氧化还原酶-生物化学与分子生物学教研室课件

生物氧化主讲：贾彩云讲师河南大学医学院生物化学与分子生物学教研室生物氧化主讲：贾彩云讲师1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。又称为细胞呼吸或组织呼吸糖脂蛋白质CO2andH2OO2EnergyADP+PiATPHeatenergy生物氧化的概念相当于分解作用或异化作用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2*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。(CH)+O2H2O+CO2+热能*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3BiologicoxidationcombustionReactionconditionsReactionoccursat37C,neutralpH,waterinvolvedHightemperatureanddryconditions

（高温和干燥条件）ReactionmodelsReactionsiunderthecatalysisofenzymes,O2accepts2electronsandthencombineswithprotontoformwater,CO2isformedbydecarboxylationofsubstances.Reactionoccursbreakoutsuddenlywithoutcatalysis,hydrogenandoxygencombinedirectlytoformwaterandCO2.（碳氢直接与氧结合生成水）TypeofenergyliberatedDuringthereaction,energyisliberatedstepwise,partenergyisaccumulatedaschemicalenergyforlivingprocesses,partenergyisreleasedasheattokeepbodytemperature.Allenergyburstsoutastheformofheatandlight.（热和光）

Thedifferencesbetweenbiologicoxidationandcombustioninvitro特点：

（1）氧化在体内近中性，37℃、有水的环境中进行，为酶促反应（2）CO2由脱羧产生，水由底物脱下的氢经氧化呼吸链传递电子、泵出质子，最后与氧结合生成。(3）能量逐步释放，利用率高，能量用于合成ATP及维持体温.（4）氧化速率受生理功能需要和内外环境变化调控生物氧化特点和酶类(CH)+O2H2O+CO2+热能Biologicoxidationcombustion4糖原

Glycogen

三酯酰甘油Triacylglycerols

蛋白质

Protein

葡萄糖

Glucose

脂酸+甘油FattyAcids+Glycerols

氨基酸AminoAcids

乙酰CoAAcetyl-CoA

TAC2H

呼吸链RespiratoryChain

ADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程IIIIII营养物分解代谢的三个阶段O2H2O糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA5外膜内膜嵴膜间隙基质线粒体结构

外膜内膜嵴膜间隙基质线粒体结构6第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系76.1生物氧化体系—呼吸链(respiratorychain)

线粒体内膜中由一系列电子传递复合体（氧化还原酶）按一定的顺序排列成链锁性氧化还原体系，代谢物脱下的成对氢原子(2H),在线粒体内膜上，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(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。6.1生物氧化体系—呼吸链(respiratorycha8ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸

琥珀酸

1/2O2+2H+H2O膜间隙基质线粒体内膜e-e-e-e-e-呼吸链组成ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡9呼吸链组成和功能*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体

呼吸链组成和功能*泛醌和Cytc10呼吸链的电子传递体NADH/NAD+FMNandFAD铁流蛋白(Fe-S)辅酶Q(CoQ,Ubiquinone)细胞色素类(Cyt)递氢体和电子传递体（2H2H++2e）呼吸链的电子传递体NADH/NAD+递氢体和电子传递体（2H11ThestructureofNAD+andNADP+R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

尼克酰胺核苷酸腺嘌呤核苷酸ThestructureofNAD+andNADP12NAD+（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。吡啶环4NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还13FMNFADFAD:黄素腺嘌呤二核苷酸FlavinAdenineDinucleotideFMN:黄素单核苷酸FlavinMononucleotide

黄素蛋白及辅基

Flavoproteinsandprostheticgroups核黄素(Riboflavin)FMNFADFAD:黄素腺嘌呤FMN:黄素单核苷酸黄素14其辅基结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。.FMN/FADFMNH/FADHFMNH2/FADH2H(H++e)H(H++e)黄素蛋白辅基的作用(递氢)机制

Mechanismofflavoproteinprostheticgroups其辅基结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。.FMN/F15辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁可进行:Fe2+

Fe3++eInanumberofiron-containingproteinswhichtakepartinoxidoreductionreactionsironatomswhicharenotpartofahaembutarelinkedtoelementalandcysteineSatomsintheprotein.Suchproteinsarecallediron-sulfurproteins(Fe-S).铁流蛋白有几种可能形式铁硫中心是辅基即使铁硫蛋白包含几个铁原子，因为铁原子的相互靠近，铁硫中心只传递一个电子。

铁硫蛋白

Iron-sulfurproteins(Fe-S)辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，16由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10,n=10）ThestructureofCoQincludesalongisoprenoidtail.Mostoftenn=10.(CoQ10)泛醌是线粒体内膜电子传递链中脂溶性辅酶CoQ是一组苯醌衍生物中的一种，这组苯醌衍生物具有不同长短的类异戊二烯侧链

CoQ是线粒体内膜中一个可移动的质子电子载体.

泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)

Ubiquinone(CoenzymeQ,CoQ,Q)由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10,n=117通过两步反应，泛醌获得两个质子两个电子被完全还原。氧化还原反应时可生成激活性中间产物半醌型泛醌。Ubiquinone(Q,orcoenzymeQ)通过两步反应，泛醌获得两个质子两个电子被完全还原。氧化还原反18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三类(a、b、c)。Cytochromes

are是具有亚铁血红素辅基的蛋白质在氧化还原反应中铁原子在Fe3+andFe2+转换Cytochromesare根据categorizedintodifferentgroupsaccordingtothelightwavelength共轭双键使他吸收可见光Cytochromesare是单电子传递体呼吸链中有几种不同的细胞色素,namely,cytochromesb,c1,candaa3.

The

cytochromeaa3

isalsotermed细胞色素氧化酶，它催化呼吸链最后一个化学反应，分子氧被还原成水.Cytochromec

isasmall,water-solubleproteinwithasingleheme亚铁血红素group.细胞色素

Cytochromes(Cyt)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19各类细胞色素的主要差别在：铁卟啉辅基的侧链铁卟啉与蛋白质部分的连接方式各类细胞色素的主要差别在：铁卟啉辅基的侧链20EnzymecomplexNameProstheticgroup(s)ComplexI

复合体INADH:ubiquinoneoxidoreductaseNADH-泛醌还原酶FMN,Fe-SComplexII复合体IISuccinatedehydrogenase琥珀酸-泛醌还原酶FAD,Fe-SComplexIII

复合体IIIubiquinone:cytochromecreductase泛醌-细胞色素c还原酶Hemes,Fe-SComplexIV复合体IVcytochromecoxidase细胞色素c氧化酶Hemes,CuA,

CuB*UbiquinoneorCytochromecisnotpartofanenzymecomplex电子传递链酶复合体及其功能EnzymecomplexNameProsthetic21

复合体Ⅰ:NADH-泛醌氧化还原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能：把NADH+H+两个电子经传递至Q使Q摄取基质2个H+转变为QH2泵出4个H+到膜间隙

复合体Ⅰ:NADH-泛醌氧化还原酶NADH→22氧化还原酶-生物化学与分子生物学教研室课件23ComplexII:SuccinateOxidoreductase

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌氧化还原酶

Function:

SuccinatetoUbiquinone(将电子从琥珀酸传递给泛醌)

ComplexⅡ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3

Theenzymehastwotransmembranesubunits,CandD;thecytoplasmicextensionscontainsubunitsBandA.JustbehindtheFADinsubunitAisthebindingsiteforsuccinate.SubunitBhasthreesetsofFe-Scenters;ubiquinoneisboundtosubunitC;andhemebissandwichedbetweensubunitsCandD.AcardiolipinmoleculeissotightlyboundtosubunitCthatitshowsupinthecrystalstructure.ElectronsmovefromsuccinatetoFAD,thenthroughthethreeFe-S

centerstoubiquinone..(复合体Ⅱ没有H+泵的功能)ComplexII:SuccinateOxidored24

复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c氧化还原酶

将电子从泛醌传递给细胞色素c泵出4个H+到膜间隙

ComplexⅢQH2→→Cytc

b562;b566;Fe-S;c1

复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c氧化还原酶25Q循环：复合体III把2分子QH2的2个电子传给CytC，另2个电子传给Q生成1分子Q和1分子QH2，并同时偶联泵出4个H+到膜间隙的过程Q循环：复合体III把2分子QH2的2个电子传给CytC26ComplexIV:cytochromeoxidase

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2（将电子从细胞色素c传递给氧）

ComplexⅣ

Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

Cytochromeoxidase

(complexIV)carriesoutthefollowingirreversiblereaction:

O2+4H++4e-

2H2OThefourelectronsaretransferredintothecomplexoneatatimefromcytochromec.ComplexIV:cytochromeoxidase271、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O21、NADH氧化呼吸链2、琥珀酸氧化呼吸链28NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链29线粒体中某些底物氧化的呼吸链线粒体中某些底物氧化的呼吸链30

