生物氧化课件市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx
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1、6 生物氧化生物氧化(Biologicaloxidation)6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.2 电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链)6.3 氧化磷酸化氧化磷酸化6.4 其它末端氧化系统其它末端氧化系统第1页第1页本章重点及难点本章重点及难点重点重点:掌握生物氧化,高能磷酸化合物概念及掌握生物氧化,高能磷酸化合物概念及ATP作用;掌握呼吸链电子传递体构成及排列方式,以作用;掌握呼吸链电子传递体构成及排列方式,以及受克制部位;掌握氧化磷酸化部位,氧化磷酸化及受克制部位;掌握氧化磷酸化部位,氧化磷酸化作用机理作用机理 ,理解其它末端氧化酶系统。,理解其它末端氧化酶系统。难点难点:与能量代谢相关
2、一些概念;呼吸链构成成份、与能量代谢相关一些概念;呼吸链构成成份、排列顺序;氧化磷酸化机理排列顺序;氧化磷酸化机理 。第2页第2页生物氧化生物氧化生物氧化生物氧化(biological oxidationbiological oxidation)是生物细胞将糖是生物细胞将糖是生物细胞将糖是生物细胞将糖,脂脂脂脂,蛋蛋蛋蛋白质等有机物进行氧化分解,最后身成白质等有机物进行氧化分解,最后身成白质等有机物进行氧化分解,最后身成白质等有机物进行氧化分解,最后身成COCO2和和和和H H2 2OO并并并并释放能量过程,也称细胞呼吸释放能量过程,也称细胞呼吸释放能量过程,也称细胞呼吸释放能量过程,也称细胞
3、呼吸(cellular respirationcellular respiration)。6.1 生物氧化概述生物氧化概述6.1.1 生物氧化概念生物氧化概念6.1.1.1 生物氧化主要内容生物氧化主要内容糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ATPADP+Pi热能热能第3页第3页糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂肪酸脂肪酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TCA TCA 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 生物氧化普通过程生物氧化普通过程(3个阶段个阶段)第4页第4页代谢物在体内氧化能够
4、分为:代谢物在体内氧化能够分为:糖、脂肪和蛋白质通过度解代谢生成乙酰辅酶糖、脂肪和蛋白质通过度解代谢生成乙酰辅酶A中中 乙酰基。乙酰基。乙酰辅酶乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢,生成进入三羧酸循环脱氢,生成CO2并使并使NAD 和和FAD还原成还原成NADH、FADH2。NADH和和FADH2中氢经呼吸链将电子传递给氧生成水中氢经呼吸链将电子传递给氧生成水,氧化过程中释放能量用于氧化过程中释放能量用于ATP合成。合成。(狭义生物氧化狭义生物氧化)第5页第5页w是是在在细细胞胞内内温温和和有有水水环环境境中中(体体温温,pH靠靠近近中中性性),经经一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步缓缓慢慢进进行行
5、,能能量量逐逐步步释释放放,以以ATP形形式式储储存存和和转转运运,有有助助于于机机体体捕捕获获能能量量,提提升升ATP生成效率。生成效率。w物物质质氧氧化化方方式式是是脱脱氢氢反反应应,脱脱下下氢氢在在酶酶、辅辅酶酶和和电电子子传传递递系系统统参参与与下下经经一一系系列列传传递递与与水水结结合合生生成成H2O;二二氧氧化化碳碳(CO2)是是由由于于糖糖、脂脂类类和和蛋蛋白白质质转转变变成成含含羧羧基基化化合合物物(有有机机酸酸)直直接接脱脱羧羧或或氧氧化化脱脱羧产生。羧产生。生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w在在高高温温、高高压压以以及及干干燥燥条条件件下下进进行行,是是猛猛烈烈自自由由基基
6、反反应应,能能量量是是突突发发式式释释放放。产产生生能能量量以以光与热形式散发在环境中。光与热形式散发在环境中。w产产生生CO2、H2O是是由由物物质质中中碳碳和氢直接与氧结合生成。和氢直接与氧结合生成。真核细胞在线粒体内膜真核细胞在线粒体内膜,6.1.1.2 生物氧化特点生物氧化特点原核细胞在质膜上进行。原核细胞在质膜上进行。场合场合:第6页第6页在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自在生命活动过程中所需能量都来自体内生化反应释放自由能。由能。由能。由能。自自自自由由由由能能能能(fre
