医学精品课件：8第08章生物氧化1

1、第 八 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。 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,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。 进行广泛的加水脱氢反应使物

2、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,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 t

3、ransfer chain)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e,一、呼吸链,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 Cyt 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,I,III和IV镶嵌在线粒体内膜中，II镶嵌在内膜的内侧,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,1. 复合体: NADH-泛醌还原酶,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,辅酶I，CoI,辅酶II，CoII,NAD+（NADP+）

4、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,反应是可逆,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,氧化型,还原型,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分的Cys残基的硫相连接。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 大部分代谢物脱下的2H由氧化型 NAD+ 接受形成还原型NADH+H+ 。复合

5、体将还原型中NADH+H+的2H传递给泛醌（CoQ,NADH FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 CoQ,2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶,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（主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式,3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,Cyt c呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，容易被分离，故不包含在复合体中,4. 复合体: 细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传

6、递给氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2，使O2还原与H生成H2O,由以下实验确定 标准氧化还原电位(低高) 拆开和重组 特异抑制剂阻断 各组分吸收光谱和还原状态呼吸链缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序,二）呼吸链成分的排列顺序,1. NADH氧化呼吸链 NADH 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,根据以上实验结果得知，体内存在两条氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,复合体II,复合体,复合体III,复合体IV,电子传递链,二、氧化磷酸化,定义 氧化磷酸化 (oxidative

7、 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) 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,一）氧化磷酸化偶联部位（ATP生成的部位,根据自由能变化和P/O比值 P/O比值：指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。 自由能变化： 自由能变化（G）与电位变化（ E ）的关系 G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体,NADH呼吸链：存在3个偶联部位 琥珀酸呼吸链 ：存在2个偶联部位,电子传递

8、链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,复合体,复合体,复合体,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,胞浆,回流,泵出,目 录,三个回路 将基质侧的H+泵到胞浆侧，同时有电子传递,化学渗透假说,第一回路,第二回路,第三回路,将电子交给O2，使O2 还原与H生成H2O,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,ATP合酶,2. ATP合酶,由亲水部分 F1（33亚基

9、）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成,ATP合酶结构模式图,F1的功能是催化生成ATP。催化部位在亚基中，但只有亚基亚基结合才有活性,复合体V,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在紧密结合型亚基中生成，在开放型中被释放,ATP合酶的工作机制,O开放型 L疏松型,T紧密结合型,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

10、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,与复合体I中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递,抑制复合体III中的Cytb与Cytc1间的电子传递,抑制Cytc氧化酶，使电子不能传给氧,1. 呼吸链抑制剂,2. 解偶联剂,基本作用机制：使呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经过ATP合酶的F0质子通道回流，而通过线粒体内膜中其它途径返回线粒体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到抑制，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放。 例如： 二硝基苯酚（DNP）：脂溶性物质，可在线粒体内膜中自由移动，在胞质侧结合H+ ，而在基质侧释放H+ 。破坏电化

11、学梯度。 解偶联蛋白（棕色脂肪组织线粒体,2.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,3. 氧化磷酸化抑制剂,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,二）ADP的调节作用（氧化磷酸化主要受此调节： ATP利用ADP氧化磷酸化速度） 呼吸控制率(用离体线粒体进行实验，当有过量底物存在时，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比。) （三）甲状腺激素（可诱导细胞膜上Na+,K+ATP酶的生成和增加解偶联蛋白基因表达） Na+,K+ATP酶生成 ATP利用

12、氧化磷酸化速度 解偶联蛋白基因表达增加耗氧和产热 。 （四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。 原因：线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少而致病。 耗能较多的器官容易出现功能障碍：盲，聋，痴呆，肌无力，糖尿病等,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,为糖原，磷脂，蛋白质食物合成提供能量的UTP，CTP和GTP一般不能从物质氧化过程中直接

13、生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得P,消耗ATP过多时， ADP累积，在腺苷酸激酶的催化下，由ADP转变成ATP被利用。 此反应可逆，当ATP需要量降低时， AMP 从ATP中获得P生成ADP,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还可将P转移给肌酸生成磷酸肌酸 。当消耗ATP过多时， ADP累积，磷酸肌酸将P转移给ADP生成ATP，供生理活动利用,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,五、通过线粒体内膜的物质转运

14、,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,线粒体内生成的NADH可直接参加氧化磷酸化过程，但胞浆（胞质）中生成的NADH不能自由透过线粒体内膜,1. -磷酸甘油穿梭机制 （脑和骨骼肌,磷酸甘油脱氢酶,磷酸甘油脱氢酶,进入琥珀酸氧化呼吸链，

15、生成2分子ATP,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,进入琥珀酸氧化呼吸链，生成2分子ATP,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌,进入NADH呼吸链，生成3分子ATP,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,进入NADH呼吸链，生成3分子ATP,二） 腺苷酸转运蛋白（ATP-ADP转运蛋白,腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter,把线粒体内产生的ATP运出,

16、参与ADP与ATP反向转运,把胞浆中的ADP运入线粒体,PADPATP,PADPATP,生成,利用,ATP4,ADP3,H2PO4,三）线粒体蛋白质的跨膜转运,线粒体外合成的蛋白质前体多肽链，在外膜表面解折叠 （结构松散） 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 成熟蛋白质,第二节 其他氧化酶系 The Others Oxidation Enzyme Systems,一、需氧脱氢酶和氧化酶,传递质子和电子,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,粒细胞和吞噬细胞中，

17、H2O2可氧化杀死入侵的细菌。 甲状腺细胞中，H2O2可使2个I氧化为I2，进而使Tyr碘化生成甲状腺素,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)的统称为活性氧化物,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,SOD：是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。可防止组织老化,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