生物化学——生物氧化.ppt

1第四章第四章 生物氧化（生物氧化（biological oxidation ） p1412l第一节第一节 生物氧化生物氧化 一一 概念概念 二二 生物氧化的特点生物氧化的特点 3一、生物氧化（一、生物氧化（biological oxidationbiological oxidation）的）的概念概念 物质在生物体内进行的氧化称为生物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化。主要是糖、脂、蛋白质等在物氧化。主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。二氧化碳和水的过程。 4（一）与体外氧化的共同点：（一）与体外氧化的共同点：l 耗氧耗氧;生成生成CO2和水和水;释放的总能相等释放的总能相等 （二）不同点（二）不同点1.条件条件 体外：体外：高温、干燥高温、干燥 体内：体内：酶催化、酶催化、 温和温和2.能量形式、能量形式、放能方式放能方式： 体外：体外：热能热能,骤然释放骤然释放 体内：体内：热能热能+ATP（40），逐步释放），逐步释放二、生物氧化特点二、生物氧化特点53. CO2和水的生成方式和水的生成方式l体外：碳、氢直接与氧结合生成。体外：碳、氢直接与氧结合生成。 l生物氧化：生物氧化： l CO2：脱羧：脱羧l 水：水：底物脱氢底物脱氢 氧化氧化呼吸链呼吸链 与氧结合与氧结合 l 6* * 生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2HCO2ATP ADP + PiO2H2O乙酰CoA CoASH葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸糖原 脂肪 蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体78一、概念：一、概念：呼吸链呼吸链（respiratory chain）：）：代谢物脱下的代谢物脱下的氢原子氢原子通通过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧氧结合生成结合生成水水的传递链，也叫的传递链，也叫电子传递链电子传递链 （ electron transfer chain ）。）。递氢体：传递氢的酶或辅酶递氢体：传递氢的酶或辅酶电子传递体：传递电子的酶或辅基电子传递体：传递电子的酶或辅基/辅酶辅酶 9二、线粒体的膜结构二、线粒体的膜结构1.外膜：外膜：5000的分子和离子可跨膜扩散的分子和离子可跨膜扩散2.内膜内膜： 多数小分子和离子不能自由通过多数小分子和离子不能自由通过 呼吸链呼吸链复合物、复合物、ATP合成酶位于内膜及嵴上合成酶位于内膜及嵴上 3.“膜间隙膜间隙”：可溶性酶、底物、辅助因子：可溶性酶、底物、辅助因子4.基质：丙酮酸脱氢酶系、基质：丙酮酸脱氢酶系、TCA及脂肪酸氧化的大多数酶、鸟氨酸循环及脂肪酸氧化的大多数酶、鸟氨酸循环（肝脏）中的部分酶（肝脏）中的部分酶10三、呼吸链的组成三、呼吸链的组成 4 4种复合体、种复合体、CoQCoQ、CytcCytc组成组成两条主要两条主要的呼吸链：的呼吸链：l 1）NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 l 2）琥珀酸氧化呼吸链（）琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）氧化呼吸链） 111213（一）复合体（一）复合体（NADH-CoQNADH-CoQ 还原酶还原酶）1、 是是NADH + H的电子进入呼吸链的入口的电子进入呼吸链的入口14l2.辅基或辅酶：辅基或辅酶： FMN （黄素蛋白的辅酶黄素蛋白的辅酶） :传递电子和传递电子和H Fe-S中心中心(铁硫蛋白的辅基铁硫蛋白的辅基) :传递电子传递电子l3.电子传递途径电子传递途径 1516lNADH+H+ FMN Fe2+S CoQlNAD+ FMNH2 Fe3+S CoQH2 l 复合体复合体的电子传递的电子传递17l复合体复合体催化两个反应：催化两个反应：lNADH+H+Q NAD+QH2 (放能放能)l 4个个H+从线粒体基质（从线粒体基质（N side） 膜间隙膜间隙（P side） （吸能）（吸能）18( (二）复合体二）复合体（琥珀酸（琥珀酸- -辅酶辅酶Q Q还原酶）还原酶）1.1.