生物氧化学习教案.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,会计学,1,生 物 氧 化,第一页，共87页。,第一节 概述(i sh),第1页/共87页,第二页，共87页。,营养物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2 和 H2O，并释放能量(nngling)的过程称生物氧化。,*一.生物(shngw)氧化的概念,第2页/共87页,第三页，共87页。,*生物(shngw)氧化与体外氧化的相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应(fnyng)的一般规律。,物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,第3页/共87页,第四页，共87页。,是在细胞内温和的环境中由酶催化(cu hu)进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。,代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,*生物(shngw)氧化与体外氧化的不同点,生物(shngw)氧化,体外氧化,能量是突然释放的。,CO,2,、,H,2,O,由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,第4页/共87页,第五页，共87页。,*三.生物氧化的一般(ybn)过程,第5页/共87页,第六页，共87页。,能量代谢概况(gikung),糖、脂肪、蛋白质彻底氧化分解代谢可分成三个阶段：,供能物质分解成基本组成单元：,将基本组成单元分解成乙酰辅酶A：释放部分能量；,乙酰辅酶A经过三羧酸循环氧化生成(shn chn)二氧化碳和还原物质（NADH和FADH），并释放少量能量；,三羧酸循环脱下的还原物质（NADH和FADH）经过呼吸链氧化生成(shn chn)水，并释放大量的能量，生成(shn chn)较多ATP；,将能源物质中的化学能转变成可直接利用的物质中的化学能：在胞液和线粒体中进行；,同化代谢过程一般消耗能量（可利用形式）；异化代谢过程一般有利于将能量转变成可供利用的能量（形式）；,第6页/共87页,第七页，共87页。,第二节 生成ATP的氧化(ynghu)体系The Oxidation System of ATP Producing,第7页/共87页,第八页，共87页。,一，高能(gonng)键和高能(gonng)化合物(P123),生理条件下，化学键水解时可释放的自由能大于21 kJ/mol称为高能键；,含有高能键的化合物称为高能化合物；,高能键主要类型：磷酸酐键、磷酰胺键、硫酯键、磷酸酯键、混合酸酐键；,体内主要的高能化合物有：NTP、NDP、CrP、乙酰辅酶A(CH3COSCoA)等；,高能化合物之间通过(tnggu)化学反应可转移高能键；,第8页/共87页,第九页，共87页。,核苷二磷酸激酶的作用,ATP+UDP ADP+UTP,ATP+CDP ADP+CTP,ATP+GDP ADP+GTP,腺苷酸激酶的作用,ADP+ADP ATP+AMP,第9页/共87页,第十页，共87页。,第10页/共87页,第十一页，共87页。,ATP是人体内(t ni)能量的直接供给者。,第11页/共87页,第十二页，共87页。,磷酸(ln sun),焦磷酸,磷酸(ln sun),Fig 5.2.1 ATP水解的主要(zhyo)方式,第12页/共87页,第十三页，共87页。,二，体内(t ni)的能量利用和ATP循环,ATP中化学键的断裂方式：磷酸与磷酸之磷酸酐键断裂成焦磷酸和AMP；磷酸和磷酸之磷酸酐键断裂成ADP和磷酸；,ATP断裂成ADP是最主要的供能代谢方式；,ATP循环：ATP生成ADP，释放能量供应机体(jt)需要，而后通过ADP的磷酸化再生成ATP。是体内能量代谢的关键环节,第13页/共87页,第十四页，共87页。,ATP的生成(shn chn)和利用,第14页/共87页,第十五页，共87页。,三。肌酸激酶的作用(zuyng),磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存(zhcn)形式。,第15页/共87页,第十六页，共87页。,第16页/共87页,第十七页，共87页。,定义,代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过线粒体内膜上的多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终(zu zhn)与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。,组成,递氢体和电子传递体（2H 2H+2e）,呼吸(hx)链,第17页/共87页,第十八页，共87页。,（一）呼吸(hx)链的组成,人线粒体呼吸(hx)链复合体,第18页/共87页,第十九页，共87页。,呼吸(hx)链各复合体在线粒体内膜中的位置,第19页/共87页,第二十页，共87页。,四种复合体的排列(pili)关系,第20页/共87页,第二十一页，共87页。,1.,烟酰胺核苷酸,NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide)，又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用(zuyng)；,NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate)，又叫Co，主要在还原性生物合成中作为供氢体。,二者的递氢部位是烟酰胺部分，为Vit PP。,第21页/共87页,第二十二页，共87页。