S FAD Fe S 复合体II 复合体IV 复合体I 复合体III NADH脱氢酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶 琥珀酸 辅酶Q还原酶 FADH2呼吸链 29 电子传递链各组分的排列位置与其得失电子趋势的强度有关 电子是从标准电势低处向标准电势高处传递的 按各组分的标准电势可决定其在呼吸链中的位置 0 045 30 CoQ是线粒体中不同代谢物氧化呼吸链的汇合点 31 4 电子传递的抑制剂电子传递抑制剂 能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质 常用的抑制剂有 鱼藤酮 安密妥等 阻断氢和电子由NADH向CoQ的传递 抗霉素A 干扰电子从还原型CoQ QH2 到细胞色素c1的传递作用 氰化物 叠氮化物 CO等 阻断电子从aa3 O2的过程 32 四 氧化磷酸化作用1 生物氧化中ATP生成的方式 ATP主要由ADP磷酸化而生成 即 在急需供能时 ATP也可由AMP焦磷酸化而生成 或由两分子ADP生成 即 33 ATP生成时 提供能量的方式有两种 底物水平磷酸化 氧化磷酸化氢或电子在电子传递链的传递过程中 伴随有ADP磷酸化为ATP 这种ATP生成的方式就叫氧化磷酸化 也叫电子传递体系磷酸化 或呼吸链磷酸化作用 产生ATP的主要方式 34 细胞匀浆 细胞核 上清液 线粒体 上清液 10万 g 1h 相当于4万转 微粒体 上清液 细胞溶胶 2 线粒体的结构与功能 线粒体的得到细胞破碎 溶于0 25mol L蔗糖溶液 制成匀浆 进行差速离心 35 线粒体的位置及形态构造 36 37 线粒体常处于需要ATP的结构的附近 内膜球体 也叫三分子体 8 9nm 也叫FoF1 ATP酶复合物 38 线粒体膜的通透性外膜 通透性较大 分子量小于4000 5000的物质通常均可自由通过 内膜 具有通透屏障作用 对通过的物质具有严格的选择性 39 线粒体的功能 线粒体各结构的酶 膜间空隙 腺苷酸激酶等核苷酸激酶 外膜 单胺氧化酶 脂肪酸延长途径中的酶等 内膜 分布着与ATP的生成有关的重要酶 如 Cyt类 琥珀酸脱氢酶 NADH Q还原酶等呼吸链酶及FoF1 ATPase等 基质 分布有参与糖 脂 Aa代谢的重要酶 如 参与TCA循环的酶 脂肪酸 氧化酶系 尿素循环中的部分酶等 40 线粒体的功能 氧化反应 产生NADH和FADH2 发生在线粒体基质或是面向基质的内膜的蛋白质上 电子从NADH和FADH2传递至线粒体内膜上 并同时形成跨膜的质子泵 处于线粒体内膜上的FoF1 ATPase复合体将贮存在电化学质子梯度上的能量用于ATP的合成 41 3 氧化磷酸化作用机制 ATP的合成部位ATP生成的部位有三 42 电子传递链标准氧还势自由能变化和ATP形成部位示意图 43 实验证明 P O比的测定 P O比 指每消耗1mol氧原子同时消耗无机磷酸的mol数 根据实验 以苹果酸为底物 P O 3 以琥珀酸为底物 P O 2 以VitC为底物 P O 1 44 G0 的计算 根据呼吸链各氧还电对的标准电势 由电化学公式 G0 nF E0 计算 G0 进而推算氧化磷酸化的偶联部位 公式中 n 传递电子的数目F 法拉第常数 23 062kcal V或96 49kJ V E0 标准电势 E0 得失电子物质的标准电势之差 G0 某氧化还原反应的标准自由能改变 45 计算 一对氢原子从NADH呼吸链传递给氧原子的过程中 G0 为多少 G0 2 23 062 0 82 0 32 52 6kcal mol 220 07kJ mol 请计算 三个偶联部位的 G0 并计算FADH2呼吸链的 G0 46 生成ATP的三个部位均可受特异性抑制剂抑制 特异性抑制剂 47 能量偶联假说化学偶联假说结构 构象 偶联假说化学渗透偶联假说 48 化学偶联假说1953年 荷兰化学家EdwardSlater要点 电子传递过程中产生一种活泼的高能中间产物 它随后的水解可驱动ATP的生成 这一学说的基础是强调细胞内全部化学反应的顺序性 49 甘油醛 3 P NAD Pi甘油酸 1 3 二磷酸 NADH H 甘油酸 1 3 二磷酸 ADP甘油酸 3 磷酸 ATP 例如 酵解中 至今未能从线粒体中发现假说中的高能化合物 没有突出线粒体膜的重要性 50 构象偶联假说 1964年 美国科学家PaulBoyer要点 电子沿电子传递链的传递过程中能使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化 