考研科目動(dòng)物生物化學(xué) 生物氧化PPT課件

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1、一 生物氧化概述 二 呼吸鏈 三 ATP生成方式四 其它生物氧化體系本章主要內(nèi)容第1頁/共81頁重點(diǎn)難點(diǎn)：呼吸鏈的組成及其傳 遞過程； 氧化磷酸化第2頁/共81頁生物體把能量用在生命活動(dòng)的各個(gè)方面第3頁/共81頁一 概 述 物質(zhì)在生物體內(nèi)進(jìn)行氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時(shí)逐步釋放能量，最終生成CO2 和 H2O的過程。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸1 生物氧化 (Biological oxidation)的概念第4頁/共81頁糖 脂肪 蛋白質(zhì) CO2和H2O O2能量ADP+PiATP熱能第5頁/共81頁生物氧化發(fā)生的場(chǎng)所線粒體 1948年，Eugene Kennedy和Albert Le

2、hninger發(fā)現(xiàn): 真核生物氧化的場(chǎng)所是線粒體 原核生物氧化的場(chǎng)所為細(xì)胞質(zhì)膜第6頁/共81頁第7頁/共81頁（1）生物氧化過程中，代謝物脫氫生成 的還原型輔酶（NADH和FADH2） 如何經(jīng)電子傳遞鏈被氧化。2 生物氧化的關(guān)鍵兩點(diǎn)：（2）電子傳遞過程如何與ATP的生成相 偶聯(lián)。第8頁/共81頁3 生物氧化的特點(diǎn)（1）反應(yīng)條件溫和（2） 氧化的方式是脫氫（3） 需要酶和電子傳遞體參與（5） 能量主要轉(zhuǎn)化為ATP（4） 能量是逐步釋放的第9頁/共81頁糖原 三酯酰甘油 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA 呼吸鏈 ADP+Pi ATP 4 4 生物氧化的一般過程第10頁/共81頁第二節(jié)

3、 呼吸鏈 ( respiratory chain)1.CO2和H2O的生成 2.呼吸鏈的概念3.呼吸鏈的組成4.兩條主要的呼吸鏈第11頁/共81頁 -脫羧（直接脫羧）R-CH(NH2)-COOH RCH2NH2 CO2 氨基酸 氨基酸脫羧酶 胺 -氧化脫羧CH3COCOOH+NAD+CoASH CH3COSCoA+NADH+H+丙酮酸 丙酮酸脫氫酶系 乙酰輔酶(1) CO2的生成：1 生物氧化中CO2、H2O的生成 第12頁/共81頁 -脫羧（直接脫羧）HOOCCO-CH2COOH CH3COCOOH+CO2草酰乙酸(丙酮酸羧化酶）丙酮酸 -氧化脫羧HOOCCH2-CH(OH)COOH+NAD

4、P+ （蘋果酸） (蘋果酸脫羧酶）CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+ （丙酮酸）第13頁/共81頁 (2) H2O 的生成 代謝物在酶的作用下，將脫下的氫經(jīng)過氫傳遞體，傳給氧生成水。第14頁/共81頁 底物上的H原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列的電子載體，將電子和質(zhì)子(H+)最終傳遞給氧而生成水。 由這一系列酶和電子載體組成的多酶體系稱為呼吸鏈或電子傳遞鏈。2 呼吸鏈 (Respiratory Chain)第15頁/共81頁第16頁/共81頁 呼吸鏈由四種復(fù)合物、細(xì)胞色素c和輔酶Q組成。 輔酶Q和細(xì)胞色素c是獨(dú)立存在的，四種復(fù)合物又都是由幾種不同的蛋白組成的多蛋白復(fù)合體。 2 呼吸鏈

5、的組成第17頁/共81頁氧化呼吸鏈的組成氧化呼吸鏈的組成胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜 Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸 琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 第18頁/共81頁第19頁/共81頁（1）復(fù)合體（NADH-Q還原酶）NADH-Q還原酶FMN; Fe-SN-1a/b; Fe-SN-2; Fe-SN-3; Fe-SN-4 NADHCoQ第20頁/共81頁兩種輔基：FMN, Fe-S NADH還原酶催（NADH+H+）的脫氫反應(yīng)，將2H傳遞給其輔基FMN，生成FMNH2。第21頁/共81頁鐵硫蛋白 (iron-sulfur protein)Fe4S4 鐵硫