,R=H:NAD,+,;R=H,2,PO,3,:NADP,+,NAD+和NADP+的结构(jigu),第22页/共87页,第二十三页，共87页。,NAD+（NADP+）的递氢机制(jzh),（氧化(ynghu)型）,（还原型）,第23页/共87页,第二十四页，共87页。,2.黄素(hun s)辅基,FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide),FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide),FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用(zuyng)。,异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。,第24页/共87页,第二十五页，共87页。,FMN结构(jigu),异咯嗪,核醇,第25页/共87页,第二十六页，共87页。,FAD结构(jigu),第26页/共87页,第二十七页，共87页。,FMN和FAD递氢机制(jzh),（氧化(ynghu)型）,（还原型）,第27页/共87页,第二十八页，共87页。,3.铁硫蛋白(dnbi)(Iron-sulfur protein,Fe-S),又叫铁硫中心或铁硫簇。,含有等量铁原子和硫原子。,铁还与肽链中Cys残基的巯基连接。,铁原子可进行(jnxng)Fe2+Fe3+e 反应传递电子，为单电子传递体。,作用:将FMN或FAD中的电子传递给泛醌,第28页/共87页,第二十九页，共87页。,第29页/共87页,第三十页，共87页。,第30页/共87页,第三十一页，共87页。,4.,泛醌,(ubiquinone,UQ),即辅酶Q（Coenzyme Q，CoQ），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。,因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含(bohn)在四种复合体中。,分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。,第31页/共87页,第三十二页，共87页。,第32页/共87页,第三十三页，共87页。,第33页/共87页,第三十四页，共87页。,5.细胞(xbo)色素类（Cytochrome,Cyt）,是一类以铁卟啉为辅基的电子(dinz)传递蛋白。,呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同；Cyt a的铁卟啉为血红素A。,分子中的铁通过氧化还原而传递电子(dinz)，为单电子(dinz)传递体。,Cytaa3是唯一能将电子(dinz)交给氧原子的细胞色素,第34页/共87页,第三十五页，共87页。,第35页/共87页,第三十六页，共87页。,第36页/共87页,第三十七页，共87页。,NADH+H,+,NAD,+,FMN,FMNH,2,2Fe,2+,-S,2Fe,3+,-S,Q,QH,2,复合体,NADH CoQ,FMN;Fe-S,N-1a,b,;,Fe-S,N-4,;,Fe-S,N-3,;Fe-S,N-2,第37页/共87页,第三十八页，共87页。,复合体,琥珀酸 ,CoQ,Fe-S,1,;,b,560,;,FAD;,Fe-S,2,;,Fe-S,3,琥珀酸,延胡索酸,FAD,FADH,2,2Fe,2+,-S,2Fe,3+,-S,Q,QH,2,第38页/共87页,第三十九页，共87页。,复合体,QH,2,Cyt c,b,562,;b,566,;Fe-S;c,1,第39页/共87页,第四十页，共87页。,复合体,还原型,Cyt c O,2,Cu,A,aa,3,Cu,B,第40页/共87页,第四十一页，共87页。,由以下实验确定(qudng),标准氧化还原电位,拆开和重组,特异抑制剂阻断,还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）呼吸链成分(chng fn)的排列顺序,第41页/共87页,第四十二页，共87页。,第42页/共87页,第四十三页，共87页。,抑制剂,第43页/共87页,第四十四页，共87页。,1.NADH氧化(ynghu)呼吸链,2.琥珀酸氧化(ynghu)呼吸链,第44页/共87页,第四十五页，共87页。,NADH氧化(ynghu)呼吸链,FADH2氧化(ynghu)呼吸链,第45页/共87页,第四十六页，共87页。,线粒体内重要(zhngyo)代谢物氧化的途径,第46页/共87页,第四十七页，共87页。,二、氧化(ynghu)磷酸化,体内ATP生成(shn chn)的方式：,氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成(shn chn)ATP，又称为偶联磷酸化。,底物水平磷酸化(substrate level phos-phorylation)是底物分子内部(nib)能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,第47页/共87页,第四十八页，共87页。,（一）氧化(ynghu)磷酸化偶联部位,即ATP生成的部位(bwi)。,P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。,第48页/共87页,第四十九页，共87页。,线粒体离体实验测得的一些底物(d w)的P/O比值,底 物,呼吸链的组成,P/O,比值,生成,ATP,数,-,羟丁酸,NAD,+,O,2,2.42.8,2.5,琥珀酸,FAD O,2,1.7,1.5,抗坏血酸,Cyt cO,2,0.88,1,细胞色素,C,Cyt aa,3,O,2,0.610.68,1,第49页/共87页,第五十页，共87页。