①标准氧化还原电位②还原状态呼吸链缓慢给氧③特异抑制剂阻断

④拆开和重组

呼吸链成分的排列顺序由以下实验确定①标准氧化还原电位

呼吸链成分的排列顺序由以下实验31呼吸链和相关电子载体的氧化还原电位

StandardReductionPotentialsofRespiratoryChainandRelatedElectronCarrierse-呼吸链和相关电子载体的氧化还原电位

StandardRed32电子载体排列顺序的确定方法

Methodfordeterminingthesequenceofelectroncarriers

当被氧化时电子载体吸收光谱属性发生改变。给处于完全还原状态的电子载体突然供氧，每个电子载体氧化速率显示它在呼吸链中的位置（光度计测量）。电子载体排列顺序的确定方法

Methodfordeter33用特异的阻断剂说明电子载体排列顺序Studieswithspecificinhibitorshelptorevealtheordersoftheelectron

carriers用特异的阻断剂说明电子载体排列顺序34ConceptuallySimple,StructurallyComplex用去污剂溶解线粒体内膜收集内膜片段,获得线粒体内膜超分子复合体每个复合体能完成线粒体一步电子传递ConceptuallySimple,Structura35CO2andH2OO2EnergyADP+PiATPHeatenergy糖Carbohydrates

脂肪Lipids

蛋白质Proteins

RespiratorychainPhosphorylation

6.2

氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联

*（一）定义:

代谢物脱下的氢，经呼吸链电子传递过程中释出的能量使ADP磷酸化，生成ATP，这种氧化和磷酸化偶联在一起的过程称氧化磷酸化,也称偶联磷酸化。氧化磷酸化(Oxidativephosphorylation)CO2andH2OO2EnergyADP+PiATP36氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ根据自由能变化和P/O比值氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ37氧化磷酸化偶联部位SitesofATPformation电子传递链自由能变化

ThesespanscanprovidesufficientenergyforATPformationfromADPandphosphate.↓ATP↓ATP↓ATPFAD↓NAD+→[FMN(Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→c1→c→aa3→1/2O2-0.32-0.30+0.04+0.07+0.22+0.25+0.29+0.82氧化磷酸化偶联部位SitesofATPformatio38P/O:指代谢物在线粒体氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数，即生成ATP的mol数。

2.P/O比值(Phosphorus/Oxygenratio)AmeasureofhowmanymolesofATPareformedfromADPbyphosphorylationpergramatomofoxygenused.每消耗1mol氧原子,所消耗无机磷的mol数1个氧原子无机磷的个数2e+O→O2-ADP+Pi→ATP

一对电子通过呼吸链生成ATP的个数P/O:指代谢物在线粒体氧化时，每消耗1mol氧原子2.39

Historically,theexperimentalvaluesseemedtobeabout3forNADHand2forsuccinate.WiththeX~Pmodeltheyshouldbeanintegralnumber.However,thechemiosmoticmodelcanleadtonon-integralvalues.Theacceptedvaluesare10/4=2.5forNADHand6/4=1.5forsuccinate.Historically,theexperi40（二）氧化磷酸化的偶联机制PeterD.Mitchell(1920-1992)20世纪50年代Slater及Lehninger提出化学偶联学说

1964年Boear又提出构象变化偶联学说

1961年英国生化学家Mitchell提出化学渗透假说(Chemiosmoticcouplinghypothesis)（二）氧化磷酸化的偶联机制PeterD.Mitchell41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。③当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。1.化学渗透假说(Chemiosmotichypothesis)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42ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+Fumarate

SuccinateH+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+IntermembranespaceMatrix++++++++++---------ChemiosmoticModel----PeterMitchellⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+432.ATP合酶亲水部分F1(α3β3γδεsubunits)IntermembranespaceMatrixF1andF0疏水部分F0(a1b2c9～12subunits)2.ATP合酶亲水部分Intermembranespa44氧化还原酶-生物化学与分子生物学教研室课件45Binding-changemodelforATPsynthase

H+由膜间隙向基质回流推动C环逆时针方向转动，带动γ在头部中央孔隙转动。头部β亚基未接触γ时为松驰（L）型构象，可结合ADP和Pi；接触转动来的γ后变构为紧密（T）型构象，催化ADP和Pi合成ATP；γ转动离开后又变构为开放（O）型构象，释出合成的ATP；之后，自动恢复为L型构象。如此L→T→O→L……不断变构，使ATP不断合成。Binding-changemodelforATPs466.3、影响氧化磷酸化的因素抑制剂ADP的调节作用甲状腺激素线粒体DNA突变6.3、影响氧化磷酸化的因素抑制剂ADP的调节作用甲状腺激素471.呼吸链抑制剂Inhibitorsofrepiratorychain

阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂Uncouplersofoxidativephosphorylation

使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白(uncouplingprotein)3.氧化磷酸化抑制剂Inhibitorofoxidativephosphorylatio

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素(Oligomycin)１.抑制剂

Inhibitors1.呼吸链抑制剂Inhibitorsofrepira48Rotenone鱼藤酮Piericidin粉蝶霉素AAmobarbital异戊巴比妥×Antimycin抗霉素ADimercaptopropanol,BAL二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×InhibitionofelectrontransferRotenone鱼藤酮×Antimycin抗霉素A×CO492,4-二硝基苯酚羰基-氰-对三氟甲氧基苯肼(FCCP)双香豆素(血液凝固防止剂)解

偶

联

剂UncouplersofoxidativephosphorylationUncouplingagentsdissolveinthemembraneandfunctionascarriersforH+

2,4-二硝基苯酚羰基-氰-对三氟甲氧基苯肼(FCCP)双香50解偶联剂作用机制：电子传递使H+跨膜转移H+内膜内外电化学梯度H+经ATP合酶的F0回流合成ATPH+经从其它途径回流能量以热能散失,不能合成ATP解偶联剂作用机制：电子传递使H+跨膜转移H+内膜内外电化学梯51ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ基质侧

Matrix

UncouplingproteinHeatenergyH+H+ADP+PiATPIntermembranespace胞液侧MechanismoftheUncouplingprotein(UncoupledMitochondriainBrownFatProduceHeat)ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ基质侧Uncoup52Mechanismofhormonallyinduceduncouplingofoxidativephosphorylationinbrownfatmitochondria.解偶联蛋白-1（UCP-1，也称产热素）：存在于棕色脂肪组织线粒体内膜，可被游离脂肪酸激活，将膜间隙质子转运到基质。Mechanismofhormonallyinduce53

氧化磷酸化抑制剂Oligomycin(寡霉素)OligomycinMatrixIntermembranespace与F0的亚基结合阻止H+从F0回流抑制ATP合成H+电化学梯度异常↑抑制磷酸化过程抑制电子传递的氧化过程氧化磷酸化抑制剂Oligomycin(寡霉54任何组织任何时间合成ATP速度依赖于可利用的ADPandPi量．没有电子流就没有磷酸化，没有磷酸化就没有电子流.还原型底物,ADPandPiandO2是氧化磷酸化所必需.例如缺乏ADP和氧,电子流停止;还原型底物不被消耗ATP也不能合成。代谢物对氧化磷酸化的影响RespiratoryControl任何组织任何时间合成ATP速度依赖于可利用的ADPand55２.ADP的调节作用【ADP】↑→oxidativephosphorylation↑【ADP】↓→oxidativephosphorylation↓

呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)离体线粒体在过量底物(琥珀酸)条件下，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比，称为呼吸控制率，是观察氧化磷酸化偶联程度的指标。２.ADP的调节作用【ADP】↑→oxidativeph56３.甲状腺激素ThyroidHormoneconsumeofO2,energy↑

Na+-K+-ATPaseATPcatabolismADP↑oxidativephosphorylation↑formationofATP↑①诱导细胞膜上Na+,K+–ATP酶生成，促进ATP分解②甲状腺激素可使解偶联蛋白基因表达增加FormationofATPandcatabolismofATP↑３.甲状腺激素ThyroidHormoneconsume57４.线粒体DNA突变MitochondrialDNAMutationsEnergy↓

Mt.DNA13条多肽链的基因22个tRNA的基因2个rRNA的基因裸露的环状双螺旋结构FreeradicalDNAmutationInhibitionofoxidativephosphorylation４.线粒体DNA突变Energy↓Mt.DNA13条多肽58ThemitochondrialgenomeTheEffectofMutationsinmtDNAItisacircularpieceofDNAInheritanceismaternal,non-Mendelian13proteinsoftheelectrontransportchainarecoded900mitochondrialproteinsarecodedbythenuclearDNAandimportedMutationsinmtDNAfrequentlyseenasmuscleorneurologicalproblems(especiallyvisual)Reactiveoxygenspeciesproducedbye-transportchainaremutagenicThemitochondrialgenomeTheEf59电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+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+目录电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子60生物体把能量用在生命活动的各个方面生物体把能量用在生命活动的各个方面616.4

ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用6.4

ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用62ATP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