形成高能形式 这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象 51 A 蛋白质多肽链 的空间发生如下的变化 52 化学渗透假说 1961年由英国生化学家PeterMitchell首次提出 1966年再次提出 化学渗透假说示意图 Mitchell认为 电子传递释放出的自由能与ATP的合成是同一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的 53 许多实验结果支持化学渗透假说 氧化磷酸化作用需要线粒体内膜的完整性 线粒体内膜对H 没有通透性 解偶联剂 2 4 二硝基苯酚 呼吸链确实能将H 排到内膜外侧 ATP的形成确实伴随着H 向膜内的移动 1978年 Mitchell获诺贝尔化学奖 54 4 质子梯度的形成质子梯度的形成与NADH脱氢酶 细胞色素还原酶及细胞色素氧化酶有关 线粒体电子传递链图解 表明电子传递和H 排出的途径 55 氧化 还原回路机制 呼吸链中递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列 各组分有其特定位置 催化定向反应 递氢体具氢泵作用 可将底物传来的两个氢中的电子 2e 传递给其后的电子传递体 而将两个质子 H 从内膜内侧泵出内膜到内膜的外侧 内膜具选择通透作用 H 不能自由通过内膜 因此形成膜内外H 浓度梯度 浓度差 10 1 56 氧化还原 回路机制示意图 57 XH2 58 质子泵机制电子传递 复合体构象改变 pK值改变 质子移位 59 存在的问题 质子是如何泵到膜外的 第三个递氢体 如何解释Cytaa3也具有氢泵的作用 H 返回基质时ATP是如何合成的 实验发现 质子的电化学梯度与ATP的生成并无必然的关系 60 5 ATP合成机制由ATPsynthase ATP合酶 催化ATP的合成 在ATP合酶中 起质子通道作用的单元为Fo单元 催化ATP合成的单元为F1单元 所以ATP合酶也叫FoF1 ATPase ATP合酶模式图 61 蕴藏在质子浓度梯度中的自由能称为质子动势或质子动力 当泵出膜外的高能质子重新返回内膜内侧时 可以驱动ATP的合成 62 ATP的合成反应是在内膜内表面的三分子体 ATPase 上进行的定向反应 质子推动力推动H 通过ATP合酶上的特殊通道返回基质 蕴藏在H 浓度梯度中的自由能释放 驱动ADP与Pi合成ATP 63 5 影响氧化磷酸化的因素 ADP ATP浓度的调节作用调节氧化磷酸化速度的基本因素 并调节还原型辅酶 的积累和氧化 也可间接调节TCA循环的速度 通过这种调节作用 可使ATP的生成适应生理需要 保证机体合理地利用能源 64 甲状腺素的作用可诱导生物膜上Na K ATPase的生成 抑制剂的作用 解偶联剂 质子载体试剂 指能使电子传递和磷酸化生成ATP的偶联过程相分离的一类物质 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂 电子传递抑制剂 65 解偶联剂作用机制 H 膜内外电化学梯度 电子传递使H 跨膜转移 H 经ATP合酶的Fo单元回流 ATP合成 H 经从其它途径回流 能量以热能散失 不能合成ATP 常见的解偶联剂 2 4 二硝基苯酚 解偶联蛋白 66 氧化磷酸化抑制剂 如 寡霉素 与Fo单元的亚基结合阻止H 从Fo单元回流 抑制ATP合成 H 电化学梯度异常增高 抑制磷酸化过程 抑制电子传递的氧化过程 67 电子传递抑制剂 68 五 细胞溶胶中NADH的再氧化 通过 穿梭 途径解决细胞溶胶中NADH的氧化问题 穿梭方式有二 甘油 3 磷酸穿梭 苹果酸 天冬氨酸穿梭 69 70 产生1 5分子ATP 两个甘油 3 磷酸脱氢酶是同工酶 单方向穿梭 氢只能从细胞溶胶进入线粒体 该穿梭方式主要存在于肌肉组织 神经组织和脂肪组织 71 苹果酸 天冬氨酸穿梭 72 产生2 5分子ATP 两个苹果酸脱氢酶是同工酶 穿梭过程可双向进行 形成双向循环 该穿梭方式主要存在于肝脏 心脏等组织 73 六 ATP重要的生理功能 74 ATP是细胞中能量释放 转换及利用的中心 ATP是机体直接利用的能量形式 是能量利用的中心 ATP可以转化成别的高能化合物 是能量转换的中心 ATP不是能量的贮存库 而是能量的携带者或传递者 在肌肉 神经等组织 能量的贮存者是肌酸磷酸 磷酸原 在无脊椎动物中 磷酸原是精氨酸磷酸 75 76 77