,三个偶联部位(bwi)：,ATP,ATP,ATP,NADH,与,CoQ,之间；,CoQ,与,Cyt c,之间；,Cyt aa,3,与氧之间。,第50页/共87页,第五十一页，共87页。,2.自由能变化(G0)：大于30.5kJ即可生成(shn chn)1摩尔ATP。G0nFE0,69.5kJ/mol,40.5kJ/mol,102.3kJ/mol,第51页/共87页,第五十二页，共87页。,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值(bzh)等于2.42.8，即产生2.5molATP。,琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值(bzh)等于1.7，即产生1.5molATP。,第52页/共87页,第五十三页，共87页。,（二）氧化(ynghu)磷酸化的偶联机制,1.化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外(niwi)质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,第53页/共87页,第五十四页，共87页。,第54页/共87页,第五十五页，共87页。,线粒体基质,线粒体膜,+,-,H,+,O,2,H,2,O,H,+,e,-,ADP,+,Pi,ATP,化学渗透(shntu)假说简单示意图,第55页/共87页,第五十六页，共87页。,复合体、均有质子泵作用(zuyng),4 H,+,4 H,+,4 H,+,4 H,+,2 H,+,2 H,+,内膜表面,基质,NADH,H,NAD,琥珀酸,延胡索酸,O,2,2H,+,H,2,O,第56页/共87页,第五十七页，共87页。,2.ATP,合酶,即复合体。位于(wiy)线粒体内膜的基质侧。,第57页/共87页,第五十八页，共87页。,ATP,合酶,F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。,F1：为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP。,OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于(wiy)F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。,第58页/共87页,第五十九页，共87页。,ATP合酶结构(jigu)模式图,第59页/共87页,第六十页，共87页。,化学计算估计每生成1分子ATP需3个H从线粒体内膜外侧(wi c)回流进入基质中。,ATP合酶的工作(gngzu)机制,第60页/共87页,第六十一页，共87页。,ATP,4-,F,0,F,1,胞液侧,基质侧,腺苷酸,转运蛋白,磷酸,转运蛋白,ADP,3-,H,2,PO,4,-,ATP,4-,3H,+,3H,+,H,+,H,+,H,2,PO,4,-,H,2,PO,4,-,ADP,3-,ADP,3-,每分子ATP在线粒体中生成(shn chn)并转运到胞浆需4个H回流进入线粒体基质中,第61页/共87页,第六十二页，共87页。,NADH氧化(ynghu)呼吸链每传递2H仅生成 2.5分子ATP到线粒体外被利用。,FADH2氧化(ynghu)呼吸链每传递2H仅生成 1.5分子ATP到线粒体外被利用。,第62页/共87页,第六十三页，共87页。,三、影响(yngxing)氧化磷酸化的因素,1.呼吸链抑制剂,阻断呼吸链中某些部位电子传递。,2.解偶联剂,使氧化与磷酸化偶联过程(guchng)脱离。,如：解偶联蛋白,3.氧化磷酸化抑制剂,对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。,如：寡霉素,（一）抑制剂,第63页/共87页,第六十四页，共87页。,三、氧化磷酸化作用可受某些(mu xi)内外源因素影响,（一）有3类氧化(ynghu)磷酸化抑制剂,1、呼吸(hx)链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程,复合体,抑制剂：鱼藤酮,(rotenone),、粉蝶霉素,A(piericidin A),及异戊巴比妥,(amobarbital),等,阻断传递电子到泛醌,。,复合体,的抑制剂：萎锈灵,(carboxin),。,第64页/共87页,第六十五页，共87页。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子(dinz)到泛醌(QN)；粘噻唑菌醇则作用QP位点。,复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子(dinz)由Cyt a到CuB-Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子(dinz)传递给O2。,第65页/共87页,第六十六页，共87页。,NADH,FMN,(Fe-S),琥珀酸,FAD,(Fe-S),CoQ,Cyt bCyt cCyt c,Cyt aa,3,O,2,鱼藤酮,粉蝶霉素,A,异戊巴比妥,抗霉素,A,二巯基丙醇,CO,、,CN,-,、,N,3,-,及,H,2,S,各种(zhn)呼吸链抑制剂的阻断位点,第66页/共87页,第六十七页，共87页。,不同(b tn)底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,第67页/共87页,第六十八页，共87页。,2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子(zhz)电化学梯度,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离(fnl)，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。