6、蛋白通過Fe3+ 和Fe2+變化起傳遞電子的作用。第22頁/共81頁 輔酶Q (CoQ) 輔酶Q又稱泛醌(ubiquinone)，是脂溶性化合物。CoQ的功能是作為氫傳遞體： CoQ + 2H CoQH2 第23頁/共81頁 輔酶Q既接受NADH脫氫酶的氫，還接受線粒體其他脫氫酶（琥珀酸-Q還原酶）脫下的氫。 輔酶Q在電子傳遞鏈中處于中心地位。第24頁/共81頁（2 2）復(fù)合體）復(fù)合體（琥珀酸琥珀酸-Q還原酶）還原酶） 琥珀酸-Q還原酶FAD;Fe-S1; b560; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸CoQ第25頁/共81頁 一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)。可分為三大類：Cyta（a，a3）

7、Cytb、 Cytc(c,c1)。 細(xì)胞色素(Cytochrome：Cyt)：輔基3種：FAD、FeS、細(xì)胞色素第26頁/共81頁鐵卟啉輔基的分子結(jié)構(gòu) Fe原子處于血紅素環(huán)中央。借助化學(xué)價(jià)的變化（Fe2/ Fe3）傳遞電子。第27頁/共81頁 （3）復(fù)合體（Q-細(xì)胞色素c還原酶）輔基：Cyt、 Fe-Sb562; b566; Fe-S; c1QH2 Cyt c 第28頁/共81頁輔基：Cyt 、Cu2 （4）復(fù)合體（細(xì)胞色素c氧化酶）CuAaa3CuB 還原型Cyt c O2第29頁/共81頁 （1）NADH氧化呼吸鏈 （2）FADH2氧化呼吸鏈 3 線粒體內(nèi)主要存在兩條呼吸鏈第30頁/共81

8、頁氧化呼吸鏈的排列順序氧化呼吸鏈的排列順序胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) 線粒體內(nèi)膜 Q 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸 琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 第31頁/共81頁FMN,Fe-S復(fù)合體FAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體Cytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體Cytaa3,Cu復(fù)合體第32頁/共81頁NADH呼吸鏈電子傳遞方向NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2第33頁/共81頁FADH2呼吸鏈電子傳遞方向琥珀酸 復(fù)合體 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2第34頁/共81頁兩條呼吸鏈的關(guān)系第35頁/共81頁4 電子傳遞順序的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：(1) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧還電位E

9、0的高低 -0.32v -0.06v 0.00v 0.26v 0.28v 0.82vNADH Fe-S CoQ b c1 c aa3 O2 (2) 利用阻斷劑研究分析第36頁/共81頁氧氧化化還還原原對(duì)對(duì)E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸鏈鏈

10、中中各各種種氧氧化化還還原原對(duì)對(duì)的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)氧氧化化還還原原電電位位第37頁/共81頁第38頁/共81頁5 胞漿中NADH的氧化機(jī)制 胞漿中NADH必須經(jīng)一定轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體，再經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。 （1）蘋果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) （2）-磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle）第39頁/共81頁（1）蘋果酸穿梭系統(tǒng) 主要存在于肝和心肌中。 NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對(duì)氫原子進(jìn)入線粒體，經(jīng)NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，可生成2.5分子ATP。 第40頁/共81頁谷氨酸-天冬氨酸 轉(zhuǎn)運(yùn)體蘋果酸-酮 戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

11、 胞液 基質(zhì) NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-OHH蘋果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸 蘋果酸 脫氫酶 谷草轉(zhuǎn) 氨酶 NADH呼吸鏈 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H蘋果酸穿梭系統(tǒng)第41頁/共81頁（2 2）磷

