第八章生物氧化.ppt

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1、2019年6月15日星期六9时23分38秒,1,第 八 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,第二篇 物质代谢与能量转换,2019年6月15日星期六9时23分38秒,2,物质在生物体内进行氧化分解称生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内氧化分解生成CO2 和 H2O并逐步释放能量的过程,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化的基本概念,第一节 概 述,2019年6月15日星期六9时23分38秒,3,二、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

2、产物（CO2，H2O）和释放能量均相同,2019年6月15日星期六9时23分38秒,4,1、生物氧化是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在酶的催化下逐步进行的过程 2、能量是逐步释放的，一部分以化学能的形式储存在高能键磷酸化合物（ATP)中 能量的逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率 3、CO2是有机酸脱羧产生的， H2O是底物脱下的氢经呼吸链传递最后与氧结合产生 进行广泛的加水脱氢反应,使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会 4、生物氧化的速率受体内多种因素的调节,三、生物氧化的特点,2019年6月15日星期六9时23分38秒,5,体外氧化 反应条件是很剧烈的 能量

3、是突然释放的 CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成 反应速率是不容易控制的,2019年6月15日星期六9时23分38秒,6,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,四、生物氧化的一般过程,第 一 阶 段,第二 阶段,第 三 阶 段,2019年6月15日星期六9时23分38秒,7,第二节 线粒体氧化体系,2019年6月15日星期六9时23分38秒,8,定义 在线粒体内膜上由一系列酶和辅酶组成的连锁状氧化还原体系称为呼吸链又称电子传递链 代谢物脱下的氢（2H）通过线粒体内膜这种由多种酶和辅酶所催化的连锁氧化还原反应逐步传递，最终与氧结合生成水 组成 递氢

4、体和电子传递体,一、呼吸链的组成,用胆酸或者脱氧胆酸对线粒体内膜处理可得到四种具有传递电子功能的酶复合体,2019年6月15日星期六9时23分38秒,9,* 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中,人线粒体呼吸链复合体, b,b c1,2019年6月15日星期六9时23分38秒,10,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,呼吸链四种具有传递电子功能的酶复合体 在线粒体内膜上的排列顺序,2019年6月15日星期六9时23分38秒,11,（一）、复合体: NADH-泛醌还原酶,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),复合体是一种跨膜蛋白由黄素蛋白、铁硫蛋白等组成

5、,2019年6月15日星期六9时23分38秒,12,1、NAD+和NADP+,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,2019年6月15日星期六9时23分38秒,13,Vit B2,FMN,AMP,FAD,2、黄素蛋白(FP),7,8,5,10,1,2,4,黄素蛋白(FP)是以FMN或者FAD为辅基的脱氢酶，种类很多，但辅基只有两种，如NADH脱氢酶,2019年6月15日星期六9时23分38秒,14,FAD与FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是7,8二甲基异咯嗪，氧化还原反应时,N5接受一个H+e形成不稳定中间产物FMN(FAD)H ,N

6、1再接受一个H+e成还原型FMN(FAD)H2,1,5,H+e,H+e,10,7,8,2019年6月15日星期六9时23分38秒,15,3、铁硫蛋白 铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)，含有等量铁原子和硫原子（非血红素铁和对酸不稳定硫） 铁硫蛋白的Fe-S ：(a)含有一个Fe，铁原子与四个半胱氨酸的巯基硫相连，(b)Fe2-S2，两个Fe与四个半胱氨酸的巯基硫相连，(c)Fe4-S4，为正六面体结构，四个硫和四个铁相间位于六面体八个顶角，通过四个顶角的铁与四个半胱氨酸巯基的硫结合 铁原子通过二价铁和三价铁的互相转变，在呼吸链中传递电子 Fe2+ Fe3+e 在呼吸链中铁硫蛋白和黄素蛋白、细胞色

