第06章生物氧化-(2).ppt

,目录,目录,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,目 录,目录,第,6,章,生物氧化,Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称,生物氧化,(biological oxidation),，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO,2,和 H,2,O的过程。,糖,脂肪,蛋白质,CO,2,和H,2,O,O,2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,生物氧化的概念,生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化各物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。,生物氧化各物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物,(CO,2,，,H,2,O),和释放能量均相同。,反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，,ATP,生成效率高。,通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会（还原当量）；脱下的氢与氧结合产生,H,2,O,，有机酸脱羧产生,CO,2,。,生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,能量突然释放。,物质中的碳和氢直接氧结合生成,CO,2,和,H,2,O,。,糖原,甘油三酯,蛋白质,葡萄糖,脂酸,+甘油,氨基酸,乙酰,CoA,TA,C,2H,呼吸链,H,2,O,ADP+Pi,ATP,CO,2,生物氧化的一般过程,第一节 生成,ATP,的氧化磷酸化体系,The Oxidative Phosphorylation System with ATP Producing,Cytc,Q,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,NADH,FMN,(Fe-S),琥珀酸,FAD,(,Fe-S,),CoQ,Cyt bCyt cCyt c,Cyt aa,3,O,2,NADH,氧化呼吸链,FADH,2,氧化呼吸链,NAD,+,和,NADP,+,的结构,R=H:NAD,+,;R=H,2,PO,3,:NADP,+,NAD,+,（,NADP,+,）和,NADH,（,NADPH,）相互转变,氧化还原反应时变化发生在,五价氮,和,三价氮,之间。,FMN,结构发挥功能的部位是,异咯嗪环。,铁硫蛋白中辅基,铁硫中心,(Fe-S),含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行,Fe,2+,Fe,3+,+e,反应传递电子。,属于单电子传递体,。,表示无机硫,泛醌（辅酶,Q,CoQ,Q,）,细胞色素,(cytochrome,Cyt),细胞色素是一类以,铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类,，根据它们吸收光谱不同而分类。,复合体,又称,NADH-,泛醌还原酶。,复合体,电子传递：,NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ,每传递,2,个电子可将,4,个,H,+,从内膜基质侧泵到胞浆侧，,复合体,有质子泵功能,。,1,、复合体,作用是将,NADH+H,+,中的电子传递给泛醌,(ubiquinone),复合体,的功能,NADH+H,+,NAD,+,FMN,FMNH,2,还原型,Fe-S,氧化型,Fe-S,Q,QH,2,复合体,是三羧酸循环中的,琥珀酸脱氢酶,，又称,琥珀酸,-,泛醌还原酶,。,电子传递：,琥珀酸,FAD,几种,Fe-S CoQ,复合体,没有,H,+,泵的功能,。,2,、复合体,功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,3,、复合体,功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素,c,。,复合体,又叫,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,。,泛醌,从复合体,、,募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体,。,电子传递过程：,CoQH2(Cyt bLCyt bH)Fe-S Cytc1Cytc,每传递,2,个电子可将,4,个,H,+,从内膜基质侧泵到胞浆侧，,复合体,有质子泵功能,。,复合体,又称,细胞色素,C,氧化酶,(cytochrome c oxidase),。,电子传递：,Cyt cCuACyt aCyt a,3,CuBO,2,Cyt a,3,CuB,形成活性双核中心，将电子传递给,O,2,。每,2,个电子传递过程使,2,个,H,+,跨内膜向胞浆侧转移。,4,、复合体,将电子从细胞色素,C,传递给氧,复合体,的电子传递过程,Cytc,Q,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,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）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,由以下实验确定:,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,1,、,NADH,氧化呼吸链,NADH,复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,2,、琥珀酸氧化呼吸链,琥珀酸 复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,NADH,FMN,(Fe-S),琥珀酸,FAD,(Fe-S),CoQ,Cyt bCyt cCyt c,Cyt aa,3,O,2,NADH,氧化呼吸链,FADH,2,氧化呼吸链,二、氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与,ADP,磷酸化生成,ATP,偶联,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,ATP,，又称为,偶联磷酸化,。