生物化学生物氧化课件

1、第6章生物氧化生物氧化Biological Oxidation生物化学生物氧化营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水和二氧化碳，并释放能量的过程，称和二氧化碳，并释放能量的过程，称生物氧化生物氧化(biological oxidation) ，又称又称 细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)。n生物氧化的概念生物氧化的概念 营养物质营养物质基本单位基本单位糖原糖原葡萄糖葡萄糖脂肪脂肪脂肪酸脂肪酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸CO22HH2O呼吸链呼吸链ADP+Pi ATP阶段阶段 乙酰乙酰CoACoA阶段阶段阶段阶段 TAC 线粒体线粒体 第一

2、节第一节 生物氧化的特点及其酶类生物氧化的特点及其酶类一、生物氧化的方式和特点一、生物氧化的方式和特点酶促反应：体内、近中性、酶促反应：体内、近中性、 37、有水环境；、有水环境； CO2：脱羧产生；：脱羧产生； 水：底物脱氢经呼吸链传递电水：底物脱氢经呼吸链传递电子、泵出质子，与氧结合生成。子、泵出质子，与氧结合生成。能量：逐步释放，利用率高，合成能量：逐步释放，利用率高，合成ATP及维持体温；及维持体温；氧化速率：受生理功能需要和内外环境变化调控氧化速率：受生理功能需要和内外环境变化调控二、生物氧化中二、生物氧化中CO2的生成的生成 （一）（一）-脱羧脱羧 1. -单纯脱羧单纯脱羧 R R

3、H2N CCOOH H2NCH H HCO22.-氧化脱羧氧化脱羧CH3C=O + HSCoA+NAD+COOHCH3CO SCoA+NADH+H+CO2丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶氨基酸氨基酸 胺胺丙酮酸丙酮酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A(二）二）-脱羧脱羧1.-单纯脱羧单纯脱羧2.-氧化脱羧氧化脱羧CH2-COOHCH-COOHOH+NADP+CH3C-COOHO+ NADPH+H+CO2苹果酸酶苹果酸酶CH2-COOHC=OCOOHCH3C=OCOOH草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶CO2草酰乙酸草酰乙酸 丙酮酸丙酮酸苹果酸苹果酸 丙酮酸丙酮酸三、生物氧化的酶类三、生物氧化的

4、酶类（一）氧化酶（一）氧化酶（辅基多为含铁和铜的金属离子）（辅基多为含铁和铜的金属离子）（二）需氧脱氢酶（二）需氧脱氢酶（辅基为（辅基为FMN或者或者FAD）SH2SFMN or FADFMNH2 or FADH2O2H2O2SH2S2Cu2+2Cu+1/2O2O2-2e-H2O2H+(三）不需氧脱氢酶三）不需氧脱氢酶NADH+H+琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸FADFADH2呼吸链呼吸链琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸NAD+（四）加氧酶（四）加氧酶加单氧酶加单氧酶 RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O加双氧酶加双氧酶（五）过氧化物酶系（五）过氧化物酶系第二节第二节

5、 生成生成ATPATP的生物氧化体系的生物氧化体系(The Oxidation System of ATP Producing)一、线粒体内膜的转运作用一、线粒体内膜的转运作用（一）线粒体的结构（一）线粒体的结构（structure of mitochondria)内膜内膜外膜外膜基质基质胞浆胞浆膜间隙膜间隙H+H+H+H+e-e-e-e-（二）（二） 线粒体外线粒体外NADH+H+转运进入线粒体转运进入线粒体 苹果酸苹果酸-天冬酸穿梭作用（天冬酸穿梭作用（malate-aspartate shuttle） 可生成可生成2.5分子分子ATP 主要存在于肝和心肌主要存在于肝和心肌2. -磷酸甘油

6、穿梭磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle） 可生成可生成1.5分子分子ATP 主要存在于脑和骨骼肌主要存在于脑和骨骼肌苹果酸苹果酸-天冬酸穿梭天冬酸穿梭：酸性氨基酸载体；：酸性氨基酸载体；：-酮戊二酸载体；酮戊二酸载体； ：天冬氨酸转氨酶；：苹果酸脱氢酶：天冬氨酸转氨酶；：苹果酸脱氢酶-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中 内膜内膜 外膜外膜膜间隙膜间隙 基质基质 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 NADH+H+ -磷酸甘磷酸

7、甘油脱氢酶油脱氢酶磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮 -磷酸磷酸甘油甘油 二、氧化呼吸链二、氧化呼吸链(oxidative respiratory chain) 线粒体线粒体内膜内膜中由一系列电子传递复合体按一定中由一系列电子传递复合体按一定顺序排列成的链锁性氧化还原体系称为顺序排列成的链锁性氧化还原体系称为氧化呼吸氧化呼吸链链,又称又称电子传递链电子传递链(electrotranfer chain).（一）、呼吸链的组成及作用（一）、呼吸链的组成及作用 泛醌不包含在上述四种复合体中。泛醌不包含在上述四种复合体中。呼吸链各复合体在线粒体呼吸链各复合体在线粒体内膜内膜中的位置中的位置1、复合体、复合体(N