7、素b结合成复合物存在,Fe,Fe2-S2,Fe4-S4,2019年6月15日星期六9时23分38秒,16,（4）、泛醌（辅酶Q, CoQ, Q） 泛醌是一种苯醌的衍生物，酯溶性，在自然界广泛存在，第三位有由多个异戊二烯聚合而成的较长的疏水性侧链，不同的泛醌，侧链所含的异戊二烯单位多少不同（人CoQ10）,4,3,1,氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌,2019年6月15日星期六9时23分38秒,17,（二）、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,复合体是一类位于线粒体内膜内侧的膜蛋白,2019年6月15日星期六9时23分38秒,18,（5）、细 胞 色 素 细胞色

8、素是一类以铁卟啉为辅基的色素蛋白，根据它们吸收光谱不同分类分为a、b、c三类 cytaa3、cytb、cytcc1 cytb、cytc、ytc1的辅基都是为铁卟啉（血红素）(1、3、5、8四甲基，2、4二乙烯基，6、7二丙酸基卟啉） cytb中，铁卟啉与蛋白部分靠非共价键结合 cytc、cytc1的辅基铁卟啉通过2，4位上的乙烯基与蛋白部分两个半胱氨酸的巯基硫之间形成硫醚键结合,2019年6月15日星期六9时23分38秒,19,cytFe3+,2e,cytFe2+,2e,cytaa3的辅基为血红素A，与血红素不同的是第2位多聚异戊烯链取代了乙烯基，第8位甲酰基取代了甲基 cytaa3很难分离，

9、形成复合体，由两个血红素A与酶蛋白结合，还含有铜原子 在电子传递过程中，分子中的铜离子发生Cu+ Cu2+ 的互变，将cytc所携带的电子传递给1/2O2 cytaa3把电子直接交给1/2氧分子，又称为细胞色素氧化酶 细胞色素通过辅基铁卟啉中的铁离子接受电子变成二价铁，供出电子又变成三价铁的互相转化，在生物氧化过程中起传递电子的作用,2019年6月15日星期六9时23分38秒,20,（三）、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,复合体为跨膜蛋白,2019年6月15日星期六9时23分38秒,21,（四）、 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

10、氧,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给1/2O2,复合体为跨膜蛋白,2019年6月15日星期六9时23分38秒,22,由以下实验确定 标准氧化还原电位 根据各组分氧化态和还原态吸收光谱的不同，缓慢加氧，观察各组分被氧化的顺序 特异抑制剂阻断 呼吸链的拆分,二、呼吸链中各成分的排列顺序,2019年6月15日星期六9时23分38秒,23,根据氧化还原电位高低排序 呼吸链各组分按照氧化还原电位的高低，从低到高的顺序排列 电子是从氧化还原电位低向氧化还原电位高的组分传递,2019年6月15日星期六9时23分38秒,24,根据各组分氧化态与还原态有不同的吸收光谱分析 呼吸链中各组分大多都

11、有特殊的吸收光谱，并且还原态与氧化态吸收光谱不同 NAD在紫外线260nm波长有一个吸收峰，接受氢成NADH在340nm波长出现一个新的吸收峰 黄素蛋白的辅基FMN（FAD）因含核黄素7、8二甲基异咯嗪，氧化态在370nm、450nm波长各有一个吸收峰，接受氢还原后，450nm波长的吸收峰消失 cyt在还原态各有一个特殊的吸收峰，氧化后消失 将提取的包含有呼吸链各组分的完整线粒体放在无氧而底物充足的条件下，使各组分都保持还原态，然后缓慢给氧，并用分光光度计监测，首先氧化的为与氧最靠近的组分，以此类推，就可推断出各组分在呼吸链中的顺序,2019年6月15日星期六9时23分38秒,25,特异性抑制

12、剂阻断分析 呼吸链被特异性抑制剂阻断后，阻断前部分为还原态，阻断后的部分为氧化态，用不同的特异性抑制剂阻断呼吸链不同部位的传递，通过分析不同阻断状态下，各组分的氧化还原状态，推断各组分在呼吸链中的顺序 呼吸链个复合体在在呼吸链中的位置,2019年6月15日星期六9时23分38秒,26,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2,三、主要的呼吸链,2Cu2,Fe-S,Fe-S,Fe-S,Fe-S,复合体,复合体,复合体,2Cu2,2019年6月15日星期六9时23分38秒,27,2. FADH2（琥珀酸)氧化呼吸链 琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,Cu2,

