第六章生物氧化(本科第七版).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,*,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,*,第六章 生物氧化(,Biological oxidation),授课对象：本科,目的要求：,4、熟悉,ATP,生成方式、,ATP,的贮存利用。,1、,熟悉生物氧化的概念。,2、掌握呼吸链的主要组成成分及电子传递顺序、,线粒体外,NADH,转入线粒体的机制。,3、掌握氧化磷酸化的概念，掌握氧化磷酸化偶联,部位及影响因素。,5、了解线粒体外生物氧化体系的主要场所及意义。,6,、了解其他不生成,ATP,的氧化体系。,概述：,生物氧化,：,营养物质在生物体内氧化分解成,H,2,O,和,CO,2,并逐步释放能量形成,ATP,的过程称,为生物氧化（,biological oxidation,）。,糖原,三酯酰甘油,蛋白质,葡萄糖,脂酸,+,甘油,氨基酸,乙酰,CoA,TCA,2H,呼吸链,H,2,O,ADP+Pi,ATP,CO,2,本章主要讲授两个问题：,(1)水是怎样生成的。(2),ATP,是怎样合成的。,（注：,CO,2,的生成均通过有机酸的脱羧生成）,请看下列简图：,底物,氧化产物,2,H,递氢体,2,H,2,e,递电,子体,O,2,1,2,O,=,H,2,O,释放,自由能,ADPPi,ATP,第一节 生成,ATP,的氧化磷酸化体系,一、呼吸链,（一）呼吸链概念,代谢物脱下的2,H，,经过一系列、按一定顺序排列在线粒体内膜上的,酶和辅酶,（递氢体和递电子体）的传递，最后与氧结合为水，这一连锁反应体系，称为呼吸链(,respiratorychain),或电子传递链（,electron transfer,chain）。,能,传递氢的酶或辅酶(辅基)称为,递氢体,。,能,传递电子的酶或辅酶(辅基)称为,电子传递体,。,呼吸链的组成成份,1,、,NAD,+,2,、,FAD,、,FMN,3,、铁硫蛋白,4,、,CoQ(,泛醌）,5,、细胞色素,（二）,呼吸链的组成,*泛醌 和,Cyt c,均不包含在上述四种复合体中。,人体呼吸链复合体的组成,1、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（,NAD,+,）：,在生物氧化中,起递氢的作用。,NAD,和,NADP,+,在生物氧化中递氢机制：,1)黄素蛋白及其辅基,FMN：,在生物氧化中起递氢的作用。,作用：,N,1,N,10,可逆性传递二个氢原子。,铁硫蛋白的结构,S,S,无机硫,半胱氨酸硫,3、辅酶,Q（CoQ）,，又称泛醌,是一种脂溶性醌类化合物，可在线粒体内膜自由,扩散,在生物氧化中是一种递氢体。,4、,复合体,，,琥珀酸泛醌还原酶,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,。,复合体,功能,:,是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,复合体,的组成：,1)黄素蛋白及其辅基,FAD：,在生物氧化中起递氢的作用。,FADH,2,或,FMNH,2,FAD,或,FMN,NH,O,N,=,O,N,N,R,H,3,C,H,3,C,1,3,5,7,9,10,+2,H,-2,H,NH,O,N,=,O,N,H,N,R,H,3,C,H,3,C,6,6,7,H,1,10,2)铁硫蛋白（铁硫中心）及其辅基铁硫簇（,Fe-S,）,：,在,生物氧化中起递电子的作用。,5,、复合体,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),。,电子传递过程：,CoQH,2,(Cyt b566(L)Cyt b562(H)Fe-S Cytc,1,Cytc,复合体,功能,:,是将电子从泛醌传递给细胞色素,c,。,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,。,结构和吸收光的不同将细胞色素分成三大类,:,细胞色素,cyta,cytb,cytc,a,a,3,b,562(H),b,566(L),C,1,C,作用,:,可逆性的传递电子,Fe,+2,Fe,+3,+e,呼吸链中细胞色素的排列及电子传递过程：,2,e,2,Fe,2+,2,Fe,3+,2,e,2,Fe,3+,2,Fe,2+,b(L),b(H),2,e,c,1,2,Fe,2+,2,Fe,3+,c,2,e,2,Fe,3+,2,Fe,2+,aa,3,2,e,1,2,O,2,O,2-,H,2,O,2,H,+,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,。,7,、复合体,复合体,功能,:,将电子从细胞色素,C,传递给氧,每传递,2,个电子,可将,2,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,的电子传递过程,表,6-2,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,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,-,呼吸链的组分实际上以4个复合体及2种分离存在的传递体的形式传递氢与电子。