8、ADH-泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶)作用作用 -将将NADH+H+中的电子传递给泛醌中的电子传递给泛醌(1) 结构：结构：“L”型型NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2膜间隙膜间隙辅基递电子的机理辅基递电子的机理 FMN或或FAD中的异咯嗪接受中的异咯嗪接受1e、1个个H+成半醌型成半醌型FMN 或或FAD，再接受，再接受1个个e、1个个H+成成还原型还原型FMN或或FAD 。 氧化型氧化型FMN或或FAD还原型还原型FMN或或FAD半醌型半醌型FMN或或FAD铁硫蛋白中辅基铁硫蛋白中辅基铁硫中心铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原含有

9、等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。属于单电子传递体属于单电子传递体。 表示无机硫表示无机硫铁硫簇主要以铁硫簇主要以(Fe-S)、(2Fe-2S)或或(4Fe-4S)形式存在，铁硫簇与蛋白质结合称为形式存在，铁硫簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白铁硫蛋白.Fe泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可），氧化还原反应时可生成中间产物生成中间产物半醌型泛醌半醌型泛醌。内膜中。内膜中可移动电子载体可移动电子载体，

10、在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电电子传递和质子移动子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。的偶联中起着核心作用。(2) 传递电子的机理传递电子的机理4Fe-4S2Fe-2S经经FMN、2Fe-2S、Q、4Fe-4S传递传递NADH+H+的的两个电子到两个电子到Q，使之摄取基质，使之摄取基质2个个H+转变为转变为QH2。 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢FAD几种几种Fe-S CoQ QH2 经经-磷酸甘油穿梭生成的磷酸甘油穿梭生成的FADH2，也在此，也在此 递氢给递氢给Q生成生成QH2。2、复合体、复合体功能（琥珀酸功能（琥珀酸-泛醌还原酶）泛醌还

11、原酶） -将电子从琥珀酸传递到泛醌将电子从琥珀酸传递到泛醌3 3、复合体、复合体功能（泛醌功能（泛醌- -细胞色素细胞色素C C还原酶）还原酶） -将电子从还原型泛醌传递给细胞色素将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c c 复合体复合体又叫又叫泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶，细胞色，细胞色素素b-c1复合体，含有细胞色素复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌泛醌从复合体从复合体、募集还原当量和电子并穿募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体梭传递到复合体。 电子传递过程：电子传递

12、过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc细胞色素细胞色素(cytochrome, Cyt) 细胞色素是一类以细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。，根据它们吸收光谱不同而分类。 Q Q循环循环：复合体复合体IIIIII把把2 2分子分子QHQH2 2的的2 2个个e e传给传给CytC CytC ，另另2 2个个e e传给传给Q Q生成生成1 1分子分子Q Q和和1 1分子分子QHQH2 2，并偶联泵，并偶联泵出出 4 4个个H H+ +到膜间隙的过程。到膜间隙的过程。功能：通过功能：通过

13、Q循环循环传递电子、泵出质子传递电子、泵出质子4、复合体、复合体（细胞色素细胞色素C氧化酶）氧化酶） - 将电子从细胞色素将电子从细胞色素C传递给氧传递给氧 13个亚基组成的跨膜酶蛋白；亚基个亚基组成的跨膜酶蛋白；亚基I、II、 为功能所必需；为功能所必需； I：Cyta、Cyta3-CuB2+活性中心活性中心, II ：2个个CuA2+组成的铜中心，组成的铜中心， ：结构不详；：结构不详；4Cyt c4e 铜中心传递铜中心传递4个个Cyt C的的4e给给4个个Cyt a 4个个Cyt a再传此再传此4e到到Cyt a3-CuB2+中心，使中心，使1个个O2还原为还原为2个个 O2- ，结合，

14、结合4H+生成生成 2H2O，同时把基质中，同时把基质中4H+泵入膜间隙。泵入膜间隙。 1QH2只能传只能传2e，故上述过程只生成，故上述过程只生成1H2O，泵出，泵出2个个H+功能功能 复合体复合体把把4 4个个Cyt cCyt c传来的传来的4 4个个e e给给O O2生成生成2H2H2O O，并把并把4H4H+由基质泵出到膜间隙。由基质泵出到膜间隙。 过程：过程：质子泵（质子泵（proton pump） 氧化呼吸链中在传递电子的同时能氧化呼吸链中在传递电子的同时能把质子从基质泵出到膜间隙的电子传递把质子从基质泵出到膜间隙的电子传递复合体，有复合体复合体，有复合体、。酶复合体酶复合体分子分

