生物化学生物氧化课件.ppt
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1、第七章 新陈代谢与生物氧化(metabolisim&Biological Oxidation),一 新陈代谢总论,二 生物氧化,大纲要求,生物氧化的概念和特点生物氧化的方式和种类线粒体氧化体系非线粒体氧化体系生物氧化过程中能量的转移和作用,一 新陈代谢总论,(一)新陈代谢的概念,新陈代谢,合成代谢(同化作用),分解代谢(异化作用),生物小分子合成为生物大分子,需要能量,释放能量,生物大分子分解为生物小分子,能量代谢,物质代谢,新陈代谢的共同特点:,1.由酶催化,反应条件温和。,2.诸多反应有严格的顺序,彼此协调。,3.对周围环境高度适应。4.是长期进化形成的,生物界其基本过程十分相似。,(二)
2、新陈代谢的研究方法,1.活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro),2.同位素示踪,3.代谢途径阻断,(四)高能化合物与ATP的作用,高能化合物,磷酸化合物,非磷酸化合物,磷氧型,磷氮型,硫酯键化合物,甲硫键化合物,烯醇磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,代谢途径存在区隔化,细胞核是遗传信息贮存场所 在这里进行基因复制和转录,从而控制细胞的代谢活动。细胞质中间代谢主要在细胞胞液中进行 糖酵解、糖原异生的许多反应以及糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸的生物合成。在胞液中的核糖体(游离)是蛋白质起始合成的主要场所。,内质网:糙面内质网合成蛋白质。蛋白质在内质网合成的同时,也要进行修饰与
3、加工,如糖基化、羟基化、酰基化等。光面内质网:与糖类、脂类合成关系密切,除少数线粒体的磷脂外,细胞的磷脂、糖脂、胆固醇都由内质网上的酶类催化而成。高尔基体:对细胞合成物或吸收物加工,浓缩,包装、运输。,线粒体,线粒体具有极其复杂的膜结构:有外膜内膜之分。外膜含有形成大通道的蛋白,相对分子量在10000以下的一般分子均能通过。内膜折皱成嵴,其上分布大量结构蛋白与酶类。主要为与呼吸链有关的细胞色素氧化还原酶类,ATP合成酶及调节代谢物进出的运输蛋白。,内膜包围的内腔充满基质,其中含有数百种不同的酶类。包括丙酮酸氧化脱羧,脂肪酸 氧化,三羧酸循环及氨基酸分解代谢有关的酶类。,ATP在能量供应中的作用
4、,提供生物合成所需能量;生物机体活动以及肌肉收缩的能量来源;提供物质跨膜运输所需要的能量;参与DNA、RNA和蛋白质的合成,保证遗传信息的正确传递,ATP以特殊方式递能。,物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。,Whats biological oxidation?,生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是:在37,近于中性的含水环境中,由酶催化进行;反应逐步释放出能量,相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。,乙酰CoA,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,2H,TAC,Section 1 The
5、Oxidation System of Producing ATP,第一节 生成ATP的氧化体系,在线粒体中,由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的,与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链(respiratory chain)。,一、线粒体氧化呼吸链,Whats respiratory chain?,构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。,(一)呼吸链的组成(p505),1复合体(NADH-泛醌还原酶):,NADH还原酶+4(Fe-S),NADH还原酶,NADH还原酶催化(NADH+H+)的脱氢反应,从而将2H传递给其辅基FMN,生成FMNH2。,铁硫蛋白,
6、铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同工蛋白;分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的铁硫中心(铁硫簇),一次可传递一个电子至CoQ。,铁硫中心的结构,泛醌(CoQ),泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物,由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10),氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。,2复合体(琥珀酸-泛醌还原酶):,琥珀酸脱氢酶+3(Fe-S)+Cyt b560,这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中,其铁离子可为+2价亚铁离子,也可为+3价高铁离子,通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。细胞色素根据其铁卟啉辅基的结
7、构以及吸收光谱的不同而分类。,细胞色素类,铁卟啉辅基的分子结构,细胞色素可存在于线粒体内膜,也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3,Cyt b(b560,b562,b566),Cyt c,Cyt c1;存在于微粒体的细胞色素有Cyt P450和Cyt b5。,细胞色素b的分子结构,细胞色素c的分子结构,3复合体(泛醌-细胞色素c还原酶):,2Cyt b+Cyt c1+(Fe-S),Cyt a+Cyt a3,4复合体(细胞色素c氧化酶):,(二)呼吸链组分的排列顺序,通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序:标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链
8、缓慢给氧,氧化呼吸链的组成,NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,氧化呼吸链的排列顺序,Q,Cytc,1NADH氧化呼吸链:,NAD+FMN(Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa3,2.琥珀酸氧化呼吸链:,两条电子传递链的关系,上节小结:,两个概念:生物氧化和呼吸链两个氧化体系:线粒体氧化体系、其他氧化体系两条电子传递链:NADH和琥珀酸,一、生物氧化的概念物质在体内的氧化分解过程,主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。,摄氧产能(ATP+热能)产生H2O