,1.NADH,氧化呼吸链,:,NADH,复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,每2,H,通过,NADH,氧化呼吸链传递可生成,2.5,分子,ATP,。,2.,琥珀酸氧化呼吸链（亦称为,FADH,2,氧化呼吸链,）,:,琥珀酸 复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,每2,H,通过,FADH,2,氧化呼吸链传递可生成,1.5,分子,ATP,。,两条呼吸链排列顺序,二、,ATP,的生成,底物水平磷酸化,ATP,生成方式,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,(,substrate level phosphorylation,):,底物脱氢使分子内部能量重新分布，生成的高能键，直接转给,ADP,磷酸化生成,ATP,的过程。,氧化磷酸化,(oxidative phosphorylation),:,底物脱下的氢,经呼吸链的传递释放能量，偶联,ADP,磷酸化生成,ATP,的过程，又称为偶联磷酸化。是生成,ATP,的主要方式。,呼,吸,链,AH,2,2H(2H,+,+2e),A,能,ADP+Pi,ATP,O,2,1,2,氧化,磷酸化,偶,联,H,2,O,1.,P/O,比值：,氧化磷酸化过程中，每消耗,1,摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数,(,合成,ATP,的克分子数,),。,（一）氧化磷酸化偶联部位,（,ATP,生成部位）,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,ATP,ATP,ATP,氧化磷酸化偶联部位,复合体,、,、,2.,电子传递链自由能变化,(,二,),氧化磷酸化偶联机制,1,、化学渗透学说,(chemiosmotic hypothesis),：,氢原子经呼吸链传递时，质子（,H,+,）被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,（包括,H,+,浓度梯度和跨膜电位差）,，以此储存能量，当质子顺浓度梯度回流时驱动,ADP,与,Pi,生成,ATP,。,线粒体基质,线粒体内膜,+,-,H,+,O,2,H,2,O,H,+,e,-,ADP,+,Pi,ATP,线,粒,体,外,膜,线,粒,体,内,外,膜,间,隙,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,+,-,化学渗透假说详细示意图,2、,ATP,合酶（,ATP synthase）：,复合体,在,F,0,和,F,1,之间的柄部有一个寡霉素敏感蛋白（,oligomycin-,sensitity-conferring protein,OSCP,）,寡霉素能与之结合抑制,ATP,的合成。,ATP,合酶,F,0,（,疏水部分,）：由,a,1,b,2,c,9,12,亚基组成，是镶嵌,在线粒体内膜中的质子通道,F,1,（,亲水部分,）：由,3,3,亚基组成，其功能是,催化,ATP,的生成，,催化部位在,亚基中,ATP,合酶结构模式图,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,三、影响氧化磷酸化的因素,1.,呼吸链抑制剂,2.,解偶联剂,3.,氧化磷酸化抑制剂,（一）抑制剂,1、呼吸链抑制剂：能阻断呼吸链中某些部位电子传递。,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（,uncoupler,）,解偶联剂不抑制呼吸链，而是使氧化释放的自由能不能合成,ATP，,使氧化和磷酸化解离。,常见的解偶联剂是2，4二硝基苯酚（,DNP）。,NADHH,FADH,2,1,2,O,2,ADPPi,-2,H,产物,S,酶,NAD,+,FAD,H,2,O,释放,能量,ATPH,2,O,底物,SH,2,以热能释放,人（尤其是新生儿）含有大量的棕色脂肪组织，该组织中有,解偶联蛋白（,uncoupling protein,）。,早产儿缺乏棕色脂肪组织，易患新生儿硬肿症。,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,3、,氧化磷酸化,抑制剂：这类抑制剂对电子传递和,ADP,磷酸化都,有抑制作用。,如：,寡霉素,能与寡霉素敏感蛋白结合，,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,质子通道回流，抑制,ATP,合酶活性。,寡霉素,（二）,ADP,调节作用,NADHH,氧化磷酸化,H,2,ONAD,ADPPi,ATP,三羧酸循环,(+),(-),O,2,1,2,氧化磷酸化的底物是,NADHH,，O,2,，ADP,和,Pi，,由于,O,2,和,Pi,一般是不会缺乏的，所以主要是调节,ADP,的水平。