第八章 生物氧化.ppt

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1、第八章 生物氧化 (Biological oxidation),生物氧化(biological oxidation)： 物质在生物体内进行氧化分解，主要指糖、脂肪及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。,第一节 概述,一、生物氧化的基本概念,生物氧化按照生理意义不同可分为： 将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，反应不伴有ATP的生成。 在线粒体外进行 糖、脂肪和蛋白质等通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP的生成。 在线粒体内进行,生物氧化的一般过程, 加氧, 脱氢 (最主要), 失电子,生物氧化中物质的氧化方式,物质在体内外氧化的相同点

2、：,（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。,二、生物氧化的特点,物质在体内外氧化的不同点：,反应条件：温和 剧烈 反应过程：分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放 产物生成：间接生成 直接生成 能量形式：热能、ATP 热能、光能,体内氧化 体外氧化,第二节 线粒体氧化体系,在细胞内的线粒体中，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 transfer chain)。 递氢体(2H 2H+

3、+ 2e)和电子传递体,构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。,内外膜间隙侧,线粒体内膜,基质侧,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cyt c,Q,一、呼吸链的主要组分,人线粒体呼吸链复合体,泛醌和Cyt c均不包含在上述四种复合体中。,构成呼吸链递氢体和递电子体的成分主要分为以下五类： （一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)或称辅酶I(CoI) （二）黄素蛋白 （三）铁硫蛋白 （四）泛醌 （五）细胞色素体系,（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)或 称辅酶I(CoI),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，又称辅酶(Co)，都是递氢体,氧化型,还原型,N

4、AD+和NADP+的结构,R=H(NAD+) ； R=H2PO3(NADP+),氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间,NAD+(NADP+) 和 NADH(NADPH)相互转变,（二）黄素蛋白(flavoproteins, FP),黄素蛋白的辅基,黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),黄素单核苷酸(FMN),氧化型,还原型,都是递氢体,Fe2+,Fe3+ + e-,（三）铁硫蛋白(iron sulfur proteins, Fe-S),还原型,氧化型,电子传递体,铁硫蛋白的结构示意图,FeS Fe2S2 Fe4S4,（四）泛醌(ubiquinone, UQ),也叫做辅酶Q(coenzyme Q)

5、，是递氢体,氧化型,还原型,Cyt的分类：,a类：a、a1、a2、a3 b类：b、b17、P450 c类：c、c1、c2、c3 ,（五）细胞色素(cytochrome, Cyt)体系,Cyt的本质：细胞色素 = 酶蛋白 + 辅基（血红素） Cyt的功能：电子传递体 Fe2+ Fe3+ + e,细胞色素c的分子结构,二、呼吸链中传递体的排列顺序,由下列实验确定的： 标准氧化还原电位 还原状态呼吸链缓慢给氧 特异抑制剂阻断 拆开和重组,呼吸链的排列顺序（氧化还原电位）,物质的氧化还原电位越低，越容易失去电子，传给氧化还原电位高的物质,抑制剂,鱼藤酮,抗霉素A,呼吸链传递体的排列顺序,复合体, NA

6、DH-泛醌还原酶,功能：将电子从NADH 泛醌,复合体,内外膜间隙侧,基质侧,复合体, 琥珀酸-泛醌还原酶,复合体,内外膜间隙侧,功能：将电子从琥珀酸 泛醌,复合体，泛醌-细胞色素c还原酶,功能：将电子从泛醌 Cyt c,复合体 ,内外膜间隙侧,复合体，细胞色素c氧化酶,功能：将电子从Cyt c O2,内外膜间隙侧,复合体,Cyt c,Q,内外膜间隙侧,线粒体内膜,基质侧,呼吸链中复合体IIV,四个蛋白复合体：复合体I IV 两个可灵活移动的成分：泛醌（CoQ）和 Cyt c,三、主要的呼吸链,（一）NADH氧化呼吸链,（二）FADH2氧化呼吸链,NADH氧化 呼吸链,FADH2氧化呼吸链,

7、将H传递给O2生成水； H和O2消耗，其它可反复使用； CoQ是两种呼吸链的汇合点。,相同：,两种呼吸链的比较：,不同点： NADH呼吸链 FADH2呼吸链 普遍程度 较普遍 次要 起始物 NADH FADH2 ATP 3 2,四、ATP的生成、利用与储存,（一）高能化合物和高能磷酸化合物,磷酸酯键水解时释放能量较多(大于21kJ/mol)，一般称之为高能磷酸键，常用“P”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。,是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP(或GDP)磷酸化生成ATP(或GTP)的过程。 在胞浆和线粒体中进行,（二）ATP的生成,1、底物水平磷酸化,3,2、

8、氧化磷酸化,代谢物脱下的氢经呼吸链传递给氧生成水，释放能量使ADP磷酸化生成ATP，称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。 氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式。 如果只有代谢物的氧化过程，而不伴随有ADP磷酸化的过程，称为氧化磷酸化的解耦联(uncoupling)。,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,生成ATP的个数, P/O比值：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。,（1）氧化磷酸化耦联部位（ATP生成部位）,P/O比值：一对电子通过呼吸链时生成ATP的个数,线粒体离体实验测得的一些底物的

9、P/O比值,三个耦联部位, 电子传递链自由能变化,自由能变化:G = -nFE,NADH FMN CoQ Cyt b c1 c aa3 O2,氧化磷酸化耦联部位,NADH氧化呼吸链：一对氢原子 3ATP FADH2氧化呼吸链：一对氢原子 2ATP,琥珀酸 FADH2,（2）氧化磷酸化的机制,1961年英国生化学家Peter Mitchell提出化学渗透学说，获得1978年诺贝尔化学奖。 化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）： 电子经呼吸链传递时，可将质子从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内、外的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