Thetwophosphoanhydridebonds(red)inATP,whichlinkthethreephosphategroups,eachhasaΔG’of7.3kcal/molforhydrolysis.Hydrolysisofthesebonds,especiallytheterminalone,drivesmanyenergy-requiringreactionsinbiologicalsystems.ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键T63ATPATP64核苷二磷酸激酶的作用ATP+UDPADP+UTPATP+CDPADP+CTPATP+GDPADP+GTP腺苷酸激酶的作用

ADP+ADPATP+AMP核苷二磷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用65CreatinePhosphateCP(磷酸肌酸):

Creatineis

anaminoacidthatdoesnotoccurinproteinsbutisfoundinthemuscletissueofvertebratesbothinthefreeformandasphosphocreatine;suppliesenergyformusclecontraction

磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。CreatinePhosphateCP(磷酸肌酸):磷66除了ATP外，肌肉组织中还有另外一种高能化合物：磷酸肌酸。当磷酸肌酸水解时释放的能量用于ATP合成。然而；贮存人体的磷酸肌酸总数极其有限的，ATP水解释放的能量常常用来合成磷酸肌酸。系统最重要的意义：ATP-PC是迅速利用的能源系统除了ATP外，系统最重要的意义：ATP-PC是迅速利用的能67ATP的生成和利用ATP

ADP

肌酸Creatine磷酸肌酸phosphocreatine~P~POxidativePhosphorylation(氧化磷酸化)SubstratelevelPhosphorylation(底物水平磷酸化)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)

ATP循环ATP的生成和利用ATPADP肌酸Creatine磷酸肌68氧化磷酸化:thesynthesisofATPfromADPthatiscoupledtotheoperationoftherespiratorychain.Theoxidativephosphorylationisthemainsourceofenergyinaerobiccell.底物水平磷酸化:phosphorylationofADPcoupledtoadehydrogenation(oradehydration)ofanorganicsubstrate,independentoftherespiratorychainATP底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)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。氧化磷酸化:thesynthesisofATPf69

1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶

※在以上反应中，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，称为底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。

1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸ADP6.5通过线粒体内膜的物质转运

TheInnerMembraneofMitochondrionandTransporter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。线粒体外膜孔蛋白，<10kDa的物质通过线粒体内膜不同的转运体,对物质有选择性6.5通过线粒体内膜的物质转运

TheInnerMem71

线粒体内膜的主要转运蛋白

线粒体内膜的主要转运蛋白72腺苷酸转运蛋白

Adeninenucleotidetransporter参与ADP与ATP反向转运。腺苷酸转运蛋白

Adeninenucleotidetra73ATP4-F0F1胞液侧

基质侧

腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白

ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷，相当于多1个H+转入线粒体基质。

ATP4-F0F1胞液侧基质侧腺苷酸磷酸ADP3-74

胞浆中NADH+H+通过苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝、心等）或α-磷酸甘油穿梭作用（脑、骨骼肌等，）穿过内膜到基质而进入氧化呼吸链。因两种穿梭进入线粒体后产物不同，故进入的氧化呼吸链不同。前者进入NADH呼吸链，后者进入FADH2呼吸链。胞浆中NADH的氧化胞浆中NADH+H+通过苹果酸-天冬氨酸穿梭75

NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油NADH+H+FADH2NAD+FAD76NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸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天冬氨酸Malate-aspartateshuttleNADHNAD+NADHNAD+谷氨酸-苹果77其他不生成ATP氧化体系

氧化酶(Oxidase)：催化底物脱氢，经铜离子传电子给氧，再与质子结合成水的酶类。

其他不生成ATP氧化体系氧化酶(Oxi78活性氧族

超氧离子(O2﹣)、H2O2、羟自由基(•OH)的统称。Reactiveoxygenspecies:★H2O2分子(#5)★次氯酸离子(#6)★羟自由基(#3).他们是最活泼的。右图显示与羟基的区别。(#4).★超氧阴离子，既是阴离子又是自由基(#2)

自由基是带有不成对电子的一簇原子，这个不成对电子位于电子轨道的最外面，它是一个极不稳定的结构极易与其他的分子或自由基反应达到稳定态活性氧族Reactiveoxygenspecies:79一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能反应活性氧类(reactiveoxygenspecies,ROS)O2e-O·-2e-+2H+H2O2e-+H+OH·H2Oe-+H+H2O反应活性氧类一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能反应活性氧类(rea80ROS主要来源线粒体：超氧阴离子O·-2，是体内O·-2的主要来源；O·-2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。胞浆需氧脱氢酶（如黄嘌呤氧化酶等）也可催化生成O·-2。细菌感染、组织缺氧等病理过程，环境、药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类。ROS主要来源线粒体：超氧阴离子O·-2，是体内O·-2的主81需氧脱氢酶和氧化酶AerobicDehydrogenasesandOxidasesHydrogenAcceptor氢受体Coenzyme(ProstheticGroup)辅酶(辅基)Product

产物AnaerobicDehydrogenases不需氧脱酶CoenzymeNAD+orFADH2OAerobicDehydrogenases需氧脱氢酶O2FMNorFADH2O2Oxidases氧化酶O2Cu2+H2O需氧脱氢酶和氧化酶HydrogenAcceptorCoen82抗氧化酶体系

Theimageaboveisthe3DstructureofcatalasefromE.coli.