7、e(free energy)energy):在在在在恒恒恒恒温温温温、恒恒恒恒压压压压下下下下一一一一个个个个体体体体系系系系可可可可用用用用于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称于做有用功能量。又称GibbsGibbs自由能,以自由能,以自由能,以自由能,以GG表示。表示。表示。表示。6.1.2 生物氧化自由能改变生物氧化自由能改变6.1.2.1 自由能概念自由能概念 G H T S G 0 反应不能自发进行反应不能自发进行 G=0 反应处于平衡状态反应处于平衡状态G仅与反应物基态和终态相关仅与反应物基态和终态相关,与反应路径与反应路径,机制无关。机制无关。第7页第7页
8、 GG =-RTlnK=-2.303RTlogK=-RTlnK=-2.303RTlogK 6.1.2.2 反应原则自由能改变与其平衡常数关系反应原则自由能改变与其平衡常数关系序列反应自由能总改变等于每一步反应自由能改变总和。序列反应自由能总改变等于每一步反应自由能改变总和。6.1.2.3 氧化还原电位氧化还原电位在氧化在氧化-还原反应中,电子从还原剂传递到氧化剂。还原反应中,电子从还原剂传递到氧化剂。原则情况下氧化还原电位改变:原则情况下氧化还原电位改变:E=原则氧化电极电位原则氧化电极电位 原则还原电极电位原则还原电极电位 E E 越大,得到电子倾向越大,氧化能力越强。越大,得到电子倾向越大
9、,氧化能力越强。越大,得到电子倾向越大,氧化能力越强。越大,得到电子倾向越大,氧化能力越强。E E 越小,失去电子倾向越大,还原能力越强。越小,失去电子倾向越大,还原能力越强。越小,失去电子倾向越大,还原能力越强。越小,失去电子倾向越大,还原能力越强。6.1.2.4 氧化还原电位与自由能关系氧化还原电位与自由能关系 G=-n F Eo(n为转移电子数为转移电子数)第8页第8页生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中,机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中,机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中,机体生物氧化释放能量普通先贮藏在高能化合物中,机体 用于做功能量来自高能化合物水解反应。
10、用于做功能量来自高能化合物水解反应。用于做功能量来自高能化合物水解反应。用于做功能量来自高能化合物水解反应。6.1.3 高能磷酸化合物高能磷酸化合物(21KJmol-1)高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键高能化合物含有不稳定高能键,是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能是高磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。或水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键。ATP是最主要高能化合物。是最主要高能化合物。并非含磷酸基团化合物均是高能化合物并非
11、含磷酸基团化合物均是高能化合物并非含磷酸基团化合物均是高能化合物并非含磷酸基团化合物均是高能化合物,G-6-P,F-6-PG-6-P,F-6-P,水解只释放水解只释放水解只释放水解只释放4.212.6kJmol4.212.6kJmol-1-1能量能量能量能量,是低能化合物。是低能化合物。是低能化合物。是低能化合物。6.1.3.1 生物体高能化合物生物体高能化合物第9页第9页SAMPEPATP乙酰-CoACP第10页第10页糖糖糖糖,脂肪脂肪脂肪脂肪,蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式蛋白质氧化分解释放能量一部分以热形式
12、散失,其余通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失,其余通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失,其余通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成散失,其余通过底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成ATPATP,以高能磷酸键形式存在。,以高能磷酸键形式存在。,以高能磷酸键形式存在。,以高能磷酸键形式存在。6.1.3.2 ATP结构及其在能量转换中作用结构及其在能量转换中作用人人人人在在在在猛猛猛猛烈烈烈烈活活活活动动动动时时时时肌肌肌肌肉肉肉肉消消消消耗耗耗耗ATPATP达达达达6mmolL6mmolL-1-1kgkg-1-1ss-1-1,迟迟迟迟延延延延几几几几秒秒秒秒钟钟钟钟后后后后最最最最大大大大ATPATP