13、bc 1 c aa3,Fe-S,Fe-S,2019年6月15日星期六9时23分38秒,28,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,2019年6月15日星期六9时23分38秒,29,电子传递链,2019年6月15日星期六9时23分38秒,30,四、生物氧化过程中ATP的生成,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,（一)高能化合物与高能磷酸化合物,2019年6月15日星期六9时23分38秒,31,2019年6月15日星期六9时23分38秒,32,ATP循环的概念,在ATP水解成ADP时，释出的自由能驱动那些需要加入自由

14、能的吸能反应，ADP 与 Pi又可利用营养物经生物氧化时产生的能量重新磷酸化为ATP，这样构成的循环称为ATP循环。 ATP循环与细胞内进行的能量转换有关，故又称细胞能量循环（cell energy cycle),2019年6月15日星期六9时23分38秒,33,ATP的生成和利用(ATP循环）,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(维持体温),生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心,肌酸激酶,2019年6月15日星期六9时23分38秒,34,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,2019年6月15日星期

15、六9时23分38秒,35,核苷酸激酶的作用,ATP的利用和储存,2019年6月15日星期六9时23分38秒,36,（二）高能磷酸化合物ATP的生成,氧化磷酸化 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 是底物在反应过程中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,2019年6月15日星期六9时23分38秒,37,底物水平磷酸化,GTP+ADP=GDP+ATP,2019年6月15日星期六9时23分38秒,38,（1）氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：复合体、根据自由能变化和P/O比值 电子传递链自由能变化 GO =-n

16、FEO GO -自由能变化 EO -电位变化 n-传递的电子数 F-法拉弟常数（96.5KJ/(mol.V),氧化磷酸化,2019年6月15日星期六9时23分38秒,39,氧化磷酸化偶联部位,电子传递链自由能变化,2019年6月15日星期六9时23分38秒,40,P/O比值: 消耗一摩尔氧原子,消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数,2019年6月15日星期六9时23分38秒,41,（2）氧化磷酸化的偶联机理,化学渗透假说 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驱动ADP与Pi生成ATP,2019年6月

17、15日星期六9时23分38秒,42,化学渗透假说简单示意图,2019年6月15日星期六9时23分38秒,43,化学渗透假说,2019年6月15日星期六9时23分38秒,44,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,2019年6月15日星期六9时23分38秒,45,化学渗透假说具体内容,呼吸链在线粒体内膜中构成三个回路，每个回路均有质子泵的作用 第一个质子泵：复合体 a、NADH提供1个质子和2个电子加上线粒体基质中的1个质子使FMN还原生成FMNH2 b、FMNH2将2H转移到线粒体内膜外释放出，将两个电子传递给铁硫簇（Fe-S)，使Fe-S还原 c、Fe-S放出两个电子被氧化，两个电子加上线

18、粒体基质中的2H+传递给CoQ,还原生成CoQH2 第二个质子泵：复合体 d、 CoQH2移至线粒体内膜外，将2H+释放到线粒体内膜外侧，两个电子交给Cytb(Cytb是一种跨膜蛋白，一条多肽链上结合两个辅基b566和b562) e、还原型Cytb将两个电子交给CoQ, CoQ接受两个电子和基质中的2H+成还原型CoQH2,2019年6月15日星期六9时23分38秒,46,第三个质子泵：复合体 f、CoQH2在线粒体内膜外侧释出2H+,两个电子通过Fe-S、c1、c、a、a3传递给分子氧，氧被激活为O2-,并与基质中的2H+结合成水 这三个质子泵每传递两个电子共向胞液侧泵出6个H+，形成三处质