过氧化氢酶体内周转速度非常快40,000,000molecules/second这对过氧化氢的解毒作用非常重要，防止血中二氧化碳的形成。过氧化物酶以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物抗氧化酶体系Theimageaboveis83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。谷胱甘肽还原酶含硒的谷胱甘肽过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶H2O2H2O2G–S84ClinicalCorrelationGlucose6-PDehydrogenase(G6PD)Deficiencyredbloodcell(erythrocyte)G6PDLackofG6PDresultsinlossofNADPHproduction,Lossofglutathioneantioxidantsystem,increasedoxidativestress,membranedamageandredbloodcelllysisNADPHglutathionereductaseactivityXXincreasedH2O2oxidativestresshemolysis溶血性贫血HemolyticanemiaClinicalCorrelationGlucose6-85Whatisfavism?(蚕豆病)

Favismisanemiacausedbyhemolysisorthedestructionofhealthyerythrocytes(redbloodcells,RBC).Thevictim,usuallyamale,feelstired,nauseous,dizzy,andhasdarkorangeurineindicatingthepassageofblood.Theanemiaisusuallytransient(short-lived),butifsevereenough,itisfatal.Theanemiaiscausedbyadeficiencyinanenzyme,glucose-6-phosphatedehydrogenase(G6PD).如NADPH生成障碍（如缺乏6－磷酸葡萄糖脱氢酶）谷胱甘肽则不能维持于还原状态，可引起溶血。这种溶血现象可因服用蚕豆及某些药物如磺胺药、阿司匹林而引起，称为蚕豆病。Whatisfavism?(蚕豆病)Favism86催化以下类似的反应:

O2-+O2-+2H+

→H2O2+O2

歧化酶催化两个相同的底物，在这个过程中产生过氧化氢，由过氧化氢酶或过氧化物酶催化2O2﹣+2H+

SODH2O2+O2

H2O+O2

catalase超氧化物歧化酶

SuperoxideDismutase(SOD)催化以下类似的反应:

O87O2-等对机体影响

1.生理量：参与生物转化、需氧脱氢反应、杀菌作用等。2.过量：氧化破坏不饱和脂肪酸，破坏生物膜损伤蛋白质含-SH基酶及蛋白质使DNA交联氧化、变性、突变加重炎症，促动脉粥样硬化，形成脂褐素使细胞功能下降等O2-等对机体影响1.生理量：参与生物转化、需氧脱氢反88Reactiveoxygenspeciescanbescavengedbysomecompounds清除、抑制它们产生，对抗它们的作用物质叫抗氧化剂小分子抗氧化物（维生素E、C，泛醌，β-胡萝卜素）等可与O-等经化学反应而消除。Reactiveoxygenspeciescanbe89微粒体中的酶类微粒体加单氧酶系微粒体:一种细胞浆中的微小颗粒，典型的组成是附着有核糖体的内质网碎片。还原型底物获得一个氧原子被氧化，另一个氧原子游离水中RH+NADPH+H++O2ROH+NADP++H2O加单氧酶故又称混合功能氧化酶或羟化酶。

上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与。功能：参与类固醇激素、胆汁酸等生物合成及生物转化微粒体中的酶类微粒体加单氧酶系RH+NADPH+H+90混合功能氧化酶的催化机制NADPH+H+NADP+FAD·2HFAD2e-RH·P450·Fe2+RH·P450·Fe3+·O2-RH·P450·Fe3+·O22-2(Fe2S2)3+2(Fe2S2)2+2H+P450·Fe3+RHRH·P450·Fe3+RH·P450·Fe2+·O2O2R-OHH2O混合功能氧化酶的催化机制NADPH+H+NADP+FAD·291加单氧酶的多种功能：类谷醇激素的合成、维生素D3的羟化、胆汁酸及胆色素的生成不饱和脂酸生成中双键的引入药物、毒物的生物转化加单氧酶的多种功能：类谷醇激素的合成、维生素D3的羟化、胆汁92THANKS!T93生物氧化主讲：贾彩云讲师河南大学医学院生物化学与分子生物学教研室生物氧化主讲：贾彩云讲师94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。又称为细胞呼吸或组织呼吸糖脂蛋白质CO2andH2OO2EnergyADP+PiATPHeatenergy生物氧化的概念相当于分解作用或异化作用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95*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。(CH)+O2H2O+CO2+热能*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96BiologicoxidationcombustionReactionconditionsReactionoccursat37C,neutralpH,waterinvolvedHightemperatureanddryconditions