15、子(kD)亚基亚基 辅酶辅酶/辅基辅基 主要功能主要功能复合体(NADH-泛醌氧 化还原酶)1000 40 FMN、Fe-S传递NADH+H+中2个e到Q，并由基质向膜间隙泵出4个H+复合体(琥珀酸-泛醌氧 化还原酶)140 4 FAD、Fe-S传递琥珀酸中2个电子、2个质子到Q复合体(泛醌-细胞色素 氧化还原酶)250 11 血红素bH、bL、c1 Fe-S通过Q循环传递QH2中2个e到细胞色素C，并把4H+ 由基质泵出到膜间隙 细胞色素C*13 1 血红素C传递复合体中2个电子到复合体复合体(细胞色素C氧 化酶)200 13 血红素a、a3 CuA2+、CuB2+把4个Cyt c传来的4个

16、e转交给O2，在摄取基质中4H+与O2生成2H2O的同时，把基质中另外4H+ 泵出到膜间隙哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能 生物化学生物氧化呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位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氧化还原对E0(V)氧化还原对氧化还原对E0(V)NAD+ /NADN+H+0.32Cyt c1 Fe3+ /Fe2+0.22FMN /FMNH20.30Cyt c Fe3+ /Fe2+0.254FAD /FADH20.06Cyt a Fe3+ /Fe2+0.29Cyt bL(bH) Fe3+/Fe2+0.04(0.10)Cyt a3 Fe

17、3+ /Fe2+0.55Q10 /Q10H20.071/2O2 /H2O0.816（二）呼吸链的种类（二）呼吸链的种类（二）氧化呼吸链各传递体排列顺序：（二）氧化呼吸链各传递体排列顺序：由以下实验确定由以下实验确定: 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 ; 拆开和重组拆开和重组; 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断; 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2每对氢通过此呼吸链每对氢通过此呼吸链生

18、成生成 2.5mol ATP;又称主要呼吸链又称主要呼吸链;以以NADH的方式进入的方式进入;每对氢通过此呼吸链生成每对氢通过此呼吸链生成1.5mol ATP;又称次要呼吸链和又称次要呼吸链和 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链以以FADH2 的方式进入的方式进入;三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化营养物质脱氢生成的营养物质脱氢生成的NADH+H+或或FADH2，经氧化呼吸链传递电子、泵出质子形成，经氧化呼吸链传递电子、泵出质子形成质子梯度而蕴藏的电化学势能，被质子梯度而蕴藏的电化学势能，被ADP利用、磷利用、磷酸化生成酸化生成ATP的过程，是体内生成的过程，是体内生成ATP的主要

19、方式。的主要方式。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 代谢物脱氢或脱水引起分子内部代谢物脱氢或脱水引起分子内部能量聚集，高能键直接转移给能量聚集，高能键直接转移给ADP(GDP)磷酸化生磷酸化生成成ATP(GTP)的过程。的过程。不经电子传递不经电子传递。ATP生成方式生成方式实质实质：氧化呼吸链氧化呼吸链氧化释能氧化释能和和ADP磷酸化储能磷酸化储能的偶联的偶联（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼 吸吸链链 组组成成P/O 比比 值值生生成成 ATP 数数-羟羟丁丁酸酸NAD + 复复合合体体Co

20、Q 复复合合体体2.42.8 2.5Cytc复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ 复复合合体体1.7 1.5Cytc复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cytc复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素复复合合体体O20.61-0.68 1 氧化磷酸化中每消耗氧化磷酸化中每消耗1mol氧原子时，所氧原子时，所消耗无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产生消耗无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产生ATP的效率。的效率。磷氧比值（磷氧比值（P/OP/O）电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化 ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位 1. ATP合酶合酶 2. 化学渗透假说化学渗透

21、假说（二）氧化磷酸化偶联机制（二）氧化磷酸化偶联机制ATP合酶结构模式合酶结构模式F1的功能是催化的功能是催化ATP生成生成F0的作用是构成质子的通道的作用是构成质子的通道亲水亲水F1：基质中，基质中， 9个亚基个亚基(33)； 33为有中间孔隙的头部；为有中间孔隙的头部； 在此孔隙中，可转动；在此孔隙中，可转动； 与与1个个，与与连接；连接；疏水疏水F0： 跨越内膜，跨越内膜， 12-15个亚基（个亚基（ab2C9-12）；）； C9-12排成对称排成对称C环；环； 基质侧连接基质侧连接,外侧连接外侧连接a; b2连接连接a与与;膜间隙膜间隙内膜内膜基质基质ATP合酶合酶a、c亚基结构亚基结

