《第五章生物氧化2005112》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章生物氧化2005112（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2018/9/20,1,第五章 生物氧化与氧化磷酸化,内容提示： 1、弄清生物氧化的方式、特点、意义；CO2和H2O生成方式； 2、清楚高能键、高能化合物类型；ATP作为能流通货的原因； 3、线粒体呼吸链组成成分及工作机理：电子传递机理、能量计算； 4、生物体中ATP的生成方式：底物磷酸化、氧化磷酸化；偶连 部位； 氧化磷酸化机理：化学渗透学说要点； 5、明确下列概念及其生物学意义；能荷磷氧比值（P/O）；末 端氧化酶；解联剂；,2018/9/20,2,第一节 生物氧化概述,本质：能量储存于有机物中,本质：有机物氧化释能推动生命活动,一、生物能流及传递方向：,太阳光能,损失 热熵,2018/9
2、/20,3,O2,糖,O2,生物氧化可为细胞生成ATP，以推动生命活动过程，实现物质转变，满足物质种类需要。,?,二、生物氧化概念及意义,ATP,1.概念：有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程。,C6H6O6+O2 6 CO2 + 6 H2O + 2870.22 kJ/mol,2018/9/20,4,3.方式： （1）加氧：,2.内容：有机物中的碳氧化为二氧化碳，氢化合成为水，能量贮存于ATP或以热的形式释放,（2） 脱氢: 加水脱氢:,2018/9/20,5,4.特点：条件温和，多步酶促反应，能量逐步释放，能量高效率贮存于高能化合物中。,（3）脱电子：,脱氢,5.CO
3、2生成方式,（1） 直接脱羧,2018/9/20,6,2018/9/20,7,（2）氧化脱羧:,6.H2O的生成方式,2018/9/20,8,1.电子转移酶 如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应,Cyt,2.氧化酶,2Cu2+2Cu+,三、氧化酶类：,（1）一般氧化酶：单独使底 物脱氢，并把氢交给氧的酶类 如一酶体系中的多酚氧化酶。,2018/9/20,9,（3）末端氧化酶：处于氧化还原多酶体系末端的酶，能将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶,（2）黄素氧化酶：接受底物的氢，并把它交给氧分子而
4、生成过氧化氢的酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶,3. 脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：,4、加氧酶：加双氧酶和加单氧酶,2018/9/20,10,自由能（G）：生物体系可以用于作功的能量。在生物体系中，其氧化还原反应经常有 H+ 参加，其标准自由能是指pH7.0时的自由能，自由能的变化用 G表示。,四、自由能和氧化还原电位：,1. 概念：水解自由能在20.92kJ/mol （ 5千卡/mol ）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“”表示，以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物
5、”,五、高能化合物,2. 氧化还原电位：生物体系中为pH7.0时的电位（E）,3. 自由能与氧化还原电位的关系：G = -n FE n：转移电子数目 F：法拉第常数96.4914kJ/molV,2018/9/20,11,氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸。,硫酯键型 ，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A。,2. 高能化合物类型：磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子链结构成即“OP ”：例如磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。,2018/9/20,12,常见磷酸化合物标准水解自由能,2018/9/20,13,水解自由能：每个高能键的水解自由能为 30.5kJ/mol或7.3kcar
6、/mol,3. ATP,AMP,ADP,(1) 结构,原因：密集的负电荷，内部势能高；,与Ca2+，或Mg2+以络合物形式存在，稳定。,2018/9/20,14,（3）作为能量通货的原因：能量居中、可作为大多数能量转换酶催化过程的能量供体或受体。,随水解后集中的负电荷得一分散；共振杂化数增加；低H+效应。,AP+H2O=A-OH+Pi +40KJ/mol,B-P+H2O=B-OH+Pi +6.0KJ/mol,AP + B-OH = AH + BO-P + 36KJ/ mol,E,ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+,（1）,（2）,（1）+（2）,2018/9/20,
7、15,第二节 电子传递链（electron transport chain, ETC）,一、概念：,线粒体内膜上的电子传递系统,电子传递链是位于细胞线粒体内膜上的多种电子传递体构成的链式反应系统，它能把生物氧化过程中多种代谢物脱下的氢或电子按照一定的次序传递给分子氧，化合生成水。,线粒体纵切立体图,线粒体内膜中存在电子传递链和ATP合成酶。,2018/9/20,16,2丙酮酸,脂肪酸、氨基酸等,2018/9/20,17,二.电子传递链组分与功能,1.电子传递链组分,NADH脱氢酶,Fe-S蛋白,CoQ,Cyt b,Cytc1,1/2O2,Cyt c,Cytaa3,类别：NADH呼吸链：NADH
