生物化学第八章生物氧化.ppt

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,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,一、生物氧化的概念,第一节 概述,二、生物氧化与体外氧化之相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。,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；脱下的氢与氧结合产生,H,2,O,，有机酸脱羧产生,CO,2,。,三、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,三酯酰甘油,蛋白质,葡萄糖,脂酸,+,甘油,氨基酸,乙酰,CoA,TAC,2H,呼吸链,H,2,O,ADP+Pi,ATP,CO,2,生物氧化的一般过程,第二节,线粒体氧化体系,人线粒体呼吸链复合体,复合体,酶名称,质量,(kD),多肽链数,功能辅基,含结合位点,复合体,NADH-,泛醌还原酶,850,39,FMN,，,Fe-S,NADH,（基质侧）,CoQ,（脂质核心）,复合体,琥珀酸,-,泛醌还原酶,140,4,FAD,，,Fe-S,琥珀酸（基质侧）,CoQ,（脂质核心）,复合体,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,250,11,血红素,b,L,b,H,c,1,Fe-S,Cyt c,（膜间隙侧）,细胞色素,c,13,1,血红素,c,Cyt c,1,，,Cyt a,复合体,细胞色素,C,氧化酶,162,13,血红素,a,，,a,3,，,Cu,A,Cu,B,Cyt c,（膜间隙侧）,泛醌不包含在上述四种复合体中。,Cytc,ox,NAD,H,+,H,+,NAD,+,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,QH2,Q,延胡索酸,琥珀酸,QH2,Q,4H,+,4H,+,4H,+,4H,+,Cytc,ox,Cytc,red,Cytc,red,4H,+,4H,+,电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置,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),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,结构中含,核黄素,，发挥功能的部位是,异咯嗪环,，氧化还原反应时不稳定中间产物是,FMN,。在可逆的氧化还原反应中显示,3,种分子状态，属于,单、双电子传递体。,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,）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人,CoQ,10,），氧化还原反应时可生成中间产物,半醌型泛醌,。内膜中,可移动电子载体,，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在,电子传递和质子移动,的偶联中起着核心作用。,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，细胞色素,b-c1,复合体，含有细胞色素,b(b562,b566),、细胞色素,c1,和一种可移动的铁硫蛋白,(Rieske protein),。,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,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,每传递,2,个电子向内膜胞浆侧释放,4,个,H,+,，,复合体,也有质子泵作用,。,Cyt c,是,呼吸链唯一水溶性球状蛋白,，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体,。,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,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）,呼吸链中传递体的排列顺序,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,氧化还原对,E,0,(V),氧化还原对,E,0,(V),NAD,+,/NADN+H,+,0.32,Cyt c1 Fe,3+,/Fe,2+,0.22,FMN/FMNH,2,0.219,Cyt c Fe,3+,/Fe,2+,0.254,FAD/FADH,2,0.219,Cyt a Fe,3+,/Fe,2+,0.29,Cyt b,L,(b,H,)Fe,3+,/Fe,2+,0.05(0.10),Cyt a3 Fe,3+,/Fe,2+,0.35,Q,10,/Q,10,H,2,0.06,1/2O,2,/H,2,O,0.816,1,、,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,、,、,电子传递链自由能变化,2,、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,。,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；,线粒体内膜对,H,+,、,OH,、,K,、,Cl,离子是不通透的；,电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；,增加线粒体内膜外侧酸性可导致,ATP,合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但,ATP,生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持,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。,（三）质子顺梯度回流释放能量被,ATP,合酶利用催化,ATP,合成,F1,：亲水部分（动物：,3,3,亚基复合体，,OSCP,、,IF1,亚基,），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化,ATP,合成。,F0,：疏水部分（,ab,2,c,912,亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道,。,ATP,合酶结构组成,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）。,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,化合物,E,0,kJ/mol,(kcal/mol),磷酸烯醇式丙酮酸,61.9,(,14.8),氨基甲酰磷酸,51.4,(,12.3),1,，,3-,二磷酸甘油酸,49.3,(,11.8),磷酸肌酸,43.1,(,10.3),ATP ADP,Pi,30.5,(,7.3),乙酰辅酶,A,31.5,(,7.5),ADP AMP,Pi,27.6,(,6.6),焦磷酸,27.6,(,6.6),1-,磷酸葡萄糖,20.9,(,5.0),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。,三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响,各种抑制剂对电子传递链的影响,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,1,、各种呼吸链抑制剂的阻断位点,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),可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，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),。,3,、,ATP,合酶抑制剂同时抑制电子传递和,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,F,0,单位，二环己基碳二亚胺,(dicyclohexyl carbodiimide,DCCP),共价结合,F,0,的,c,亚基谷氨酸残基，阻断质子从,F,0,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影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。,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。,呼吸控制率,(respiratory control ratio,RCR),（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。,五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,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转运蛋白,(transporter),对各种物质的转运。,转运蛋白,进入线粒体,出线粒体,ATP-ADP,转位酶,ADP,3-,ATP,4-,磷酸盐转运蛋白,H,2,PO,4,-,+H,+,二羧酸转运蛋白,HPO,4,2-,苹果酸,-,酮戊二酸转运蛋白,苹果酸,-,酮戊二酸,天冬氨酸,-,谷氨酸转运蛋白,谷氨酸,天冬氨酸,单羧酸转运蛋白,丙酮酸,OH,-,三羧酸转运蛋白,苹果酸,柠檬酸,碱性氨基酸转运蛋白,鸟氨酸,瓜氨酸,肉碱转运蛋白,脂酰肉碱,肉碱,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：,1、-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中,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,2,、苹果酸,-,天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,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,（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。,非线粒体氧化体系,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。,需氧脱氢酶和氧化酶,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),细胞色素,P450,单加氧酶作用机制,