《生物氧化生物化学》PPT课件.ppt

第六章 生物氧化 （Biological Oxidation）,Biochemistry Department Department of Basic Medical Sciences Hangzhou Normal University Guyisheng,生物化学 Biochemistry,2019/5/20,2,生物氧化的概念,物质在生物体内进行的氧化 （主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解，放出能量，生成CO2和H2O的过程） （又称：细胞呼吸、组织呼吸） 能量的形式： 热能，维持体温 化学能，合成ATP，供生命活动需要,2019/5/20,3,生物氧化图解,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,2019/5/20,4,生物氧化与体外氧化的相同点,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。 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。,2019/5/20,5,生物氧化的特点,细胞内温和的条件下进行 酶促反应 能量逐步释放，并合成ATP 反应以脱氢（脱电子）为主，并有广泛的加水脱氢反应 CO2由有机酸脱羧生成 H2O由脱下的氢与氧结合产生（经呼吸链）,2019/5/20,6,第一节 生成ATP的氧化磷酸化体系,线粒体生物氧化体系 通过呼吸链（电子传递链）完成 产物：H2O 意义：生成ATP，供机体生命活动之需要 ATP的生成方式： 氧化磷酸化（为主） 底物水平磷酸化,2019/5/20,7,一、呼吸链(respiratory chain),概念：代谢物脱下的成对氢原子（2H），通过多种酶与辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水；由于此过程与细胞呼吸有关，故称呼吸链，又称电子传递链（electron transfer chain）,递氢体与递电子体 位置：线粒体内膜上,2019/5/20,8,（一）呼吸链的组成,四种酶复合体 作用：催化递氢、递电子反应，最终传递给氧，生成水 酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式 所含各组分具体完成电子传递过程 电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成,呼吸链位置,2019/5/20,9,表：人线粒体呼吸链复合体,泛醌不包含在上述四种复合体中。,2019/5/20,10,1、NADH-泛醌还原酶（复合体）,位于呼吸链的起始，与大多数脱氢反应相联系（以NAD+为辅酶的脱氢酶类） 作用：将电子（氢）从NADH传递给泛醌 含：黄素蛋白（辅基为FMN） 铁硫蛋白（辅基为Fe-S） 辅酶（辅基）作为递氢体（递电子体） 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,辅酶结构,呼吸链概貌,呼吸链位置,2019/5/20,11,复合体的功能,2019/5/20,12,2、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体）,与代谢过程中以FAD为辅基的脱氢反应相联系（TAC中的琥珀酸脱氢酶） 作用：将电子（氢）从琥珀酸（或脂酰CoA等）传递到泛醌 含：黄素蛋白（辅基为FAD） 铁硫蛋白（辅基为Fe-S） 复合体没有H+泵的功能,呼吸链概貌,呼吸链位置,2019/5/20,13,复合体与的功能,2019/5/20,14,3、泛醌-细胞色素C还原酶（复合体）,又称：细胞色素b-c1复合体 含：细胞色素b（Cyt b562 ，Cyt b566） 细胞色素c1（Cyt c1） 可移动的铁硫蛋白(Rieske protein) 作用：将电子从泛醌传递到Cyt c （CoQH2Cyt bLCyt bH Fe-S Cytc1Cytc） Cyt c ：呼吸链中唯一的水溶性物质，位于内膜外表面，易分离；不包含在复合体中,呼吸链概貌,呼吸链位置,2019/5/20,15,细胞色素（Cytochrome, Cyt）,一类以铁卟啉为辅基的酶类 分Cyt a, Cyt b, Cyt c三大类（根据吸收光谱），再分若干亚类 各类细胞色素的差别： 铁卟啉辅基的侧链 铁卟啉与酶蛋白的连接方式 作用：传递电子,铁卟啉辅基,Q循环,2019/5/20,16,复合体的功能,2019/5/20,17,4、细胞色素C氧化酶（复合体）,呼吸链概貌,作用：将电子从Cyt c传递给氧 含Cyt a 和 Cyt a3，两者紧密结合，不易分离，故称 Cyt aa3 Cyt aa3 中含铁卟啉辅基和铜 与Fe类似，Cu也能传递电子,呼吸链位置,2019/5/20,18,复合体的作用机制,呼吸链概貌,含4个氧化还原中心 两个血红素辅基和两个Cu位点（CuA、CuB） Cyt a-CuA、 Cyt a3 CuB两组功能单元 Cyt a3 与CuB 形成双核活性中心 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2 每传递2个电子，使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。