13、合合合合成成成成则则则则为为为为1mmolL1mmolL-1-1kgkg-1 1ss-1-1.为为为为了了了了维维维维持持持持肌肌肌肌肉肉肉肉,脑脑脑脑,神神神神经经经经等等等等易易易易兴兴兴兴奋奋奋奋快快快快速速速速反反反反应应应应和和和和ATPATP动动动动态态态态平衡平衡平衡平衡,须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。须有一个便于利用高能磷酸贮能物质。中度体力劳动者每日每中度体力劳动者每日每kg体重需供应能量体重需供应能量3440千卡。千卡。第11页第11页ATPATP末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷
14、酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基末端有两个以磷酸酐键连接磷酸基,由于由于由于由于 P POO键极化键极化键极化键极化,电子云偏向电子云偏向电子云偏向电子云偏向OO,使使使使P P带部分正电荷,带部分正电荷,带部分正电荷,带部分正电荷,相距很近正电荷互相排斥,使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷互相排斥,使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷互相排斥,使磷酸酐键不稳定。相距很近正电荷互相排斥,使磷酸酐键不稳定。生理条件下生理条件下生理条件下生理条件下,ATPATP带带带带4 4个负电荷互相排斥个负电荷互相排斥个负电荷互相排斥个负电荷互相排斥,使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键使磷酸酸酐键 易水解成易水
15、解成易水解成易水解成ADPADP和和和和PiPi,可部分消除这种应力可部分消除这种应力可部分消除这种应力可部分消除这种应力,且且且且ADPADP和和和和PiPi 均带负电均带负电均带负电均带负电,使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解使平衡强烈地趋向水解,释放大量自由能。释放大量自由能。释放大量自由能。释放大量自由能。第12页第12页 ATPATP合成与放能反应偶联,利用释放能量由合成与放能反应偶联,利用释放能量由合成与放能反应偶联,利用释放能量由合成与放能反应偶联,利用释放能量由 ADPADP和和和和PiPi合成合成合成合成ATPATP;需能时需能时需能时需能时ATPA
16、TP水解成水解成水解成水解成ADPADP和和和和PiPi,将贮藏能量释放,以推动各种耗能生命活动。将贮藏能量释放,以推动各种耗能生命活动。将贮藏能量释放,以推动各种耗能生命活动。将贮藏能量释放,以推动各种耗能生命活动。ATP-ADP循环是生物系统能量互换中枢。循环是生物系统能量互换中枢。ATPATP水解时原则自由能改变位于各种物质水解时原则水解时原则自由能改变位于各种物质水解时原则水解时原则自由能改变位于各种物质水解时原则水解时原则自由能改变位于各种物质水解时原则 自由能改变中间,它能从含有更高能量化合物自由能改变中间,它能从含有更高能量化合物自由能改变中间,它能从含有更高能量化合物自由能改变
17、中间,它能从含有更高能量化合物 接受高能磷酸键接受高能磷酸键接受高能磷酸键接受高能磷酸键;ATPATP也能将也能将也能将也能将PiPi转移给水解时原则转移给水解时原则转移给水解时原则转移给水解时原则 自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。自由能改变较小化合物。ATP是生命活动利用能量主要直接供应形式。是生命活动利用能量主要直接供应形式。ATP还可作为磷酸基团转移反应中间载体。还可作为磷酸基团转移反应中间载体。第13页第13页第14页第14页线粒体具两层膜,外膜平滑,仅有少许酶结合。内膜线粒体具两层膜,外膜平滑,仅有少许酶结合。内膜线粒体具两层膜,外膜平滑,仅有少许酶
18、结合。内膜线粒体具两层膜,外膜平滑,仅有少许酶结合。内膜向内褶叠形成嵴,是能量转换主要部位。向内褶叠形成嵴,是能量转换主要部位。向内褶叠形成嵴,是能量转换主要部位。向内褶叠形成嵴,是能量转换主要部位。线粒体内腔充斥半流动基质线粒体内腔充斥半流动基质线粒体内腔充斥半流动基质线粒体内腔充斥半流动基质(衬质衬质衬质衬质),),结合结合结合结合TCA酶类、酶类、酶类、酶类、脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 -氧化酶类、氧化酶类、氧化酶类、氧化酶类、AA分解代谢酶类。分解代谢酶类。分解代谢酶类。分解代谢酶类。6.2 呼吸链呼吸链(电子传递链电子传递链,ETC)6.2.1 线粒体线粒体第15页第15页线粒体线粒体
19、线粒体线粒体DNADNA(mtDNAmtDNA)为环状编码细胞色素氧化酶、为环状编码细胞色素氧化酶、为环状编码细胞色素氧化酶、为环状编码细胞色素氧化酶、cyt.bcyt.b和和和和F FO疏水亚基等疏水亚基等疏水亚基等疏水亚基等1010各种蛋白质,其余蛋白质各种蛋白质,其余蛋白质各种蛋白质,其余蛋白质各种蛋白质,其余蛋白质 均由核基因编码均由核基因编码均由核基因编码均由核基因编码,在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。在细胞质中合成后运入线粒体。球形颗粒球形颗粒球形颗粒球形颗粒ATPATP合酶合酶合酶合酶(偶联因子偶联因子偶联因子偶联因子F F1-