,底物水平磷酸化,(substrate level phosphorylation),与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使,ADP(GDP),磷酸化生成,ATP(GTP),的过程。不经电子传递。,ATP,生成方式,（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体,、,、,内,根据,P/O,比值,自由能变化,:G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：,复合体,、,、,线,粒,体,离,体,实,验,测,得,的,一,些,底,物,的,P/O,比,值,底,物,呼,吸,链,的,组,成,P/O,比,值,可,能,生,成,的,ATP,数,-,羟,丁,酸,NAD,+,复,合,体,CoQ,复,合,体,2.5,2.5,Cyt,c,复,合,体,O,2,琥,珀,酸,复,合,体,CoQ,复,合,体,1.5 1.5,Cyt,c,复,合,体,O,2,抗,坏,血,酸,Cyt,c,复,合,体,O,2,0.88,1,细,胞,色,素,c(Fe,2+,),复,合,体,O,2,0.61,-,0.68 1,1,、,P/O,比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗,1/2,摩尔,O,2,所生成,ATP,的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成,ATP,分子数）。,电子传递链自由能变化,ATP,ATP,ATP,氧化磷酸化偶联部位,NADH,FMN,(Fe-S),琥珀酸,FAD,(Fe-S),CoQ,Cyt bCyt cCyt c,Cyt aa,3,O,2,(,二,),氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度,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,。,线粒体基质,线粒体膜,+,-,H,+,O,2,H,2,O,H,+,e,-,ADP,+,Pi,ATP,化学渗透假说简单示意图,F,0,F,1,Cyt c,Q,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,H,+,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,ADP+Pi,ATP,4H,+,2H,+,4H,+,胞液侧,基质侧,+,-,电子传递过程,复合体,(4H,+,),、,(4 H,+,),和,(2H,+,),有质子泵功能,。,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,当,H,+,顺浓度递度经,F,0,中,a,亚基和,c,亚基之间回流时，,亚基发生旋转,，,3,个,亚基的构象发生改变,。,ATP,合酶的工作机制,ATP,合成的结合变构机制,(binding change mechanism),案例分析,患者：女性，,53,岁，因神志不清入院。患者,1,小时前被发现，疑煤气中毒。,体格检查：体温,37,度，脉搏,94,次,/,分，呼吸,22,次,/,分。,辅助检查：,1.,碳氧血红蛋白测定：,HbCO50%,2.,动脉血气分析：动脉血氧分压、氧饱和度和二氧化碳分压都处于较低水平,3.,脑电波显示广泛异常改变,问：煤气中毒的生化机制是什么？,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,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,萎锈灵,2,、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度,解偶联剂,(uncoupler),如：二硝基苯酚,(dinitrophenol,DNP),；,解偶联蛋白,(uncoupling protein,，,UCP1),。,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,F,0,F,1,Cyt c,Q,胞液侧,基质侧,解偶联,蛋白,热能,H,+,H,+,ADP+Pi,ATP,寡霉素,(oligomycin),寡霉素,ATP,合酶结构模式图,可阻止质子从,F0,质子通道回流，抑制,ATP,生成。,Na,+,，,K,+,ATP,酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,（二）,ADP,是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。,（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。,（四）线粒体,DNA,突变可影响机体氧化磷酸化功能。,电子传递链及氧化磷酸化系统概貌,H,+,跨膜质子电化学梯度；,H,+,m,内膜基质侧,H,+,；,H,+,c,内膜胞液侧,H,+,四、,ATP,在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸键,水解时释放的能量大于,21kJ/mol,的磷酸酯键，常表示为,P,。