第七版生物化学 第06章生物氧化

1、生物化学,第六章生物氧化,BiologicalOxidation,主讲人：王平,潍坊医学院生化教研室,生成ATP的氧化磷酸化体系,其他不生成ATP的氧化体系,概述,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,一、生物氧化（BiologicalOxidation）的概念,此过程需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸。,乙酰CoA,电子传递,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,2H,TAC,1.ATP如何产生的？2.H2O如何生成？,本

2、章主要解决的问题是：,（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。,1、相同点,二.生物氧化的特点,2、不同点,体内氧化体外氧化,（1）反应条件：温和剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：热能、ATP热能、光能,Section1TheOxidationSystemofProducingATP,第一节生成ATP的氧化磷酸化体系,呼吸链,一氧化呼吸链是一系列有电子传递功能的氧化还原组分,真核生物生物氧化发生的场所线粒体,原核生物生物氧化发生的场所细胞质膜,部位,营养物质代谢脱下的成对氢

3、原子（2H）以还原当量形式存在，再通过多种酶和辅酶催化的氧化还原连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，逐步释放的能量可驱动ATP生成。这包含多种氧化还原组分的传递链称为氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。,呼吸链中参与传递H的辅酶或辅基。,呼吸链中参与传递电子的辅酶或辅基。,（2H2H+2e）,呼吸链,呼吸链,呼吸链组成：递氢体和电子传递体。,H2O,（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+

4、梯度的能量，再用于ATP的生物合成。,组成,四种酶复合体：复合体IIV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,*泛醌和Cytc不包含在上述四种复合体中。,人线粒体呼吸链复合体,功能:,1、复合体（NADH-泛醌还原酶）,是将NADH+H+中的电子传递给泛醌，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，有质子泵功能。,黄素蛋白，辅基为FMN或FAD;铁硫蛋白，辅基为Fe-S。,（1）NAD+和NADP+的结构,R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,（2）尼克酰胺核苷酸的作用原理,2H,双电子传递体,FMN称为黄素单核苷酸，是黄素蛋白(酶)的

5、辅基，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FMNH,属于单、双电子传递体。,FMNH,复合体成分1FMN：递氢体,复合体成分2Fe-S：单电子传递体,铁硫簇(Fe-S)是铁硫蛋白(酶)中辅基，含有等量铁原子和硫原子，主要(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在.其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子。,泛醌（ubiquinone,Q）亦称辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人体中：CoQ10（1）结构1)含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2)脂溶性3)是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）,（2）作用：电子和质子的传递体在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和

6、电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,（3）泛醌的作用机理,复合体电子传递：NADHFMNFe-SCoQFe-SCoQ,M,MH2,M,4H+,2e,2e,2e,2e,代谢物,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,复合体没有H+泵的功能。,黄素蛋白，辅基为FAD;铁硫蛋白，辅基为Fe-S,1,2,3,4,递氢体,（1）黄素核苷酸的作用原理,琥珀酸FADH2Fe-SCoQ,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,b562、b566是吸收波长不同的两个细胞色素，b562电位较高，又称bH;b566电位较低，又称bL。,细胞色素b

7、-c1复合体,细胞色素体系（cytochrome,Cyt）,（1）Cyt的本质,细胞色素=酶蛋白+血红素,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类。,（2）Cyt的功能,（3）Cyt的分类(根据吸收光谱和最大吸收峰的不同）,30多种,a类：a、a1、a2、a3,b类：b、b17、P450,c类：c、c1、c2、c3,各种还原型细胞色素的主要光吸收峰,Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，与线粒体内膜外表面疏松结合，不包含在复合体中,将获得的电子传递到复合体。,电子传递过程：CoQH2(Cytb566Cytb562)FeSCytc1Cytc,Q循环,复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个

8、H+，复合体也有质子泵作用。,4H+,4.复合体:细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,电子传递：CytcCuACytaCyta3CuBO2,细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。,2H+,2H2O,(3)利用光谱变化确定各组分的氧化还原状态,(1)测各组分氧化还原电位（E0）递增,研究方法,(2)呼吸链复合物重组,(4)利用呼吸链抑制剂,（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列,电子流动方向：总是由电负性较强的氧化还原对向具有更强电正

9、性的氧化还原对流动。,1.NADH氧化呼吸链NADH复合体Q复合体Cytc复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,两条重要的呼吸链成分的排列顺序,NADH,FMN(Fe-S),CoQ,CytbCytc1,Cytc,Cytaa3,O2,琥珀酸,FAD(Fe-S),NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,*呼吸链传递顺序,细胞色素的传递方向,笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3,洗一洗,两种呼吸链的比较,相同:1.将H传递给O2生成水；2.H和O2消耗，其它可反复使用；3.CoQ是两种呼吸链的汇合点。,不同点:NADH呼吸链琥珀酸呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFA

10、DH2ATP2.51.5,ATP是如何生成？,目的要求,（一）掌握生物氧化的概念。了解生物氧化的方式及生物氧化的特点。（二）掌握呼吸链的概念、组成及特点，两条重要的氧化呼吸链排列顺序。了解呼吸链排列顺序确定的实验依据。,二、氧化磷酸化,*定义氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)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(substratelevelphosphorylation)直接将代谢分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP）的过程。,*底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：,糖酵解途径中（2个）,三羧

11、酸循环中（1个）,概念:每消耗1mol氧原子，所消耗的无机磷摩尔数,一对电子通过呼吸链,P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数,生成ATP的个数,1.根据P/O比值推测生成ATP的偶联部位,（一）氧化磷酸化偶联部位,是在复合体、,P/O比值=ATP数,利用P/O比值推测氧化磷酸化偶联部位：,因此，NADHQ存在偶联部位。,抗坏血酸：P/O12e从Cytc到O2生成1个ATP,因此，Cytaa3O2存在偶联部位。,QCytc存在偶联部位。,标准自由能：G=-nFE,2.根据自由能变化推测偶联部位,合成1molATP时，需提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol。,电子传递链自由能变

12、化,氧化磷酸化偶联部位,结论,（二）氧化磷酸化的偶联机理,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，其能量驱动ADP与Pi生成ATP。,了解,因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的PeterDMitchell,化学渗透假说简单示意图,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体(4H+)、(4H+)和(2H+)有质子泵功能。,1.ATP合酶,ATP合酶结构模式图,催化亚基,（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化AT

13、P合成,F1:亲水部分组成：33,OSCP,IF1亚基功能：催化ATP生成。F0:疏水部分组成：a,b2,c912亚基功能：构成质子通道，将质子梯度产生的能量导向F1。,寡霉素,柄部:存有其他亚基，其中一个称为寡霉素敏感蛋白（OSCP)，在寡霉素存在时使ATP合酶不能合成ATP。,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,（2）ATP合成的结合变构机制(bindingchangemechanism),L结合ADP和Pi；T合成ATP；O释放ATP。,三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响,（一）有3类氧化磷酸化抑制剂,1、

14、呼吸链抑制剂,复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。,复合体抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断CytbH传递电子到泛醌(QN)；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。,作用：阻断电子传递,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,呼吸链正常,2、解

15、偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度,作用：使氧化过程与磷酸化过程脱节举例：2，4-二硝基苯酚、解偶联蛋白。,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,硬肿症,给大白鼠注射DNP可能出现什么现象？,寡霉素,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,作用：抑制电子传递及氧化磷酸化过程举例：寡霉素,3、ATP合酶抑制剂,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,ADP/ATP：抑制氧化磷酸化，ATP生成ADP/ATP：促进氧化磷酸化，ATP生成,H2O+NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,（二）ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。,（三）甲状

16、腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。,Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。,四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中起核心作用,高能磷酸: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。,1、ATP分子中的高能磷酸基的来源（1）氧化磷酸化：主要来源（2）底物水平磷酸化,2.多磷酸核苷间的能量转移,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。,3.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

17、体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。,线粒体外NADH2的氧化,1.-磷酸甘油穿梭,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭,（二）两种穿梭系统的比较,五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运,（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链,1.-磷酸甘油穿梭（1）特点：线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的辅酶不同胞液-NAD+线粒体-FADFADH2经琥珀酸氧化呼吸链1.5ATP主要存在于骨骼肌、脑,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）过程,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（1）特点：苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+通

18、过NADH氧化呼吸链2.5ATP主要存在于肝、心肌组织中。,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,（2）过程,氧化磷酸化,呼吸链,（二）两种穿梭系统的比较,-磷酸甘油穿梭,苹果酸-天冬氨酸穿梭,穿梭物质,-磷酸甘油磷酸二羟丙酮,苹果酸、谷氨酸天冬aa、-酮戊二酸,进入线粒体后转变成的物质,FADH2,NADH+H+,进入呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,生成ATP数,1.5,2.5,存在组织,骨骼肌、神经组织,肝脏和心肌组织,相同点,将胞浆中NADH的还原当量转运到线粒体内,

19、ATP4-,ADP3-,H2PO4-,（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,（一）掌握氧化磷酸化的概念及偶联部位。熟悉氧化磷酸偶联部位确定的实验及数据，P/O比值的定义及意义。了解氧化磷酸化的偶联机制。熟悉ATP合酶组成及作用（二）熟悉抑制剂、ADP、甲状腺素对氧化磷酸化的影响。了解线粒体DNA突变对氧化磷酸化的影响。,目的要求,第二节其他不生成ATP的氧化体系,TheOthersOxidativeEnzymeSystemswithoutATPProducing,其他不生成ATP的氧化体系包括,过氧化物酶体系：与ATP的生成无关，清除活性氧。,微粒体氧化体系：与ATP的生成无关，光滑内质网上发生，机体对非营养物质发生的生物转化，与机体排毒及排出异物有关。,一、抗氧化酶体系有清除反应活性氧类的功能,后三者统称反应活性氧类(ROS)，都有得到电子的趋势，即具有氧化性。,ROS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