生物化学：第6章 生物氧化

1、第 六 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,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（CO2，H2O）和释放能量均相同。,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 进行广泛的加水脱

2、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H2O，有机酸脱羧产生CO2。,* 生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,Biological oxidation is a process in which the nutrients are completely oxidized to CO2 ,H2O and ATP are formed as a result of the transfer

3、of electrons from NADH or FADH2 formed in glycosis, fatty acid oxidation, and the citric acid cycle to O2 by a series of electron carries.,第一节 生成ATP的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing,定义 代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer ch

4、ain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,一、呼吸链,Respiratory chain,A chain in the mitochondria consists of a numbers of redox carriers for transferring electrons from the substrate to molecular an oxygen to form oxygen ion, which combines with protons to form water.,（一）呼吸链的组成,四种具有传递电子功能的酶复合体(complex),* 泛醌 和 Cy

5、t c 均不包含在上述四种复合体中。,人线粒体呼吸链复合体,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,复合体: NADH-泛醌还原酶Complex I：NADH: CoQ oxidoreductase,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: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 。,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S

6、)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。, 表示无机硫,铁硫蛋白,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CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,复合体的功能,2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 Complex II：Succinate dehydrogenase or succinate- CoQ reductase,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁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。,3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 Complex ：Ub

7、iguinol-cytochrome c oxidoreductase,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,4. 复合体: 细胞色素c氧化酶 Complex : Cytochrome c oxidase,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,The respiratory chain in the inner membrane of mitochondria consists of four complex. Electrons and hydrogen from NADH are transferred to ubiquinone(Q)

8、by complex I(NADH-Q oxidoreductase), complex II(succinate-Q oxidoreducase), complex (Q-cytochrome c oxidoreductase),complex (cytochrome c oxidase).a heme iron ion and copper ion in the oxidase convent electron to O2 to form H2O.,由以下实验确定 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）呼吸链成分的排列顺序,1. NADH氧化呼吸链 N

9、ADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,There are two respiratory chains: NADH-linked oxidative respiratory chain and succinate-linked oxidative respiratory chain.,电子传递链,二、氧化磷酸化,* 定义 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

10、磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。,Oxidative phosphorylation,The process by which NADH and FADH2 are oxidized and the coupled formation of ATP from ADP, is called oxidative phosphorylation.,（一）氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：复合体、 根据自由能变化和P/O比值 G=-nFE,P/O ratios,The P/O ra

11、tio is a measure of the number of ATP molecules formed during the transfer of two electrons through a segment of the respiratory chain .,氧化磷酸化偶联部位,电子传递链自由能变化,The flow of electrons through complexI,II,III and IV (also all known as proton pumps) leads to the transfer of protons back to the matrix thro

12、ugh ATP synthase drives the synthesis of ATP. In the NADH-linked respiratory chain, there are 3 ATP molecules produced on average.,（二） 氧化磷酸化的偶联机理,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。,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,目 录,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示

13、意图,The chemiosmotic theory,A proton concentration gradient serves as the energy reservoir for driving ATP formation .,2. ATP合酶,由亲水部分 F1（33亚基 ）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,当H+顺浓度递度经F0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 synthase,ADP + Pi-ATP (complex ),三、影响氧化磷酸化的因素,1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某

14、些部位电子传递。 2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 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,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,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,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,寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素,ATP合酶结构模式图,（二）ADP的调节作用 呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR) （三）甲状腺激素 Na+,K+A

15、TP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。 （四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,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+,目 录,四、ATP,高能磷酸键与高能磷酸化合物,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,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,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。

16、,五、通过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转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,线粒体内膜的主要转运蛋白,（一） 胞浆中NADH的氧化,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。 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),1. -磷酸甘油穿梭机制,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,2. 苹果酸

17、-天冬氨酸穿梭机制,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,胞液,线 粒 体 内 膜,基质,天冬氨酸,（二） 腺苷酸转运蛋白,腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter) 参与ADP与ATP反向转运。,ATP4-,ADP3-,H2PO4-,（三）线粒体蛋白质的跨膜转运,外膜表面解折叠 被位于外膜上的受体识别 转移到总插入蛋白 从氨基端开始通过线粒体内、外膜之间的接触位点 进入线粒体基质 切除导向序列,第二节 其他氧化酶系 The Others Oxidation Enzyme Sy

18、stems,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,（二）过氧化物酶(perioxidase) 以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物,反应氧族 超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,三、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,过氧化氢酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2 (ROOH),H2O (ROH+H2O),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,3. 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶(m