,高能磷酸化合物,含有高能磷酸键的化合物,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,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,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,ATP,的生成和利用,ATP,ADP,肌酸,磷酸,肌酸,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,P,P,机械能(肌肉收缩),渗透能(物质主动转运),化学能(合成代谢),电能(生物电),热能(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,内膜可透过物质：,ATP,、,AMP,、,Pi,、丙酮酸、琥珀酸、苹果酸、,-,酮戊二酸等。,内膜不可透过的物质：,H,+,、,NADPH,、,NADH,、草酰乙酸等。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,（一）胞浆中,NADH,通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链,胞浆中,NADH,必须经一定,转运机制,进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。,-,磷酸甘油穿梭,(-glycerophosphate shuttle),苹果酸,-,天冬氨酸穿梭,(malate-asparate shuttle),转运机制：,NADH+H,+,FAD,H,2,NAD,+,FAD,线粒体,内膜,线粒体,外膜,膜间隙,线粒体,基质,-,磷酸甘油,脱氢酶,呼吸链,磷酸二羟丙酮,-,磷酸甘油,1,、,-,磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中,NADH,+H,+,NAD,+,NADH,+H,+,NAD,+,谷氨酸,-,天冬氨酸,转运体,苹果酸,-,-,酮,戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-,酮戊二酸,谷氨酸,苹果酸,脱氢酶,谷草转,氨酶,胞液,线,粒,体,内,膜,基质,呼吸链,天冬氨酸,苹果酸,-,天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,（二）,ATP-ADP,转位酶促进,ADP,进入和,ATP,移出紧密偶联,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-,H,+,H,+,H,+,H,+,H,2,PO,4,-,H,2,PO,4,-,ADP,3-,ADP,3-,每分子,ATP,4-,和,ADP,3-,反向转运时，向内膜外净转移,1,个负电荷，相当于多,1,个,H,+,转入线粒体基质。,第二节,其他不生成,ATP,的氧化体系,The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing,一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能,反应活性氧类,(reactive oxygen species,ROS),O,2,e,-,O,-,2,e,-,+2H,+,H,2,O,2,e,-,+H,+,OH,H,2,O,e,-,+H,+,H,2,O,反应活性氧类,ROS,主,要来源,线粒体：,超氧阴离子,O,-2,，是体内,O,-2,的主要来源；,O,-2,在线粒体中再生成,H,2,O,2,和,OH,。,过氧化酶体：,FAD,将从脂肪酸等底物获得的电子交给,O,2,生成,H,2,O,2,和羟自由基,OH,。,胞浆,需氧脱氢酶,（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成,O,-2,。,细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等,外源因素,也可导致细胞产生活性氧类。,抗氧化酶体系,1,、过氧化氢酶,(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,可去除细胞生长和代谢产生的,H,2,O,2,和过氧化物,(R-O-OH),，是,体内防止活性氧类损伤主要的酶,。,2,、谷胱甘肽过氧化物酶,(glutathione peroxidase,，,GPx),H,2,O,2,+2GSH 2 H,2,O+GS-SG,2GSH+R-O-OH GS-SG+H,2,O+R-OH,谷胱甘肽过氧化物酶,H,2,O,2,(,ROOH),H,2,O,(ROH+H,2,O),2G,SH,G,S,S,G,NADP,+,NADPH+H,+,此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤。,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,3,、超氧化物歧化酶,2O,2,+2H,+,SOD,H,2,O,2,+O,2,H,2,O,+,O,2,过氧化氢酶,SOD,：超氧化物歧化酶,(superoxide dismutase),二、微粒体细胞色素,P450,单加氧酶催化底物分子羟基化,RH+NADPH+H,+,+O,2,ROH+NADP,+,+H,2,O,上述反应需要细胞色素,P450(,Cyt,P450),参与。,细胞色素,P450,单加氧酶,(,cytochrome,P450,monooxygenase,),，又称混合功能氧化酶,(mixed-function,oxidase,),或羟化酶,(,hydroxylase,),章末小结,1,.,四种复合体在线粒体内膜上的排列特点是什么？哪些复合体具有质子泵的功能，每传递,2,个电子泵出质子的数量各是多少？,2.,氧化呼吸链可以分为哪两条途径？各自对应多少个,ATP,的生成？,3.,细胞内,ATP,生成的两种方式是什么？,oxidative phosphorylation,和,substrate level phosphorylation,的含义是什么？,4,.,试说明氧化磷酸化的偶联部位，并简要说明化学渗透假说的基本要点。,5,.ATP,合酶的组成是什么？其运转机制是什么？当,亚基旋转一周会产生多少分子的,ATP,，伴随几个质子的回流？,6,.,试述线粒体内膜对物质选择性转运的两种方式分别是什么，其结果有什么不同？,