12、酸甘油穿梭系統(tǒng) 主要存在于腦和骨骼肌中。 NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對(duì)氫原子進(jìn)入線粒體，由于經(jīng)琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化，產(chǎn)生1.5分子ATP。第42頁/共81頁 線粒體 內(nèi)膜 線粒體 外膜膜間腔 線粒體 基質(zhì)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)磷酸甘油穿梭系統(tǒng) FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘油脫氫酶 琥珀酸氧化呼吸鏈 磷酸二羥丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ -磷酸甘油脫氫酶第43頁/共81頁第三節(jié) ATP的生成方式1 底物磷酸化 (substrate level p

13、hosphorylation)2 氧化磷酸化作用 (Oxidation phosphorylation ) 第44頁/共81頁1 底物磷酸化 底物脫氫或脫水等作用，使能量在分子內(nèi)部重新分配，形成高能磷酸化合物，然后將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP形成ATP的過程。第45頁/共81頁 3- 3-磷酸甘油醛氧化成1.31.3二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸磷酸甘油醛脫氫酶第46頁/共81頁 1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶 生產(chǎn)1分子ATP（底物水平磷酸化）第47頁/共81頁2 氧化磷酸化作用 電子沿著呼吸鏈的傳遞過程中，伴隨將ADP磷

14、酸化而形成ATP的過程。 即電子傳遞與ATP形成相偶聯(lián)的機(jī)制。第48頁/共81頁第49頁/共81頁 氧化磷酸化作用：ATP的生成與呼吸鏈電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用。區(qū)別： 底物水平磷酸化作用：通過酶的催化，能量在分子內(nèi)重排，形成的高能磷酸基團(tuán)直接轉(zhuǎn)移生成ATP。第50頁/共81頁 每消耗1mol原子氧時(shí)(1對(duì)H原子與1個(gè)O原子)，ADP磷酸化攝取無機(jī)磷（酸）的mol數(shù)（生成ATP的mol數(shù)）。 NADH：，2.5分子Pi和ADP生成2.5分子ATP，P/O=2.5/1。 FMN：1.5分子Pi和ADP生成1.5分子ATP，P/O=1.5/1。（1）P/O比值：第51頁/共81頁（2 2）氧化磷

15、酸化的偶聯(lián)部位 當(dāng)電子從一個(gè)氧化還原電位較低的還原型遞體轉(zhuǎn)移到較高電位的氧化型遞體時(shí)，就有負(fù)自由能變化，即能量的釋放。第52頁/共81頁G=-50.24kJ/molG=-41.87kJ/molG=-100.48kJ/mol推動(dòng)ADP磷酸化形成ATP所需的標(biāo)準(zhǔn)自由能大約在-30.56kJ/mol第53頁/共81頁ADP形成ATP的部位部位I：NADH和輔酶Q之間部位II：輔酶Q和cyt-c1之間部位III： cyt-a 和 O2 之間第54頁/共81頁（3 3）氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理 電子傳遞和ATP生成的偶聯(lián)是通過一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)高能共價(jià)中間物，這個(gè)中間物隨后又裂解將其能量供給ATP

16、的合成。 化學(xué)偶聯(lián)假說(chemical coupling hypothesis)第55頁/共81頁 電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化而形成一種高能形式。 構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformational coupling hyopthesis)第56頁/共81頁 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將H+從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。 質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。 化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)第57頁/共81頁支持這一假說的證據(jù)： A 直至現(xiàn)在并沒有發(fā)現(xiàn)任何一種介于電 子傳遞和ATP形成的高能中間物

17、；B 氧化磷酸化作用的進(jìn)行需有完整的線粒 體內(nèi)膜存在；C 線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH-、K+、Cl-等離 子都是不通透的；第58頁/共81頁D 破壞H+濃度梯度的形成都必然破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)行；E 線粒體電子傳遞所形成的電子流能夠 從線粒體內(nèi)膜逐出H+離子。第59頁/共81頁線粒體基質(zhì) 線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學(xué)滲透假說簡單示意圖第60頁/共81頁 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側(cè) 基質(zhì)側(cè) + + + +