9、+CO2,生物氧化特点需O2 释放能量 产生H2O+CO2,概念:(1)代谢脱下的成对氢原子(2H)通过多种酶和辅酶 所催化的连锁反应逐步传递,最终与氧结合生成 水;(2)酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜;传递氢的酶和辅酶递氢体 传递电子的酶和辅酶递电子体(3)此过程与细胞呼吸有关,此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用,又称电 子传递体。,二、呼吸链(respiratory chain,线粒体的结构,呼吸链,呼吸链主要成分和作用,递氢体 递电子体,烟酰胺(nicotinamide)脱氢酶(NAD+、NADP+)黄素蛋白(flavoprotein)(FMN、FAD)铁硫蛋白(
10、iron-sulfur cluster)(Fe-S)泛醌(Ubiquinone)(CoQ)细胞色素类(Cytochrome)(Cyt),1、呼吸链中的组成,复合体复合体 复合体 复合体复合体,酶名称NADH-Q 还原酶琥珀酸-Q还原酶Q-CytC 还原酶CytC 氧化酶,辅基 FMN,Fe-S FAD,Fe-S 铁卜啉,Fe-S 铁卜啉,Cu,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,复合物 NADH-Q 还原酶,泛醌(ubiquinone,Q)亦称辅酶Q(Coenzyme Q,CoQ)人体中:CoQ10A、结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性3.是电子传递体中唯一可游离存在的电
11、子 载体(无蛋白)B、作用:递氢体C、递氢机制:是多种底物进入呼吸链的中心点,(2)复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,(2)复合物(琥珀酸-泛醌还原酶)细胞色素b560(细胞色素cytochrome,Cyt),A、结构:一类含铁卜啉辅基的色素蛋白B、分类:Cyta:Cytaa3 Cytb:Cytb562、Cytb566、Cytb560 Cytc:Cytc、c1C、区别:铁卜啉辅基侧链不同铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同D.作用:Cytb,c-单电子传递 Fe2+Fe3+e Cytaa3-以O2为电子受体,(3)复合物 Q-cytc还原酶,Cytc呈水溶性与线粒体内膜外表面结合不紧密易与线粒体内膜分离,
12、(3)复合物 Q-cytc还原酶,(4)复合物 Cytc 氧化酶,呼 吸 链 简 图,NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3(Fe-S)(Fe-S),FAD.H2(Fe-S),琥珀酸,2H,2H,2H,2H,2H+,2e,2e,2e,2e,2e,体内两条重要的呼吸链:(1)NADH 氧化呼吸链(2)琥珀酸氧化呼吸链,二、氧化磷酸化,1.底物水平磷酸化:直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,(一)生物体内ATP的生成方式,底物水平磷酸化见于下列三个反应:,2
13、.氧化磷酸化:在线粒体中,底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧,在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP,这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。,(二)氧化磷酸化的偶联部位,1.P/O比值:通过测定在氧化磷酸化过程中,氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系,可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,合成1molATP时,需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol,相当于氧化还原电位差E0=0.2V。因此,在NADH氧化呼吸链中
14、有三处可以生成ATP,而在琥珀酸氧化呼吸链中,只有两处可以生成ATP。,2.自由能变化与ATP的生成部位:,氧化磷酸化的偶联部位,(三)氧化磷酸化的偶联机制,1.化学渗透假说:目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Peter Mitchell提出的化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)。,生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成,(一)CO2的生成,方式:糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物,然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型:直接脱羧 氧化脱羧,在生物体内,CO2是通过有机酸的脱羧作用生成的。按照羧基所连接的位置不同,可将有机酸的脱羧作用分为-脱羧
15、和-脱羧。按照脱羧时是否伴有氧化作用,可将有机酸的脱羧作用分为单纯脱羧和氧化脱羧。,1.单纯脱羧:见于氨基酸的脱羧作用。,2.单纯脱羧:见于草酰乙酸的脱羧作用。,3.-氧化脱羧:见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。,4.氧化脱羧:见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。,参与生物氧化的酶类,脱氢酶(Dehydrogenase);使代谢物的氢活化、脱落,并将之传递给其他受氢体或传递体。氧化酶(Oxidase);在生物氧化中,以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。加氧酶(Oxigendase);催化加氧反应的酶。传递体(Carrier).生物氧化过程中起着中间传递氢或电子作用的物质,它们既不能使代谢物脱氢,也不能
16、使氢活化。,(一).脱氢酶1.以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶(1)需氧黄酶,(2)不需氧黄酶,2.以尼克酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶,(二)氧化酶(Oxidase),(二)H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体(NAD+、NADP+、FAD、FMN等)所接受,再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。,例:,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,化学渗透学说,电子释放的能量转化为呼吸链向线粒体内外膜间隙释放质子,造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度。质子跨线粒体内膜渗透流回基质侧,带动ATP合成酶运转,合成ATP。,19611978,氧化磷酸化偶联机制,
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