19、子梯度，当H+从胞液侧顺着质子梯度由ATP合酶的质子通道回流至基质时，电能转变成化学能，使ATP合酶催化合成ATP,每2个H+回流释出的能量合成一分子ATP,2019年6月15日星期六9时23分38秒,47,ATP合酶,ATP合酶即复合体，位于线粒体内膜，利用呼吸链电子传递过程中释放出的能量，催化ADP与磷酸生成ATP ATP合酶由两个主要部分组成，F0和F1再加上柄部连接而构成。F1即偶联因子，呈球形，通过柄部与包埋在线粒体内膜的F0连接，故又称三联体,2019年6月15日星期六9时23分38秒,48,ATP合酶,ATP合酶分子量（480-500）X103 F1分子量（350380）X103

20、，由9个亚基（33）构成 F0（a1b2c912亚基）组成。 c亚基形成环状结构，a亚基位于环外侧，与c亚基形成质子通道 F1与F0之间的柄部还有其他亚基存在，寡霉素敏感蛋白（OSCP)位于ATP合酶柄部,ATP合酶结构模式图,OSCP,2019年6月15日星期六9时23分38秒,49,F1的功能是催化生成ATP， 与亚基有ATP结合位，催化部位在亚基中，只有亚基和亚基结合才有活性, 亚基是质子通道的闸门，对质子通过有调节作用，亚基与F1与线粒体内膜结合有关，亚基对ATP合酶活性有调节作用 F0 是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道， 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间形成质子通道回流时，亚

21、基发生旋转，3个亚基的构象发生改变，催化ADP+H3PO4结合生成ATP,2019年6月15日星期六9时23分38秒,50,ATP合酶的催化机制,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 紧密结合型（T）变成开放型（O），释出ATP; 开放型（O）变成疏松型 （L）与ADP和Pi结合；疏松型变成紧密结合型（T）使结合的ADP和Pi生成ATP。ATP在紧密结合型（T）中生成，在开放型（O）释放,2019年6月15日星期六9时23分38秒,51,(3）、影响氧化磷酸化的因素,1.呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递 如：鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴

22、比妥、抗霉素A、CO、CN-、N3-及H2S 2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离 如：解偶联蛋白、2、4二硝基苯酚 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,抑制剂,2019年6月15日星期六9时23分38秒,52,激素调节 甲状腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加,2019年6月15日星期六9时23分38秒,53,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,2019年6月15日星期六9时23分38秒,54,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,2019年6月15日星期

23、六9时23分38秒,55,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,2019年6月15日星期六9时23分38秒,56,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,ATP合酶结构模式图,OSCP,2019年6月15日星期六9时23分38秒,57,五、胞浆中NADH的氧化,胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化 转运机制主要有 -磷酸甘油穿梭 苹果酸-天冬氨酸穿梭,2019年6月15日星期六9时23分38秒,58,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体 内膜,线粒体 外膜,膜间隙

24、,线粒体 基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,-磷酸甘油穿梭,脑组织和骨骼肌胞液中的NADH主要通过-磷酸甘油穿梭进入线粒体,2019年6月15日星期六9时23分38秒,59,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,苹果酸-天冬氨酸穿梭,肝脏和心肌等组织胞液中NADH主要通过苹果酸-天冬氨酸穿梭进入线粒体氧化,2019年6月15日星期六9时23分38秒,60,ATP4-,ADP3-,H2PO4-,2019年6月15日星期六9时23分38秒,61,电子传递链及氧化磷酸化系统概貌,

25、H+ 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+,2019年6月15日星期六9时23分38秒,62,第三节 非线粒体氧化酶系,2019年6月15日星期六9时23分38秒,63,（一）双加氧酶,此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上,例 如：,一、微粒体氧化体系,甲酰犬尿酸原,OH,2019年6月15日星期六9时23分38秒,64,（二）单加氧酶,催化的反应：,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,单加氧酶催化将氧分子的一个氧加到底物上形成羟基，另一个氧原子接受NADPH提供的氢生成水，故又称混合功能氧化酶或羟化