另一条呼吸链的入口另一条呼吸链的入口2.2.将电子和氢从琥珀酸传递给将电子和氢从琥珀酸传递给CoQCoQ3.3.辅基：辅基： FAD FAD Fe-SFe-S簇簇 heme b4.电子传递途径：电子传递途径： l l l 19l琥珀酸琥珀酸 FADl延胡索酸延胡索酸 FADH2lFADH2 Fe3+S Fe2+S Fe3+S CoQH2lFAD Fe2+S Fe3+S Fe2+S CoQl 复合体上的电子传递 20 是是TCA的一步反应的一步反应2122l复合体复合体将电子和氢从琥珀酸传递给泛醌将电子和氢从琥珀酸传递给泛醌l复合体复合体没有泵出氢质子没有泵出氢质子23（三）（三）辅酶辅酶Q （泛醌泛醌）l脂溶性醌类化合物脂溶性醌类化合物l位于内膜的位于内膜的脂质双层脂质双层中中l可以移动可以移动的电子传递体的电子传递体l电子和氢的受体电子和氢的受体24多个异戊二烯多个异戊二烯半醌型泛醌半醌型泛醌二氢泛醌二氢泛醌泛醌泛醌252627( (四）复合体四）复合体（CoQ-CytCCoQ-CytC 还原酶还原酶）1. 接受接受CoQ传递来的电子，并泵出传递来的电子，并泵出4个个H+ /2e2. 还原酶的辅基：还原酶的辅基： 血红素血红素b Ll 血红素血红素bHl FeSl 血红素血红素c1284.复合体复合体的电子传递途径：的电子传递途径： ， 29（五）（五）Cytcl 接受复合体接受复合体传递来电子，并传递给传递来电子，并传递给复合体 l 辅基：辅基：血红素血红素Cl 位于膜间隙位于膜间隙l 可以移动的水溶性电子可以移动的水溶性电子30l 将电子从将电子从Cyt c传递给传递给分子氧分子氧，催化分子氧还原为，催化分子氧还原为H2O, 泵出泵出2个个H /2e 。l 辅基：辅基：Cu-Cu中心中心（CuA ） 血红素血红素a a，血红素血红素a a3 3 FeCu中心中心（ CuB ） (六）复合体六）复合体 （CytcCytc氧化酶氧化酶 ）3132 复合体复合体的传递途径的传递途径:Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 3 C uB O233电子传递链3435（七）总的方程式：l每传递每传递一对电子一对电子，复合体，复合体I、分别泵出分别泵出4、4、2个个H+。 lNADH+11H+N+1/2O2 NAD+10H+P+H2O FADH2+6H+N+1/2O2 FAD+6H+P+H2O 3637四、呼吸链组分四、呼吸链组分排列顺序排列顺序的确定的确定l1.1.根据根据标准标准氧化还原电位氧化还原电位E E0 0的高低的高低排列排列 e e E EO O（小）（小） E EO O（大）（大）l数值越低，则该物质失去电子的倾向越大，数值越低，则该物质失去电子的倾向越大，也就越容易成为还原剂而处于呼吸链的前也就越容易成为还原剂而处于呼吸链的前面。面。38l2.2.检测电子传递体氧化的顺序：检测电子传递体氧化的顺序：l 电子传递体电子传递体还原态还原态和和氧化态氧化态时的时的吸收光谱吸收光谱不同不同l 利用利用离体完整线粒体离体完整线粒体进行研究进行研究l 检测前使所有电子传递体处于还原态检测前使所有电子传递体处于还原态l 向检测体系中缓慢给氧向检测体系中缓慢给氧l 判断：判断：先先由还原态变为氧化态的位于呼吸链的由还原态变为氧化态的位于呼吸链的？面面3940l3.体外将呼吸链的各复合体进行拆分和重组体外将呼吸链的各复合体进行拆分和重组 41l4.4.利用阻断剂研究分析利用阻断剂研究分析l 离体线粒体离体线粒体l 使所有传递体处于还原态使所有传递体处于还原态l 给氧给氧4243第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化 呼吸链中电子的传递过程偶联呼吸链中电子的传递过程偶联ADPADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATPATP的过程。的过程。 