06生物氧化学习课程

1、第一节 概 述第1页/共72页第一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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。糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能* * 生物氧化的概念 第2页/共72页第二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。体内外氧化分解的共同点第3页/共72页第三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。体内外氧化分解的不同点下一页第4页/共72页第四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 加氧RCHO + 1/2O2 RCOOH 脱氢RCH2OH RCHO-2H 失电子Fe2+ Fe3+-e

2、物质的氧化方式返回第5页/共72页第五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 特点特点 含有容易断裂的含有容易断裂的“活泼键活泼键”，水解时可水解时可释放大于释放大于21KJ/mol的能量，常用符号的能量，常用符号 表示。表示。高能化合物 指含有高能键，在标准条件下（pH=7, 250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。返回第6页/共72页第六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。高能化合物的类型u高能磷酸化合物：含有高能磷酸键u高能硫酯化合物：含有高能硫酯键第7页/共72页第七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O

3、-POO-ATP第8页/共72页第八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸OPOONHCNHNCH3CH2COOH磷酸肌酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸RCOSCoA酰基辅酶A第9页/共72页第九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。返回第10页/共72页第十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。CO2的生成方式 第11页/共72页第十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。CO2的生成方式 OOHOOC返回第12页/共72页第十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。H2O的生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FM

4、N等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+ 乙醇脱氢酶例：12 O2NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+返回第13页/共72页第十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。生物氧化的过程第14页/共72页第十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第二节 ATP的合成u 底物水平磷酸化u 氧化磷酸化第15页/共72页第十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。CHOCH2OHCH2O-PCOOCH2OHCH2O-P PCOOHCH2OHCH2O-PNAD+NADH+H+H3PO4ADPATP 在生物氧化过程中，底物因脱氢、

5、脱水等反应而使能量在分子内重新分布，形成高能化合物，然后将高能化合物中的能量转移给ADP（或GDP），生成ATP （或GTP）的过程。底物水平磷酸化第16页/共72页第十六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。氧化磷酸化 在生物氧化过程中，营养物质氧化释放的电子经呼吸链传递给O2生成H2O，所释放的自由能推动ADP磷酸化生成ATP的过程。AH2A2HNADH+H+(或 FADH2) NAD+(或 FAD)电 子 传 递 链H2O1/2 O2释 放 能 量ADP + PiATP合成酶ATP氧 化 过 程磷 酸 化 过 程氧化磷酸化第17页/共72页第十七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。呼吸链：

6、线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，也称电子传递链(electron transport chain)第18页/共72页第十八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。呼吸链的组成复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体

7、复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 * 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。第19页/共72页第十九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。1. 复合体：NADH-泛醌还原酶u 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 催化

8、反应：NADH + H+ + Q NAD+ + QH2第20页/共72页第二十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。NAD+和NADP+的结构R=H : NAD+ ; R=H2PO3 : NADP+第21页/共72页第二十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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。第22页/共72页第二十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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 。第23页/共72页第二十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)

9、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 第24页/共72页第二十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 铁硫蛋白 无机硫半胱氨酸硫第25页/共72页第二十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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。第26页/共72页第二十六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。复合体的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2第27页/共72页第二十七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。2. 复合体

10、：琥珀酸-泛醌还原酶u 功能将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFAD; Fe-S1; Fe-S2 ; Fe-S3 第28页/共72页第二十八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第29页/共72页第二十九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。3. 复合体： 泛醌-细胞色素c还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1第30页/共72页第三十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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。第31页/共72页第

11、三十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第32页/共72页第三十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第33页/共72页第三十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。4. 复合体： 细胞色素c氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。第34页/共72页第三十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第35页/共72页第三十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 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呼吸链成分的排列顺序

12、第36页/共72页第三十六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。1. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2呼吸链成分的排列顺序第37页/共72页第三十七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第38页/共72页第三十八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。氧化磷酸化偶联部位复合体、根据P/O比值和自由能变化P/O比值：每消耗1摩尔氧原子所消耗Pi的摩尔数或合成ATP的摩尔数。第39页/共72页第三十九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第40页/共72页第四十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。区段区

13、段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能电子传递链自由能变化第41页/共72页第四十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质粒体内膜的基质侧泵到

14、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子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 第42页/共72页第四十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。线粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图第43页/共72页第四十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。化学渗透假说目 录第44页/共72页第四十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+

15、Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图第45页/共72页第四十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。ATP合酶由亲水部分 F1（33亚基 ）和疏水部分 F0（a1b2c912亚基）组成。ATP合酶结构模式图第46页/共72页第四十六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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合酶的工作机制第47页/共72页第四十七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某

16、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）抑制剂第48页/共72页第四十八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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第49页/共72页第四十九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响第50页/共72页第五十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 ADP+Pi ATP 第51页/共

17、72页第五十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图第52页/共72页第五十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。（二）ADP的调节作用呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)（三）甲状腺激素Na+,K+ATP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。第53页/共72页第五十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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

18、+；H+c 内膜胞液侧H+目 录第54页/共72页第五十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。代谢物分解氧化CO2 H2O能热能（散发）化学能（储能）ATPADP PiCCP+能机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等ATP的生成和利用第55页/共72页第五十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。高能键转移ATP + UDPCDPGDPADP + UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白质合成）第56页/共72页第五十六页，编辑于星期四：二十点 二十五分。磷酸肌酸的生成 H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO- H2N+

19、H O C-NP-OHH3C-N OH CH2 COO-肌酸激酶肌酸磷酸肌酸（CP）ATPADP肌肉和脑组织中能量的贮存形式第57页/共72页第五十七页，编辑于星期四：二十点 二十五分。胞浆中NADH的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)第58页/共72页第五十八页，编辑于星期四：二十点 二十五分。1

20、. -磷酸甘油穿梭机制（肌肉、神经组织）第59页/共72页第五十九页，编辑于星期四：二十点 二十五分。 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜膜间隙 线粒体 基质-磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链 磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH第60页/共72页第六十页，编辑于星期四：二十点 二十五分。2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（心肌、肝脏）第61页/共72页第六十一页，编辑于星期四：二十点 二十五分。NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD

21、+ 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 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H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 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H第62页/共72页第六十二页，编辑于星期四：二十点 二十五分。第三节 其他氧化酶系第63页/共72页第六十三页，编辑于星期四：二十点 二十五分。一、需氧脱氢酶和氧化酶 第64页/共72页第六十四页，编辑于星期四：二十点 二十五分。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2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶 第65页/共72页第六十五页，编辑于星期四：二十点 二十五分。（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 R + H2O2 RO + H2O