,如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,第68页/共87页,第六十九页，共87页。,解偶联蛋白作用(zuyng)机制（棕色脂肪组织线粒体）,F,0,F,1,Cyt c,Q,胞液侧,基质(j zh)侧,解偶联,蛋白(dnbi),热能,H,+,H,+,ADP+Pi,ATP,第69页/共87页,第七十页，共87页。,3、ATP合酶抑制剂同时(tngsh)抑制电子传递和ATP的生成,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高(znggo)影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。,第70页/共87页,第七十一页，共87页。,寡霉素(oligomycin),可阻止质子(zhz)从F0质子(zhz)通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,第71页/共87页,第七十二页，共87页。,（二）ADP的调节作用,ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。,ADP，氧化磷酸化。,（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。,Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因(jyn)表达均增加。,（四）线粒体DNA突变,与线粒体DNA病及衰老有关。,第72页/共87页,第七十三页，共87页。,五、通过(tnggu)线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同(b tn)转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,第73页/共87页,第七十四页，共87页。,胞浆中NADH的氧化(ynghu),胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸(hx)链进行氧化磷酸化。,转运机制主要有,-磷酸甘油穿梭,(-glycerophosphate shuttle),苹果酸-天冬氨酸穿梭,(malate-asparate shuttle),第74页/共87页,第七十五页，共87页。,1、-磷酸甘油穿梭(chun su)主要存在于脑和骨骼肌中,第75页/共87页,第七十六页，共87页。,1.-磷酸甘油穿梭(chun su)机制,（脑和骨骼肌）,第76页/共87页,第七十七页，共87页。,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭(chun su)机制（肝和心肌）,苹果酸脱氢酶 转氨酶 转位(zhun wi)酶,第77页/共87页,第七十八页，共87页。,第三节 其他(qt)氧化酶系,The Others Oxidation Enzyme Systems,第78页/共87页,第七十九页，共87页。,一、需氧脱氢酶和氧化酶,第79页/共87页,第八十页，共87页。,二、过氧化物(u yn hu w)酶体中的酶类,（一）过氧化氢(u yn hu qn)酶(catalase),又称触酶，其辅基含4个血红素,2H,2,O,2,2H,2,O,+,O,2,过氧化氢酶,第80页/共87页,第八十一页，共87页。,（二）过氧化物(u yn hu w)酶(perioxidase),以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物,R+,H,2,O,2,RO+,H,2,O,RH,2,+,H,2,O,2,R+2,H,2,O,过氧化物酶,过氧化物酶,第81页/共87页,第八十二页，共87页。,反应氧族,超氧离子(lz)(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,三、超氧化物(cho yn hu w)歧化酶,2O,2,+2H,+,SOD,H,2,O,2,+O,2,H,2,O,+,O,2,过氧化氢(u yn hu qn)酶,SOD,：超氧化物歧化酶,(superoxide dismutase),第82页/共87页,第八十三页，共87页。,谷胱甘肽过氧化物(u yn hu w)酶,H,2,O,2,(,ROOH),H,2,O,(ROH+H,2,O),2G,SH,G,S,S,G,NADP,+,NADPH+H,+,*此类酶可保护(boh)生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,3.含硒的谷胱甘肽过氧化物(u yn hu w)酶,第83页/共87页,第八十四页，共87页。,四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶,(monoxygenase),*催化(cu hu)的反应：,RH+NADPH+H,+,+O,2,ROH+NADP,+,+H,2,O,故又称混合(hnh)功能氧化酶(mixed-function oxidase),或羟化酶(hydroxylase)。,上述反应(fnyng)需要细胞色素P450(Cyt P450)参与。,第84页/共87页,第八十五页，共87页。,目 录,第85页/共87页,第八十六页，共87页。,（二）加双氧酶,此酶催化(cu hu)氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。,例 如：,(O,2,),色氨酸吡咯酶,第86页/共87页,第八十七页，共87页。,