8、脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3,2018/9/20,18,NADH脱氢酶：辅基为FMN， 是跨膜蛋白，其活性中心在膜 的内侧，可催化NADH脱氢， 并有质子泵功能，与铁-硫蛋 白形成复合体。,琥珀酸脱氢酶(FAD)： 与铁硫蛋白形成复合体，是膜内 侧的一个嵌入蛋白，活性中心在 膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为 延胡索酸，无质子泵功能。,2.电子传体功能,2018/9/20,19,Fe-S蛋白：含有等量的铁和硫，二者形成配位键，铁还和肽链
9、的半胱氨酸形成配位键。有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子。,CoQ：是醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下：,Fe3+ +e- Fe2+,2018/9/20,20,(1)Cytb：Cytb是跨膜蛋白，可接受CoQ的电子，还原Cytc1，具有质子泵功能。 (2)Cytc1：与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子传给Cytc 。,细胞色素(Cyt)类:共有5种，分别为Cyt b 、Cyt c1、 Cytc、 Cyta.a3，所有的细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基-血红素，如Cytc的辅基与蛋白质的结合。,F
10、e3+ + e Fe2+,其中的铁离子可接受电子和释放电子,2018/9/20,21,细胞色素aa3(Cytaa3)，能够氧化Cytc，把电子传递给分子氧，由于它处于呼吸链末端，故称为末端氧化酶。,Cytaa3在传递电子过程中，能利用释放的能量把质子泵出线粒体到内膜外侧。,e-,2H-,2018/9/20,22,两个游离载体,NADH电子传递链,NADH脱氢酶Fe-S蛋白CoQCyt bCytc1CytcCytaa3 1/2O2,FADH2电子传递链,1/2O2H2O,电子传递链复合体以嵌入形式存在内膜中,3.电子传递链的类别及存在方式,2018/9/20,23,第三节氧化磷酸化(oxidat
11、ive phosphorylation),经脱氢酶催化，由代谢物脱下来的氢或电子，经电子传递链传递到氧生成水，释放能量伴随ADP磷酸化生成ATP。,那些部位偶联ATP生成？,？,一、概念,2018/9/20,24,电子传递体传递电子释放自由能：,-0.32 -0.30 0 0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.385 +0.816,E ,ATP+H2O ADP+Pi,G0=-nE0=-296.49E0=-192.98E0,G0=-30.54KJ/mol,相邻电子传递体之间的E00.158eV时，释放的自由能才能促使ADP磷酸化生成ATP。,FMNH2的电子传给Fe-S释放自由能？,
12、G0=-nFE0=-192.98E0=-192.980-(-0.3)=-192.980.3=57.89KJ/mol,E0=-30.54/-182.98=0.158eV,-30.54,2018/9/20,25,NADHFMNFe-SCoQFe-SbFe-Sc1caa31/2O2,溶氧测定仪,CytCFe2+,ATP,还原型细胞色素c,1,琥珀酸,2,2 3,P/O,2018/9/20,26,Mitchell(1961)等人，用提取纯化的线粒体放入三角瓶最适环境中(最适温度、较高pH缓冲溶液)。,ATP,试验现象： 加入呼吸底物消耗氧，底物被氧化； 溶液pH开始降低； 降低到一定程度时，才开始合成
13、ATP，在合成ATP过程中，溶液的pH维持恒定。,如何解释这种现象？,二. 氧化磷酸化机理,2018/9/20,27,2H+,2H+,2H+,e-,+2H+H2O, 加入呼吸底物消耗氧，底物被氧化；, 溶液pH开始降低？, 降低到一定程度时，才开始合成ATP， 在合成ATP过程中，溶液的pH维持恒定？,Mitchell(1961)对试验现象的合理解释：,2H+,2H+,2H+,ADP,ATP,Pi,ADP,Pi,ATP,2018/9/20,28,化学渗透学说(Mitchell 1961)：电子传递沿呼吸链传递释放能量，促使质子泵出内膜到外侧，在内膜的内外两侧建立质子的浓度梯度和电位梯度，总称为
14、质子电化学梯度(势能)。当质子沿F1-Fo复合体穿过时就会F1-Fo头部合成ATP。,NADH2,NAD+,2018/9/20,29,3H+,ADP+Pi,ATP,内,外,F1,F0,ATP,ADP +Pi,1964年Paul Boyer提出构象偶联假说,Boyer也因此荣获1997年诺贝尔化学奖。,2018/9/20,30,P/O比值,是指当一对电子经电子传递链传给氧的过程中所产生的ATP分子数，即消耗的无机磷酸分子数与消耗氧原子数之比。,通过测定无机磷与氧的消耗量可计算出P/O比值。不同代谢物，产生的ATP数目也不同，但P/O比值与产生的ATP数目之间有一定关系。,实验研究证明，一对电子经
15、过NADH电子传递链传递给O2泵出10个H+。能够偶联2.5ATP，而经过琥珀酸电子传递链出递给氧可泵出6个H+，因此可偶联1.5ATP生成。,2018/9/20,31,三、植物线粒体中的呼吸支路,NADHFP2 （Mt内膜内侧） Qbc1caa3O2 NADHFP3 （Mt内膜外侧） Qbc1caa3O2 NADHFP4 （Mt外膜内侧） b5caa3O2,2018/9/20,32,四、氧化磷酸化的解联剂和抑制剂,1.解偶联剂,正常情况下，电子传递与磷酸化是两个紧密偶联在一起的过程。某些物质可以解除两者偶联，这是研究氧化磷酸化中间步骤的有效方法。,(uncoupler),是指那些不阻断呼吸链的电子传递，但能够抑制ADP磷酸化转化为ATP的化合物。解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、 2.4-二硝基苯酚、双香豆素等。,作用机理：这些物质可以将内膜外侧的质子转移到内膜的内 侧，从而瓦解质子的电化学梯度。如典型的解偶联剂 2，4 -二硝基苯酚。,2018/9/20,33,NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2,2.电子传递抑制剂,