复合体有质子泵功能,呼吸链位置,电子传递,2019/5/20,19,复合体的功能,2019/5/20,20,（二）呼吸链成分的排列顺序,排列顺序确定的依据：多种实验的综合 1、标准氧化还原电位 2、特异的吸收光谱 3、特异的抑制剂 4、体外将呼吸链拆开和重组,呼吸链概貌,氧还电位,2019/5/20,21,重要的呼吸链,1、两条呼吸链 NADH氧化呼吸链（最主要） 大多数脱氢酶以NAD+为辅酶 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链） 某些脱氢酶以FAD为辅酶（辅基）,呼吸链排列,代谢物传递,2、一些重要代谢物氧化时的电子传递 如：苹果酸、丙酮酸、乳酸等 琥珀酸、脂酰CoA等,2019/5/20,22,二、氧化磷酸化 （Oxidative phosphorylation）,ATP的生成方式： 氧化磷酸化（主要方式） 底物水平磷酸化 氧化磷酸化的概念： 呼吸链电子传递过程中释放能量，偶联ADP磷酸化生成ATP，又称偶联磷酸化,2019/5/20,23,底物水平磷酸化 （Substrate level phosphorylation）,概念：在代谢过程中，将代谢物分子中的能量直接转移至ADP（GDP），生成ATP（GTP）的过程 体内有三处底物水平磷酸化 1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸 琥珀酸单酰CoA 琥珀酸,2019/5/20,24,（一）氧化磷酸化的偶联部位,偶联部位：复合体、 1、P/O比值 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（或ADP摩尔数），即代表生成ATP的摩尔数 2、自由能变化 Go-nFEo n : 电子数 F : 法拉弟常数（96.5kJ/mol.v）,P/O,自由能,2019/5/20,25,偶联部位图示,2019/5/20,26,（二）氧化磷酸化的偶联机制,化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis） Peter Mitchell 于60年代提出，获78年诺贝尔化学奖 化学渗透假说的基本要点： 1.呼吸链递氢递电子时，将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，形成电化学梯度（H+浓度差、电位差），储存能量 2.当H+顺电化学浓度梯度回流到线粒体内基质时，驱动ADP合成ATP,2019/5/20,27,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持,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离子不通透； 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。,2019/5/20,28,（三）ATP合酶（ATP synthase）,复合体，位于线粒体内膜基质侧，具有质子回流的通道，能合成ATP ATP合酶的结构 电镜观察： 基部 柄部 头部 生化分离： F0 F1 （脂溶性） （水溶性） 寡霉素敏感蛋白、IF1亚基等 （OSCP）,线粒体,2019/5/20,29,ATP合酶的组成,F1 ：含33亚基复合体，OSCP、IF1 亚基等 功能：合成ATP 催化部位：亚基（结合才有活性） F0 ：由a、b2 、 c912亚基组成 （动物细胞线粒体还有其他辅助亚基） 镶嵌于线粒体内膜，是质子回流通道 当H+经F0回流时， F1催化ADP生成ATP,ATP合酶,工作机制,2019/5/20,30,ATP合酶组成可旋转的发动机样结构,F0的2个b亚基的一端锚定F1的亚基，另一端通过和33稳固结合，使a、b2和33、亚基组成稳定的定子部分。 部分和亚基共同形成穿过33间中轴，还与1个亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、和亚基组成转子部分。 