22、构（2 2）化学渗透学说（）化学渗透学说（chemiosmotic hypothesischemiosmotic hypothesis） 跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当H+从膜间隙从膜间隙回流到基质时释出能量，驱动回流到基质时释出能量，驱动ATP合成。合成。H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+pH8pH7H+浓度梯度浓度梯度电位梯度电位梯度 ABADP+Pi ATP ATP合酶合酶亚基经亚基经“结合变构结合变构”机制合成机制合成ATP

23、（3 3）结合变构机制：）结合变构机制：未接触未接触时为时为L型，型，可结合可结合ADP和和Pi；接触接触后变构为后变构为T 型，型，催化催化ADP和和Pi合成合成ATP；离开离开变构为变构为O型，释出型，释出ATP后，后，恢复为恢复为L型。型。ATP合酶的合酶的C环逆时针方向转动环逆时针方向转动 H+由膜间隙向基质由膜间隙向基质 回流推动回流推动C环环逆时针逆时针转动，带动转动，带动在头部在头部中央孔隙转动；中央孔隙转动；四、氧化磷酸化的调节及影响因素四、氧化磷酸化的调节及影响因素（一）调节：（一）调节：1 1、ADP/ATPADP/ATP调节作用（最主要）调节作用（最主要）: : ADP/

24、ATP比值比值氧化磷酸化增快氧化磷酸化增快呼吸控制（呼吸控制（respiratory control）：）： 由于由于ATP/ADP比值变化对氧化磷酸化的调节效应比值变化对氧化磷酸化的调节效应 ，称呼吸控制称呼吸控制 ，调控的关键物质是，调控的关键物质是ADP。 呼吸控制呼吸控制氧化磷酸化减慢氧化磷酸化减慢 2. 2. 甲状腺激素：甲状腺激素：甲状腺激素甲状腺激素Na+,K+ATP酶合成酶合成解偶联蛋白合成解偶联蛋白合成需要需要ATP合成合成ATP合成合成氧化磷酸化增快氧化磷酸化增快（二）线粒体（二）线粒体DNA突变的影响：突变的影响：点突变点突变LeberLeber遗传性视神经病遗传性视神经

25、病( Lebers hereditary optic neuropathy, LHON). 大片段丢失大片段丢失Kerans-Sayre综合症综合症 （慢性进行性眼外肌麻痹综合症）（慢性进行性眼外肌麻痹综合症） 突变渐进性积累突变渐进性积累帕金森氏病帕金森氏病(Parkinsons病病) ) 1. 1. 呼吸链抑制剂：呼吸链抑制剂： 鱼藤酮、抗霉素鱼藤酮、抗霉素A 、氰化物等、氰化物等（三）某些化学试剂及药物的影响：（三）某些化学试剂及药物的影响：2.2.氧化磷酸化解偶联剂：氧化磷酸化解偶联剂： 2，4-二硝基酚二硝基酚(DNP)：破坏电子传递过程建立的跨内破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电

26、化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，释放，ATP的生成受到抑制的生成受到抑制3. 3. 氧化磷酸化抑制剂：氧化磷酸化抑制剂： 寡霉素：寡霉素：可共价结合可共价结合F0的的c亚基谷氨酸残基，阻断质子亚基谷氨酸残基，阻断质子从从F0质子半通道回流，抑制质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。合酶活性。NADFMN(FeS)I IFAD(FeS)Cyt b Cyt c1(FeS) Cyt aa3 (Cu)CoQCyt cO2鱼藤酮鱼藤酮阿米妥阿米妥粉喋霉素粉喋霉素A A 抗霉素抗霉素A A CN , N3,CO, H2S H+mH+cH+m

27、H+cH+mH+c ATPATP合酶合酶F1,F0,OSCPH+mH+c寡霉素寡霉素 2,4-2,4-二硝基酚二硝基酚双香豆素双香豆素氟羰基氰苯腙氟羰基氰苯腙缬氨霉素缬氨霉素 药物和试剂作用的药物和试剂作用的 氧化磷酸化位点氧化磷酸化位点 寡霉素寡霉素(oligomycin) 寡霉素寡霉素ATP合酶结构模式图合酶结构模式图可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回质子通道回流，抑制流，抑制ATP生生成。成。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能ADP+Pi ATP 2,4-2,4-二硝基酚二硝基酚双香豆素双香豆素氟羰基氰苯腙氟羰基氰苯腙缬氨霉素缬氨霉素 鱼藤酮鱼藤酮阿米妥阿米妥粉喋霉素粉喋霉素A A 抗霉素抗霉素A A CN , N3,CO, H2S 寡霉素寡霉素 五、五、ATP在能量代谢中的核心作用在能量代谢中的核心作用ATPATP循环循环ATP ADP 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持