,当,ADP,时，即能量消耗增加时，氧化磷酸化 ，,NAD,增多，从而间接促进三羧酸循环。反之，当,ADP、,ATP ，,氧化磷酸化,三羧酸循环速度减慢，营养物质,分解速度，以节省能源物质。,（三）甲状腺激素的调节作用,甲状腺激素能诱导细胞膜上,Na,+,，K,+,-ATP,酶的合成，使,ATP,加速分解为,ADP,和,Pi，,而,ADP,的增多，再促进氧化磷酸化，故甲状腺激素促进,ATP,的合成，又促进,ATP,的分解。,此外，,甲状腺激素（,T,3,）,还能使解偶联蛋白基因表达增加，使耗氧和产热均增加，因此，甲状腺,功能亢进者基础代谢率增高。,（四）线粒体,DNA,突变,线粒体,DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）,呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受到自身氧化磷酸化过程中产生的氧自由基的损伤而发生突变，其突变率是核,DNA,的1020倍。,mtDNA,突变可影响氧化磷酸化的功能，使,ATP,生成减少而,致病，称为,mtDNA,病。常见的症状有盲、聋、痴呆、肌无力、,糖尿病等，以母系遗传居多，老年人常见。,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,磷酸肌酸是体内高能磷酸化合物储存形式，,在肌肉及脑组织中储存最多。,NH,2,CNH,NCH,3,CH,2,COOH,ATP,NH,C=NH,N-CH,3,CH,2,COOH,+,ADP,肌酸,磷酸肌酸,P,肌酸激酶,（,CK）,肌酸和磷酸肌酸的代谢终产物是肌酐，是肾功能,化验指标之一。,ATP,的生成和利用,ATP,ADP,肌酸,磷酸,肌酸,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。,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同的转运载体对不同物质进行转运以保证生物氧化的顺利进行。,线粒体内膜的主要转运蛋白,（一）胞液中,NADH,的氧化,在胞液中生成的,NADH（,如3-磷酸甘油醛脱氢反应生成的,NADH）,不能自由通过线粒体内膜，它必须先通过某种转运机制转运入线粒体才能氧化，,在胞液中生成的,NADH,进入,线粒体的转运机制主要有以下两种：,2,、苹果酸,-,天冬氨酸穿梭,(malate-asparate shuttle),1,、,-,磷酸甘油穿梭,(-glycerophosphate shuttle),胞液中的1分子,NADH,通过,a,-,磷酸甘油穿梭进入,线粒体氧化可,生成,1.5,分子,ATP,。,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.,-,磷酸甘油穿梭机制,胞液中的1分子,NADH,通过,苹果酸天冬氨酸穿梭,进入,线粒体氧化可生成,2.5,分子,ATP,。,2.,苹果酸,-,天冬氨酸穿梭机制,第二节,其他不生成,ATP,的氧化体系,The Others Oxidative Enzyme Systems without ATP Producing,一、需氧脱氢酶和氧化酶,二、过氧化物酶体中的酶类,（一）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,（二）过氧化物酶,(perioxidase),以血红素为辅基，催化,H,2,O,2,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,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,（三）含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,反应氧族,超氧离子,(O,2,),、,H,2,O,2,、羟自由基,(OH),的统称。,三、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),四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶,(monoxygenase),*,催化的反应：,RH+NADPH+H,+,+O,2,ROH+NADP,+,+H,2,O,故又称混合功能氧化酶,(,mixed-function oxidase,),或羟化酶,(,hydroxylase,),。,上述反应需要,细胞色素,P,450,(Cyt P,450,),参与。,目 录,（二）加双氧酶,此酶催化氧分子中的,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,思考题,1、名词解释：生物氧化，底物水平磷酸化，氧化磷,酸化，,P/O,比值。,2、何谓呼吸链？有哪些组分构成？,3、试述,NADH,氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链中各,传递体的排列顺序。,4、试述体内,ATP,如何生成？,5、线粒体外,NADH,如何氧化？,