20、F-FO),),通过一个细柄通过一个细柄通过一个细柄通过一个细柄 规则排列于线粒体内膜内表面。规则排列于线粒体内膜内表面。规则排列于线粒体内膜内表面。规则排列于线粒体内膜内表面。第16页第16页电子传递链电子传递链电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链 respiratory chainrespiratory chain)一系列一系列一系列一系列e e载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列载体按氧化还原电位梯度排列e e传递系统传递系统传递系统传递系统,将将将将 代谢物脱下代谢物脱下代谢物脱下代谢物脱下H H和和和和e e传递给传递给传递给传递给
21、OO2生成生成生成生成H H2OO,同时有同时有同时有同时有ATPATP生成。生成。生成。生成。6.2.2电子传递链电子传递链(electron transfer chain,ETC)6.2.2.1 电子传递链电子传递链(ETC)构成构成 递递递递H H体和递体和递体和递体和递e e体是传递体是传递体是传递体是传递H H或或或或e e载体载体载体载体,由于由于由于由于 H H=H H+e e,因此因此因此因此 递递递递H H体也是递体也是递体也是递体也是递e e体体体体,本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。本质是酶、辅酶、辅基。NAD、FAD、FMN、Fe-S、c
22、yt.、UQ都是疏水性分子。都是疏水性分子。除除UQ外都是蛋白外都是蛋白,通过其辅基可逆氧化还原传递通过其辅基可逆氧化还原传递e。ETCETC组分嵌合于线粒体内膜,分段构成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜,分段构成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜,分段构成份离复合物。组分嵌合于线粒体内膜,分段构成份离复合物。第17页第17页烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD,辅酶辅酶辅酶辅酶,Co Co)脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶,是连接作用物与是连接作用物与是连接作用物与是连接作用物与ETCETC主要环节。主要环节。主要环节。主要环
23、节。NADNAD接受代谢物上脱下接受代谢物上脱下接受代谢物上脱下接受代谢物上脱下2H2H(2H2H+2e+2e),传给黄素蛋白。传给黄素蛋白。传给黄素蛋白。传给黄素蛋白。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(NADP,辅酶辅酶辅酶辅酶,CoCo)脱氢酶辅酶,脱氢酶辅酶,脱氢酶辅酶,脱氢酶辅酶,NADNAD核糖核糖核糖核糖2 2-OHOHH H被被被被 P P取代而成。取代而成。取代而成。取代而成。NADPH普通为合成代谢或羟化反应提供普通为合成代谢或羟化反应提供H。第18页第18页NADH+H+FMN =NAD+FMNH2琥
24、珀酸琥珀酸+FAD =延胡索酸延胡索酸 +FADH2 FMN:NADH脱氢酶脱氢酶 FAD:琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶,甘油磷酸脱氢酶甘油磷酸脱氢酶,脂肪酰脂肪酰CoA脱氢酶脱氢酶 FMN:黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins)黄素蛋白有两种,分别以黄素蛋白有两种,分别以FMN和和FAD为辅基。为辅基。第19页第19页含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白含铁硫络合物蛋白,又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白又称非血红素铁蛋白(或铁硫中心或铁硫中心或铁硫中心或铁硫中心),铁与无机铁与无机铁
25、与无机铁与无机S S原子或与肽链上原子或与肽链上原子或与肽链上原子或与肽链上Cys-SHCys-SH残基硫结合。残基硫结合。残基硫结合。残基硫结合。铁硫蛋白铁硫蛋白(iron sulfur proteins,Fe-S)三种方式三种方式a、1Fe:4Cys-SHb、2S :2Fe:4Cys-SHc、4S:4Fe:4Cys-SH第20页第20页UQUQ功效基团是苯醌功效基团是苯醌功效基团是苯醌功效基团是苯醌,UQ,UQ接受接受接受接受一个一个一个一个e e和一个和一个和一个和一个H H+还原成半醌还原成半醌还原成半醌还原成半醌,再接受一个再接受一个再接受一个再接受一个e e和和和和H H+则还原成
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