质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP,结构模式,工作机制,2019/5/20,31,三、影响氧化磷酸化的因素,（一）ADP（ADP/ATP）的调节作用 1、正常情况下的主要调节因素 ADP 氧化磷酸化 2、意义：使ATP的生成速度适应机体生理需要,2019/5/20,32,（二）甲状腺激素的影响,生理剂量：甲状腺激素 氧化磷酸化 诱导Na、KATP酶生成，ATP ADP，ADP增多，促进氧化磷酸化,大剂量：甲状腺激素能促进解偶联蛋白的基因表达，耗氧量和产热量（但ATP生成并不增加） 甲亢病人：基础代谢率，怕热、出汗、食欲增加、人体消瘦，等等,2019/5/20,33,（三）抑制剂的影响,1、呼吸链抑制剂（阻断电子传递） 2、解偶联剂（氧化与磷酸化过程脱离） 3、ATP合酶抑制剂（氧化磷酸化抑制剂） （抑制磷酸化、影响呼吸链）,呼吸链概貌,2019/5/20,34,1、呼吸链抑制剂 （阻断某部位的电子传递）,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 。 （与复合体中的铁硫蛋白结合，阻断电子传递） 复合体的抑制剂：萎锈灵（carboxin）,呼吸链概貌,2019/5/20,35,复合体抑制剂： 抗霉素A（antimycin A）阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ； 粘噻唑菌醇则作用QP位点； 二巯基丙醇（BAL）阻断Cyt b Cyt c1 复合体 抑制剂： CN、N3紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。 CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。,呼吸链概貌,2019/5/20,36,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,萎锈灵,2019/5/20,37,2、解偶联剂（使氧化与磷酸化过程脱离）,机制：电子传递过程泵出的H+不经过F0 质子通道回流，而通过内膜的其他途径返回线粒体基质，破坏内膜两侧的电化学梯度，妨碍ATP生成 1）2,4-二硝基苯酚（DNP）：脂溶性，在内膜中可自由移动，在内膜的胞液侧结合H+ ，移至基质侧释出H+ ，破坏电化学梯度 2）解偶联蛋白（UCP1）： 32KD的二聚体，在线粒体内膜形成质子通道，可使H+返流，释放热能 棕色脂肪组织的线粒体内膜含有解偶联蛋白（新生儿、哺乳动物等，以及心肌、骨骼肌） 游离脂肪酸能促使H+经解偶联蛋白返流,2019/5/20,38,解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,解偶联 蛋白,2019/5/20,39,抑制ADP磷酸化生成ATP，抑制呼吸链的递氢递电子过程。（具有双重作用）,寡霉素(oligomycin) ： 与寡霉素敏感蛋白（OSCP）（ATP合酶的F0、F1之间）结合，阻止质子经F0的通道返流，抑制ATP合成 因H+返流阻断，内膜两侧的电化学梯度增高，影响呼吸链的质子泵功能，影响呼吸链传递,呼吸链概貌,抑制剂,3、ATP合酶抑制剂（氧化磷酸化抑制剂）,二环己基碳二亚胺( DCCP)： 共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性,2019/5/20,40,寡霉素(oligomycin)作用机制,寡霉素,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,呼吸链概貌,抑制剂,2019/5/20,41,（四）线粒体DNA（mtDNA）突变,mtDNA的特点： 裸露的环状双螺旋 缺乏蛋白质保护，缺乏损伤修复机制 易受氧自由基的损伤而突变，是核DNA突变的1020倍 mtDNA编码基因： 氧化磷酸化呼吸链复合体的13条多肽链 线粒体蛋白质合成所需的22种tRNA和2种rRNA,2019/5/20,42,mtDNA疾病,mtDNA突变氧化磷酸化抑制 ATP生成致病,mtDNA疾病的特点： 母系遗传（卵子含mtDNA 几十万个，精子含mtDNA几百个，受精时卵细胞mtDNA的影响大） 老年发病多见（年龄增大， mtDNA突变加重） 症状取决于mtDNA突变程度与组织能量需求，耗能多的组织先出现功能障碍（盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等）,2019/5/20,43,四、ATP和能量的利用与转移,高能化合物与高能键“ ” 水解时释放能量 21 kJ/mol 体内有多种高能化合物 最重要的高能化合物：ATP 体内能量的利用与储存以ATP为中心,高能物,2019/5/20,44,能量的转移与储存,ATP+UDP ADP+UTP ATP+CDP ADP+CTP ATP+GDP ADP+GTP UTP、CTP、GTP分别参与糖原、磷脂和蛋白质的合成过程,ATP消耗过多时：2ADP ATP+AMP ATP还可将P转移给肌酸，生成磷酸肌酸（CP），是能量的贮存形式 ATP + 肌酸 ADP + 磷酸肌酸,2019/5/20,45,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。