（高温和干燥条件）ReactionmodelsReactionsiunderthecatalysisofenzymes,O2accepts2electronsandthencombineswithprotontoformwater,CO2isformedbydecarboxylationofsubstances.Reactionoccursbreakoutsuddenlywithoutcatalysis,hydrogenandoxygencombinedirectlytoformwaterandCO2.（碳氢直接与氧结合生成水）TypeofenergyliberatedDuringthereaction,energyisliberatedstepwise,partenergyisaccumulatedaschemicalenergyforlivingprocesses,partenergyisreleasedasheattokeepbodytemperature.Allenergyburstsoutastheformofheatandlight.（热和光）

Thedifferencesbetweenbiologicoxidationandcombustioninvitro特点：

（1）氧化在体内近中性，37℃、有水的环境中进行，为酶促反应（2）CO2由脱羧产生，水由底物脱下的氢经氧化呼吸链传递电子、泵出质子，最后与氧结合生成。(3）能量逐步释放，利用率高，能量用于合成ATP及维持体温.（4）氧化速率受生理功能需要和内外环境变化调控生物氧化特点和酶类(CH)+O2H2O+CO2+热能Biologicoxidationcombustion97糖原

Glycogen

三酯酰甘油Triacylglycerols

蛋白质

Protein

葡萄糖

Glucose

脂酸+甘油FattyAcids+Glycerols

氨基酸AminoAcids

乙酰CoAAcetyl-CoA

TAC2H

呼吸链RespiratoryChain

ADP+PiATPCO2*生物氧化的一般过程IIIIII营养物分解代谢的三个阶段O2H2O糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoA98外膜内膜嵴膜间隙基质线粒体结构

外膜内膜嵴膜间隙基质线粒体结构99第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系第一节

生成ATP的氧化磷酸化体系1006.1生物氧化体系—呼吸链(respiratorychain)

线粒体内膜中由一系列电子传递复合体（氧化还原酶）按一定的顺序排列成链锁性氧化还原体系，代谢物脱下的成对氢原子(2H),在线粒体内膜上，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(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。6.1生物氧化体系—呼吸链(respiratorycha101ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸

琥珀酸

1/2O2+2H+H2O膜间隙基质线粒体内膜e-e-e-e-e-呼吸链组成ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡102呼吸链组成和功能*泛醌和Cytc均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体

呼吸链组成和功能*泛醌和Cytc103呼吸链的电子传递体NADH/NAD+FMNandFAD铁流蛋白(Fe-S)辅酶Q(CoQ,Ubiquinone)细胞色素类(Cyt)递氢体和电子传递体（2H2H++2e）呼吸链的电子传递体NADH/NAD+递氢体和电子传递体（2H104ThestructureofNAD+andNADP+R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

尼克酰胺核苷酸腺嘌呤核苷酸ThestructureofNAD+andNADP105NAD+（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。吡啶环4NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还106FMNFADFAD:黄素腺嘌呤二核苷酸FlavinAdenineDinucleotideFMN:黄素单核苷酸FlavinMononucleotide

黄素蛋白及辅基

Flavoproteinsandprostheticgroups核黄素(Riboflavin)FMNFADFAD:黄素腺嘌呤FMN:黄素单核苷酸黄素107其辅基结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。.FMN/FADFMNH/FADHFMNH2/FADH2H(H++e)H(H++e)黄素蛋白辅基的作用(递氢)机制

Mechanismofflavoproteinprostheticgroups其辅基结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。.FMN/F108辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁可进行:Fe2+

Fe3++eInanumberofiron-containingproteinswhichtakepartinoxidoreductionreactionsironatomswhicharenotpartofahaembutarelinkedtoelementalandcysteineSatomsintheprotein.Suchproteinsarecallediron-sulfurproteins(Fe-S).铁流蛋白有几种可能形式铁硫中心是辅基即使铁硫蛋白包含几个铁原子，因为铁原子的相互靠近，铁硫中心只传递一个电子。

铁硫蛋白

Iron-sulfurproteins(Fe-S)辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，109由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10,n=10）ThestructureofCoQincludesalongisoprenoidtail.Mostoftenn=10.(CoQ10)泛醌是线粒体内膜电子传递链中脂溶性辅酶CoQ是一组苯醌衍生物中的一种，这组苯醌衍生物具有不同长短的类异戊二烯侧链

CoQ是线粒体内膜中一个可移动的质子电子载体.

泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)

Ubiquinone(CoenzymeQ,CoQ,Q)由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链(人CoQ10,n=1110通过两步反应，泛醌获得两个质子两个电子被完全还原。氧化还原反应时可生成激活性中间产物半醌型泛醌。Ubiquinone(Q,orcoenzymeQ)通过两步反应，泛醌获得两个质子两个电子被完全还原。氧化还原反111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三类(a、b、c)。Cytochromes

are是具有亚铁血红素辅基的蛋白质在氧化还原反应中铁原子在Fe3+andFe2+转换Cytochromesare根据categorizedintodifferentgroupsaccordingtothelightwavelength共轭双键使他吸收可见光Cytochromesare是单电子传递体呼吸链中有几种不同的细胞色素,namely,cytochromesb,c1,candaa3.

The

cytochromeaa3

isalsotermed细胞色素氧化酶，它催化呼吸链最后一个化学反应，分子氧被还原成水.Cytochromec

isasmall,water-solubleproteinwithasingleheme亚铁血红素group.细胞色素

Cytochromes(Cyt)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112各类细胞色素的主要差别在：铁卟啉辅基的侧链铁卟啉与蛋白质部分的连接方式各类细胞色素的主要差别在：铁卟啉辅基的侧链113EnzymecomplexNameProstheticgroup(s)ComplexI

复合体INADH:ubiquinoneoxidoreductaseNADH-泛醌还原酶FMN,Fe-SComplexII复合体IISuccinatedehydrogenase琥珀酸-泛醌还原酶FAD,Fe-SComplexIII

复合体IIIubiquinone:cytochromecreductase泛醌-细胞色素c还原酶Hemes,Fe-SComplexIV复合体IVcytochromecoxidase细胞色素c氧化酶Hemes,CuA,

CuB*UbiquinoneorCytochromecisnotpartofanenzymecomplex电子传递链酶复合体及其功能EnzymecomplexNameProsthetic114

复合体Ⅰ:NADH-泛醌氧化还原酶NADH→→CoQFMN;Fe-SN-1a,b;

Fe-SN-4;

Fe-SN-3;Fe-SN-2功能：把NADH+H+两个电子经传递至Q使Q摄取基质2个H+转变为QH2泵出4个H+到膜间隙

复合体Ⅰ:NADH-泛醌氧化还原酶NADH→115氧化还原酶-生物化学与分子生物学教研室课件116ComplexII:SuccinateOxidoreductase

复合体Ⅱ:琥珀酸-泛醌氧化还原酶

Function:

SuccinatetoUbiquinone(将电子从琥珀酸传递给泛醌)

ComplexⅡ琥珀酸→→CoQFe-S1;

b560;

FAD;

Fe-S2;

Fe-S3

Theenzymehastwotransmembranesubunits,CandD;thecytoplasmicextensionscontainsubunitsBandA.JustbehindtheFADinsubunitAisthebindingsiteforsuccinate.SubunitBhasthreesetsofFe-Scenters;ubiquinoneisboundtosubunitC;andhemebissandwichedbetweensubunitsCandD.AcardiolipinmoleculeissotightlyboundtosubunitCthatitshowsupinthecrystalstructure.ElectronsmovefromsuccinatetoFAD,thenthroughthethreeFe-S

centerstoubiquinone..(复合体Ⅱ没有H+泵的功能)ComplexII:SuccinateOxidored117

复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c氧化还原酶

将电子从泛醌传递给细胞色素c泵出4个H+到膜间隙

ComplexⅢQH2→→Cytc

b562;b566;Fe-S;c1

复合体Ⅲ:泛醌-细胞色素c氧化还原酶118Q循环：复合体III把2分子QH2的2个电子传给CytC，另2个电子传给Q生成1分子Q和1分子QH2，并同时偶联泵出4个H+到膜间隙的过程Q循环：复合体III把2分子QH2的2个电子传给CytC119ComplexIV:cytochromeoxidase

复合体Ⅳ:细胞色素c氧化酶功能：其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2（将电子从细胞色素c传递给氧）

ComplexⅣ

Cytc→→O2CuA→a→a3→CuB

Cytochromeoxidase

(complexIV)carriesoutthefollowingi