26、酶,单加氧酶的主要组成 细胞色素P450 (CytP450)、NADPH细胞色素P450还原酶 辅酶：NADPH、铁卟啉、FAD、Fe-S,2019年6月15日星期六9时23分38秒,65,1,2,3,4,5,6,7,8,9,NADPH细胞色素P450还原酶,2019年6月15日星期六9时23分38秒,66,氨基酸羟化酶 另外还有一类羟化酶和以上讲的混合功能氧化酶有所不同如苯丙氨酸羟化酶、多巴胺-羟化酶 苯丙氨酸羟化酶催化苯丙氨酸羟化生成酪氨酸，辅基为二氢生物嘌呤 多巴胺-羟化酶催化多巴胺羟化生成去甲肾上腺素，供氢体为还原型抗坏血酸,多巴胺O2,去甲肾上腺素+H2O,多巴胺-羟化酶,还原型抗坏

27、血酸,2019年6月15日星期六9时23分38秒,67,苯丙氨酸羟化酶催化的反应,此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径,2019年6月15日星期六9时23分38秒,68,在生物氧化过程中，氧在电子供给充足情况下生成氧负离子（2O2-),与质子结合生成水，氧在电子供给不足情况下生成过氧离子（O22-)、超氧离子（2O2-.)，过氧离子O22-和两个质子结合生成H2O2,超氧离子（2O2-.)在超氧化物歧化酶催化下与两个质子结合生成水和一分子氧 ，超氧离子是带负电荷的氧自由基，非常活泼，可与H2O2反应生成更活泼的羟基自由基,2O2-. + H2O2,O2+OH-+OH.,.,（一）生物氧化过程H2O2

28、、2O2-.和OH.的生成,2019年6月15日星期六9时23分38秒,69,（二）过氧化氢及超氧离子的作用及毒性 功能 1、中性粒细胞中产生的过氧化氢可以杀灭吞噬的微生物 2、甲状腺中产生的过氧化氢参与甲状腺球蛋白分子中酪氨酸残基的碘化过程，促进甲状腺素合成 毒性作用 H2O2、2O2-.、及OH.统称为反应氧族（活性氧），非常活泼，对组织细胞强烈的氧化作用： 1、对核酸的氧化破坏作用，使DNA氧化、修饰、断裂，产生基因突变 2、对巯基酶或其他巯基蛋白质的氧化破坏作用 3、对生物膜的氧化破坏作用，使生物膜磷脂不饱和脂肪酸双键氧化产生产生过氧化脂，引起生物膜破坏损伤 X线、-射线等的致癌作用可

29、能与射线促进机体自由基的生成有关组织老化可能也与机体自由基的产生有关 长期大量吸入高纯度的氧，可引起呼吸循环衰竭，甚至造成死亡，这可能与氧大量产生H2O2、2O2-.、及OH.等活性氧有关,2019年6月15日星期六9时23分38秒,70,1、过氧化氢的清除,（1）过氧化氢酶 又称触酶，其辅基含4个血红素,（三）过氧化氢及超氧离子的清除,（2）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,2019年6月15日星期六9时23分38秒,71,谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2 (ROOH),2H2O (ROH+H2O),2G SH,G S S G,NADP+,NADPH+H+,* 此

30、类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,(3) 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 主要存在于红细胞等组织细胞当中,2019年6月15日星期六9时23分38秒,72,超氧离子(O2.)在体内是在超氧化物歧化酶（SOD）催化下清除的，SOD是机体防止超氧离子氧化损伤最主要的酶,2、超氧化物的清除,O2.O2. + 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,SOD广泛存在于各组织细胞，半衰期很短 胞液中含的SOD以Cu2+、Zn2+为辅基 线粒体SOD的辅基为Mn2+ SOD的产生减少，或活性下降，超氧化物堆积，引起组织细胞氧化损伤，引起许多疾病 SOD对肿瘤抑制作用、可减少缺血性心肌梗死的范围和程度，SOD活性降低与肿瘤有关,过氧 化氢酶,