,2019/5/20,46,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜 通透性较大 内膜 通透性较小 需要转运载体,较为重要的跨膜转运有： 1、NADH的跨膜转运 2、ATP的跨膜转运 3、蛋白质的跨膜转运,2019/5/20,47,（一）胞液NADH的氧化 1、磷酸甘油穿梭作用,器官：脑、骨骼肌等 要点： 两种不同的磷酸甘油脱氢酶 线粒体内膜（胞液侧）的磷酸甘油脱氢酶以FAD为辅基，脱氢后生成FADH2，进入琥珀酸氧化呼吸链，生成1.5分子ATP 骨骼肌等组织，葡萄糖氧化分解，生成30分子ATP（一般组织，生成32分子ATP）,2019/5/20,48,2、苹果酸天冬氨酸穿梭作用,器官：肝、心肌 要点： 与磷酸甘油脱氢酶不同，线粒体内的苹果酸脱氢酶仍以NAD+为辅酶，脱下的氢进入NADH氧化呼吸链，生成2.5分子ATP 除苹果酸脱氢酶外，还需要酮戊二酸载体、酸性氨基酸载体、谷草转氨酶（GOT）参与,2019/5/20,49,（二）腺苷酸转运蛋白,又称ATPADP载体（ ATPADP carrier） ATPADP转位酶 腺苷酸载体对ATP、ADP作反向转运，同时需磷酸盐载体参与（转运H2PO4-和H+） 腺苷酸载体为二聚体结构（每个亚基分子量为3000）,2019/5/20,50,线粒体中ATP生成：3H+转运至基质,ATP-ADP反向转运：H+转运至基质 合计： 4H+转运至线粒体基质 NADH氧化呼吸链：2.5ATP 琥珀酸氧化呼吸链：1.5ATP,ATP转运至膜间隙，与肌酸作用 线粒体膜间隙存在磷酸肌酸激酶的同工酶,2019/5/20,51,（三）线粒体蛋白质的跨膜转运,尽管线粒体含DNA，能合成蛋白质；但98以上的线粒体蛋白质由核DNA编码，在线粒体外合成，然后转运至线粒体,需受体、酶类、某些蛋白质参与 线粒体基质蛋白质： 线粒体外合成跨膜转运至基质加工、成熟 线粒体内膜或膜间隙蛋白质： 线粒体外合成跨膜转运至基质初步加工 再重新穿过内膜进一步成熟,2019/5/20,52,第二节 其他氧化体系 （非线粒体生物氧化体系）,特点：氧化过程不包括高能化合物的生成（即不产生 ATP） 主要与体内代谢物、药物、毒物的生物转化有关 分布：微粒体、过氧化物酶体、细胞内其他部位 重要的酶类： 氧化酶和需氧脱氢酶 加单氧酶和加双氧酶 过氧化氢酶和过氧化物酶 超氧物岐化酶,2019/5/20,53,一、抗氧化酶体系,功能：清除反应活性氧类 反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS),2019/5/20,54,ROS主要来源,线粒体：超氧阴离子 的主要来源； 在线粒体中再生成H2O2和OH。 过氧化酶体：FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基OH。 需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成 。 外源因素：细菌感染、组织缺氧、环境因素、药物等也可导致细胞产生活性氧类。,2019/5/20,55,（一）过氧化氢酶（触酶）,H2O2在代谢中产生（如需氧脱氢酶），有双重作用 有利方面：吞噬细胞中氧化杀菌；甲状腺细胞中氧化碘（2I- I2），碘化酪氨酸 不利方面：损伤细胞、产生氧自由基 过氧化氢酶的作用： 2H2O2 2H2O+O2 过氧化氢酶的辅基含4个血红素,2019/5/20,56,附：过氧化物酶,与过氧化氢酶类似，以血红素为辅基 作用：催化H2O2直接氧化酚类、胺类 R + H2O2 RO + H2O RH2 +H2O2 R + 2 H2O,2019/5/20,57,（二）谷胱甘肽过氧化物酶 (glutathione peroxidase，GPx),作用：清除细胞生长和代谢中产生的H2O2或过氧化物（R-O-OH），保护生物膜和血红蛋白免遭损伤。 体内防止活性氧类损伤主要的酶。