44一、自由能变、偶联反应及高能磷酸化合物一、自由能变、偶联反应及高能磷酸化合物（一）化学反应中的（一）化学反应中的G（自由能变化）（自由能变化） AB CDlG:产物与反应物自由能之间的差值产物与反应物自由能之间的差值lG 0，需要外界提供能量才能进行，耗能，需要外界提供能量才能进行，耗能lG0，可逆反应，可逆反应45 （二）偶联反应（二）偶联反应l 偶联反应：一个热力学上不能自发进行的反应可以通偶联反应：一个热力学上不能自发进行的反应可以通过与另一个能够自发进行的反应结合的方式来过与另一个能够自发进行的反应结合的方式来驱动驱动反反应的进行，这两个结合在一起同时进行的反应称为偶应的进行，这两个结合在一起同时进行的反应称为偶联反应。联反应。 G+PiG-6-P+H2O G=3.3 kCal/mol ATP+H2OADP+ Pi G=-7.3 kCal/mol G+ ATPG-6-P+ ADP G=-4 kCal/mol46 （三）高能磷酸化合物（三）高能磷酸化合物1、高能磷酸化合物：、高能磷酸化合物：1mol水解水解-释放出释放出5.0kcal以上自由能以上自由能1）磷氧键型）磷氧键型(OP )：ATP等等2）氮磷键型）氮磷键型(NP ）：磷酸肌酸磷酸肌酸 等 硫脂键型：琥珀酰硫脂键型：琥珀酰CoA等等2、 ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）l生物能的主要载体生物能的主要载体l含一个磷酸酯键和二个含一个磷酸酯键和二个磷酸酸酐键磷酸酸酐键4748（四）（四）ATP生成的方式生成的方式 l1氧化磷酸化（氧化磷酸化（主要方式主要方式）：）：高势能高势能电子电子从从NADH+H+或或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中沿呼吸链传递给氧的过程中,所释放的能量所释放的能量转移转移给给ADP形成形成ATP,即即ATP的形成的形成与电子传递相与电子传递相偶联偶联。49l2底物磷酸化（次要方式）：底物磷酸化（次要方式）：高能键高能键断裂断裂偶联偶联ADP磷酸化为磷酸化为 ATP（或（或GDP/GTP) 的的过程。过程。50 二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位lNADHNADH与与CoQCoQ之间之间lCoQCoQ 与与 CytcCytc之间之间lCytcCytc 与与 O O2 2之间之间 51 1 1、 P/OP/O比值推测：比值推测： 物质氧化时，每消耗物质氧化时，每消耗1mol1mol氧原子氧原子所消所消耗耗无机磷酸无机磷酸的的molmol数数. . 分离线粒体分离线粒体-体外模拟实验体外模拟实验 底物：底物：- -羟丁酸羟丁酸 琥珀酸琥珀酸 还原型还原型CytCyt c c 52l 位置位置l NADH QNADH Ql CoQ CytcCoQ Cytcl CytcCytc O O2 2l EE0 0l EE0 0 = 0.36v = 0.36vl EE0 0 = 0.21v = 0.21vl EE0 0 = 0.53v = 0.53v2. 2. 根据标准根据标准氧化还原电位差氧化还原电位差计算计算自由能变自由能变53l 位置位置l NADH QNADH Ql Ctyb CytcCtyb Cytcl CytaaCytaa3 3 O O2 2l GG0 0l GG0 0 = -69.5 = -69.5 kJ/molJ/moll GG0 0 = -40.5 = -40.5 kJ/mol J/mol l GG0 0 = -102.3 = -102.3 kJ/molJ/mol G G0 0 = - = -n nFEFE0 0 F=96.5kJ/mol.V F=96.5kJ/mol.V54lNADHNADH氧化呼吸链：氧化呼吸链：2.5ATP/ NADH+H2.5ATP/ NADH+H+ + （3ATP3ATP）l琥珀酸氧化（琥珀酸氧化（FADH2FADH2）呼吸链）呼吸链 ：1.5ATP/ 1.5ATP/ FADH2FADH2（2ATP-2ATP-旧版本旧版本）55三、氧化磷酸化偶联机制三、氧化磷酸化偶联机制 1.1.化学渗透学说化学渗透学说： 电子经呼吸链传递时，可以将氢质子由电子经呼