18、 + + + + + + - - - - - - - - - 化學(xué)滲透假說詳細(xì)示意圖ATP酶復(fù)合體催化ATPCyt還原酶Cyt氧化酶第61頁/共81頁A H+和電子的傳遞體按一定的順序 排列在線粒體內(nèi)膜上，氧化磷酸化 作用的進(jìn)行需有完整的線粒體。 化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)是：第62頁/共81頁B 電子傳遞鏈中，釋放出來的能量， 用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè) （膜對(duì)H+是不通透的）。在膜的內(nèi)側(cè) 與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度和電 位梯度。第63頁/共81頁 C 在膜內(nèi)外勢(shì)能差的驅(qū)動(dòng)下，膜外高 能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道, 跨膜回到 膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能 量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。第64

19、頁/共81頁FOF1-ATP合酶膜外質(zhì)子返回膜內(nèi)的通道催化ATP合成的部位第65頁/共81頁第66頁/共81頁（4）影響氧化磷酸化的因素 抑制劑的調(diào)節(jié) ADP的調(diào)節(jié) 甲狀腺素的調(diào)節(jié) 線粒體DNA突變第67頁/共81頁 抑制劑：呼吸鏈抑制NADH FMN Q b c1 c aa3 O2 Fe-S阿米妥 抗霉素A CN、N3-魚藤酮 CO、H2S機(jī)理：阻斷氫與電子的傳遞 FAD(Fe-S)第68頁/共81頁 解偶聯(lián)劑：使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過程分離，特點(diǎn)是抑制ATP形成，但不抑制電子傳遞過程,使電子產(chǎn)生的自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?如 2，4二硝基苯酚和其他的一些芳香族化合物。 解偶聯(lián)劑第69頁/共8

20、1頁 ADP的調(diào)節(jié)ADP/ATP：氧化磷酸化ADP/ATP：氧化磷酸化第70頁/共81頁 線粒體DNA突變mtDNA編碼呼吸鏈復(fù)合體的多肽鏈及蛋白質(zhì)mtDNA突變影響氧化磷酸化ATP生成減少mtDNA病聾、盲、癡呆、肌無力、糖尿病第71頁/共81頁1 需氧脫氫酶第5節(jié) 其它生物氧化體系 在有氧條件下才脫氫，脫下的氫立即交給分子氧，生成H2O2。 大多以FAD、FMN為輔基的酶類：黃嘌呤氧化酶 氨基酸氧化酶等。 第72頁/共81頁2 不需氧脫氫酶 底物脫的H通過呼吸鏈與氧結(jié)合。以NAD、NADP和FAD為輔酶：丙酮酸脫氫酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶等。第73頁/共81頁3 氧化酶 細(xì)胞色素氧化酶，將

21、電子傳遞給氧，生產(chǎn)O2-,與H生產(chǎn)水。 可被CN和CO抑制。第74頁/共81頁4 4 過氧化物酶體中的酶類 （1）過氧化氫酶(catalase)R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 過氧化物酶 過氧化物酶 以鐵卟啉為輔基，催化H2O2直接氧化酚類或胺類化合物 第75頁/共81頁 谷胱甘肽過氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ 此類酶可保護(hù)生物膜及血紅蛋白免遭損傷 谷胱甘肽還原酶 (2)含硒的谷胱甘肽過氧化物酶 GSSG：氧化型谷胱甘肽 GSH：還原型谷胱甘肽第76頁/共81頁催化超

22、氧離子(O2)、H2O2、羥自由基(OH)的反應(yīng)。 （3） 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase SOD）2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 過氧化氫酶第77頁/共81頁4 微粒體中的酶類 （1）加單氧酶(monoxygenase)RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 又或羥化酶(hydroxylase)。 主要作用在藥物的代謝中，形成極性比藥物本身更大的代謝物排出體外。第78頁/共81頁（2）加雙氧酶 此酶催化氧分子中的2個(gè)氧原子加到底物中帶雙鍵的2個(gè)碳原子上。ONH2NHNHOCOOHNH2CHO例 如： (O2) 色氨酸吡咯酶第79頁/共81頁思考題1 呼吸鏈及其組成。2 兩條主要的呼吸鏈及其傳遞方向。3 呼吸鏈中ATP生成及抑制劑作用部位。4 兩種穿梭作用。5 底物磷酸化和氧化磷酸化。6 化學(xué)滲透學(xué)說的內(nèi)容。第80頁/共81頁感謝您的觀看！第81頁/共81頁