,H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG 2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH,2019/5/20,58,谷胱甘肽过氧化物酶的作用,该酶存在细胞内，含硒,2019/5/20,59,（三）超氧物岐化酶（SOD） （superoxide dismutase）,1、体内可产生超氧（阴）离子 （ O2 ） （呼吸链或其他物质氧化时）,4、有多种 SOD： 真核细胞胞液 CuZn-SOD 线粒体 Mn-SOD,2019/5/20,60,二、单加氧酶（monooxygenase） （混合功能氧化酶、羟化酶）,需要 Cyt P450 参与（属于 Cyt b 类） 分布广泛，含10个基因家族，100余种同工酶 肝、肾（微粒体）含量最多，参与类固醇激素、胆汁酸、胆色素的生成和药物、毒物的生物转化 需要NADPHCyt P450 还原酶参与 含有黄素蛋白 （辅基为FAD） 铁氧还蛋白（辅基为Fe-S）,单加氧酶,呼吸链复合体的位置,2019/5/20,62,呼吸链概貌,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+,复合体,2019/5/20,63,General picture of respiratory chain,complex,inhibitor,2019/5/20,64,NAD+结构,含维生素PP（烟酰胺，尼克酰胺） 中文名称：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸） 烟酰胺部分能可逆地接受氢与电子,2019/5/20,65,NAD+的递氢反应,NAD+分子中接受了一个H和一个e，另一个H+保留在基质中 氧化还原变化发生在五价氮和三价氮之间,2019/5/20,66,FMN和FAD的结构,含维生素B2（核黄素） 中文名称： 黄素单核苷酸（FMN）（复合体） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）（复合体）,2019/5/20,67,FMN的递氢反应,维生素B2中的异咯嗪环，其第1、5位N原子能可逆地接受H（质子和电子）（共轭系统）,2019/5/20,68,铁硫蛋白的辅基（铁硫簇 Fe-S）,含等量的Fe和S（Fe2S2， Fe4S4） Fe与半胱氨酸中的S（巯基）相连 Fe能传递电子,2019/5/20,69,铁硫中心的结构,2019/5/20,70,泛醌（Q）及其递氢反应,又称CoQ，脂溶性，能在线粒体内膜中扩散；易从内膜分离，故不包含在复合体中 含多个异戊间二烯疏水侧链（人类含10个，Q10） 醌型结构能可逆地接受质子和电子（H） 在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用,2019/5/20,71,细胞色素的辅基,Cyt a 甲酰基 多聚异戊烯 Cyt b 乙烯侧链 Cyt c 乙烯侧链与酶蛋白的半胱氨酸相连,2019/5/20,72,Cyt c中辅基与酶蛋白的连接,1.乙烯侧链与酶蛋白的半胱氨酸相连 2.Fe与组氨酸的咪唑基和蛋氨酸的甲硫基相连,2019/5/20,73,复合体的电子传递通过“Q循环”,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,2019/5/20,74,复合体的电子传递过程,2019/5/20,75,CuB-Cyta3中心,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水 有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤,2019/5/20,76,氧化还原电位测定,2019/5/20,77,呼吸链中各种氧化还原对的 标准氧化还原电位,2019/5/20,78,按 Eo确定的呼吸链排列,2019/5/20,79,某些代谢物的传递链,2019/5/20,80,氧化磷酸化示意图,递氢氧化、 释放能量,磷酸化、 贮存能量,偶联,2019/5/20,81,P/O比值,比较各物质的 P/O 比值（ATP的生成数），可推断偶联部位,呼吸链排列,2.5 1.5,2019/5/20,82,自由能计算,每生成1摩尔ATP，需能30.5kJ（7.3Kcal）,2019/5/20,83,电子传递过程的能量释放,2019/5/20,84,化学渗透学说,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能,胞液侧,基质侧,2019/5/20,86,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,2019/5/20,87,线粒体结构,2019/5/20,88,ATP合酶结构模式图,2019/5/20,89,ATP合酶结构模式图2,2019/5/20,90,ATP合酶工作的 “ 结合变构机制 ”,ATP合酶的最小反应中心是 亚基结合ADP和Pi后，构象发生变化，催化合成ATP。 （有三种构象）,1,F1 包括三对，围绕着由中轴构成的中心，每次只能形成一个；当合成ATP后，发生转动，与第二个形成 。故F1 中的三对依次合