10、。,化学渗透学说简单示意图,化学渗透学说,内外膜间隙侧,基质侧,化学渗透学说详细示意图,内外膜 间隙侧,复合体、IV均有质子泵作用,ATP合酶,即复合体，位于线粒体内膜的基质侧。,ATP合酶,F1：为亲水蛋白质，由33亚基组成，催化生成ATP。 F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。 OSCP：寡霉素敏感蛋白，位于F0与F1之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不能生成ATP。,ATP合酶,内外膜间隙侧,ATP合酶的工作机制,O开放型：开放形式，对底物亲和力极低 L疏松型：与底物结合松弛，无催化能力 T紧密结合型：与底物结合紧密，有催化活性,（3）氧化磷酸化的抑制,正常机体氧化磷酸化的

11、速率主要受ADP的调节。 氧化磷酸化抑制剂可分为三类： 1. 呼吸链抑制剂：阻断呼吸链中某些部位电子传递。 2. 解耦联剂：使氧化与磷酸化耦联过程脱离。 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,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 及H2S,鱼藤酮 粉蝶霉素A 异戊巴比妥,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,常见的解耦联剂包括：2,4-二硝基苯酚，解耦联蛋白。,解耦联剂作用机制,Q,解耦联 蛋白,内外膜间隙侧,基质侧,解耦联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）,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,内外膜间隙侧,（三）A

12、TP的利用和储存,为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成，它们的生成和补充都有赖于ATP。 NMP + ATP NDP + ADP NDP + ATP NTP + ADP,当体内ATP消耗过多时，ADP累积，在腺苷酸激酶催化下由ADP转变成ATP被利用。 ADP + ADP ATP + AMP,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,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),ATP循环,ATP,五、胞液中NADH的氧化,穿梭机制主要有： -磷酸甘油穿梭 (-glycero

13、phosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),-磷酸甘油穿梭,NADH+H+,磷酸二羟丙酮,NAD+,-磷酸甘油,线粒体 外膜,膜间隙,线粒体 内膜,线粒体 基质,-磷酸甘油 脱氢酶,FAD,FADH2,呼吸链,1、-磷酸甘油穿梭,存在部位：脑、骨骼肌 酶：-磷酸甘油脱氢酶 胞 液 NAD+ 辅酶 线粒体 FAD 呼吸链及生成的ATP数： FADH2氧化呼吸链 2ATP,苹果酸-酮 戊二酸转运体,谷氨酸- 天冬氨酸 转运体,苹果酸-天冬氨酸穿梭,胞液,基质,线 粒 体 内 膜,NADH+H+,草酰乙酸,NAD+,苹果酸,苹果酸

14、脱氢酶,天冬氨酸,-酮戊二酸,谷氨酸,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭,存在部位：肝脏、心肌 酶：苹果酸脱氢酶 辅酶：线粒体内、外均为NAD 呼吸链及生成的ATP数： NADH氧化呼吸链 3ATP,第三节 非线粒体氧化体系,特点： 不生成ATP； 主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。,一、微粒体氧化体系,（一）双加氧酶,双加氧酶(dioxygenase)催化氧分子中的两个氧原子分别加到底物分子中构成双键的两个碳原子上。,色氨酸,甲酰犬尿酸原,（二）单加氧酶,RH + NADPH+H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,单加氧酶(monooxygenase)催化氧分子中的一个氧原子加

15、到底物分子上使之羟化，另一个氧原子被NADPH+H+提供的氢还原生成水，故又称混合功能氧化酶或羟化酶。,单加氧酶组成特点：细胞色素P450 (Cyt P450 ) 功能：参与类固醇激素、胆汁酸、胆色素、活性维生素D的生成，以及药物、毒物的生物转化过程。,单加氧酶反应,二、过氧化物酶体氧化体系,（一）过氧化氢及超氧离子的生成,过氧化物酶体是一种特殊的细胞器，存在于动物组织的肝、肾、中性粒细胞和小肠粘膜细胞中。,m,m,m,m,（二）过氧化氢及超氧离子的作用和毒性,过氧化氢具有一定的生理作用，粒细胞和吞噬细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌；甲状腺上皮细胞和粒细胞中的H2O2可使I氧化生成I2，进而使

16、蛋白质碘化，这与甲状腺素的生成和消灭细菌有关。 但是过氧化氢也可使巯基酶和蛋白质氧化失活，还能氧化生物膜磷脂分子中的多不饱和脂肪酸，损伤生物膜结构，影响生物膜的功能，此外H2O2还能破坏核酸和粘多糖。,（三）过氧化氢的清除,1、过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，辅基为血红素，能催化H2O2分子的分解反应,2、过氧化物酶(perioxidase) 是以血红素为辅基，它催化H2O2或过氧化物直接氧化酚类或胺类物质。,H2O2 (ROOH),谷胱甘肽过氧化物酶,H2O (ROH+H2O),2G SH,G S S G,谷胱甘肽还原酶,NADP+,NADPH+H+,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,三、超氧化物歧化酶 （superoxide dismutase, SOD）,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,过氧化氢酶,H2O + O2,反应氧族：超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,复习题,1、概念：呼吸链（或电子传递链）、底物 水平磷酸化、氧化磷酸化、P/O 比值 2、呼吸链的组成及排列顺序 3、抑制剂对氧化磷酸化的影响,