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1、1,生 物 氧 化 (biological oxidation),南方医科大学基因工程研究所 生物化学与分子生物学教研室,2,能 源,3,人体活动能源？,4,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,5,生物氧化的酶类及CO2的生成 生物氧化过程中H2O和ATP的生成 ATP在能量代谢中的核心作用 线粒体内膜对物质的转运 氧化呼吸链的组成与排列顺序 氧化磷酸化 影响氧化磷酸化的因素 氧化应激与疾病,内容提纲,6,物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biological oxidation)，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
2、成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,生物氧化的概念,7,* 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。,8,* 生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,在细胞内温和的水溶液环境中（体温，pH接近中性），由一系列酶的催化下逐步进行,体外燃烧,能量逐步释放，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率,生物氧化中生成的H2O由脱下的氢与氧结合产生，CO2由有机酸脱羧产生,能量是突然释放的。,产生的CO2、H2
3、O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,速度受体内多种因素调控,不受调节,9,第一节 生物氧化的酶类及CO2的生成,The Enzymes Involved in Biological Oxidation and Production of CO2,10,一、生物氧化的酶类,（一）氧化酶类,氧化酶催化代谢物脱氢，将产生的氢直接以氧作为受氢体生成H2O。 主要存在于线粒体 其辅基常含有铜、铁等金属离子, O2,O2-,H2O,2H+,11,（二）脱氢酶类,1. 需氧脱氢酶,需氧脱氢酶催化产生的氢直接以氧作为受氢体生成H2O2 主要存在于过氧化物酶体 辅基是FMN 或FAD,O2,H2O2,12,3
4、. 不需氧脱氢酶类,不需氧脱氢酶催化产生的氢经一系列传递体的传递，最后以氧作为受氢体生成H2O。,根据辅助因子的不同，可分为两类： 以NAD+、NADP+为辅酶 以FAD(FMN)为辅基,NAD+只接受 了一个质子 两个电子,14,加单氧酶催化O2中的一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自NADPH+H+）还原形成H2O，故又称混合功能氧化酶（mixed-function oxidase）或羟化酶(hydroxylase)，所催化的反应可简示为： RH+ NADPH + H+ + O2 ROH+ NADP+ +H2O,（一）加单氧酶,（三）加氧酶类,* 主要分布于微粒体,15
5、,2. 加双氧酶 加双氧酶催化氧分子中2个氧原子加到作用物中特定双键的2个碳原子上。,例 如：,色氨酸,犬尿酸,16,-胡萝卜素 -15，15-加氧酶,O2,17,（四）氢过氧化物酶类,1. 过氧化氢酶（catalase） 又称触酶，其辅基含有4个血红素,* 主要分布于过氧化物酶体,18,可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物(R-O-OH)，是体内防止活性氧类损伤主要的酶。,H2O2 + 2GSH 2 H2O +GS-SG 2GSH + R-O-OH GS-SG + H2O + R-OH,2. 谷胱甘肽过氧化物酶 (glutathione peroxidase，GPx),19,谷胱甘肽
6、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,20,二、生物氧化过程中CO2的生成,（一）a-脱羧,1. a-单纯脱羧,体内外氧化生成CO2的途径不同,21,2. a-氧化脱羧,CH3COSCoA +CO2,22,（二）b-脱羧,+ CO2,1. b-单纯脱羧,草酰乙酸,23,2. b-氧化脱羧,+CO2,异柠檬酸,a-酮戊二酸,24,第二节 生物氧化过程中H2O和ATP的生成,Production of H2O and ATP in Biological Oxi
7、dation,25,ATP在能量代谢中的核心作用 线粒体内膜对物质的转运 氧化呼吸链 氧化磷酸化 影响氧化磷酸化的因素,概念 组成 排列顺序,概念 偶联部位 偶联机制,26,一、ATP在能量代谢中的核心作用, 生物体能量代谢的特点：,生物体不能承受能量大量增加、大量释放的化学过程，所以代谢反应都是依序进行，能量逐步得失的反应 生物体不直接利用营养物质的化学能，需要使之转移成细胞可以利用的能量形式 ATP是最重要的高能化合物，是细胞可以直接利用的最主要能量形式,27,生物化学中把化合物水解时释放的能量大于21 kJ/mol者,所含的化学键称为高能键，以“”表示。,含有高能键的化合物称为高能化合物
8、。在体内所有高能化合物中，以高能磷酸化合物种类最多，其中又以ATP最为重要。,28,29,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,30,ATP的生成,（一）底物水平磷酸化,定义：,代谢物在氧化分解过程中，因脱氢或脱水而引起分子内能量重新分布，产生高能键，然后将高能键转移给ADP生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate phosphorylation)。,31,底物水平磷酸化反应,*,32,ATP的生成,（二）氧化磷酸化,定义：,氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)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。,33,
9、如果在机体急需能量的情况下，能够把2分子的ADP转化为ATP,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。,35,ATP的生成和利用 （能量币）,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。,36,二、线粒体内膜对物质的转运,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。,37,外膜,内膜,嵴,ATP合酶,38,（一）线粒体内膜的主要转运蛋白,39,（二） 胞浆中NADH转运进入线粒体,胞浆
10、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。 （三磷酸甘油醛生成1,3-2-磷酸甘油酸） 转运机制主要有： 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle) -磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle),40,1. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,主要存在于心肌和肝脏中,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,42,2. -磷酸甘油穿梭机制,主要存在于脑和骨骼肌中,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD
11、,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,44,三、氧化呼吸链,定义 指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体和小分子有机化合物，可通过连锁的氧化还原反应将代谢物脱下的成对氢原子最终传递给氧生成水，并用释放的能量生成ATP。这一系列复合体和有机小分子称为氧化呼吸链(oxidative respiratory chain)，又称电子传递链(electron transfer chain)。 定位：线粒体内膜 组成：递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,45,人线粒体呼吸链复合体,泛醌和细胞色素C不包含在上述四种复合体中。,46,组
12、成呼吸链的递氢体和递电子体,* 组成呼吸链的Cyt分为Cyt a、b、c三类及不同亚类，包括了Cyt a、a3、b、c和c1，除了以血红素为辅基外，Cyt a和a3中还有Cu2+参与电子的传递,47,黄素蛋白（flavin protein，FP）,黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类,辅基有两种：FMN和FAD， 其分子中的异咯嗪环可以进行可逆的加氢和脱氢反应，故黄素蛋白在呼吸链中属于递氢体，在加氢反应时接收2个氢原子。,48,49,铁硫蛋白（iron-sulfur protein）,铁硫蛋白以铁硫簇（Fe-S）为辅基，Fe-S含有等量的铁原子和硫原子，其中铁原子可以进行可逆的得失电子反
13、应( Fe2+ Fe3+e )，故铁硫蛋白在呼吸链中属于单电子传递体。,50,铁硫蛋白结构示意图,51,泛醌（ubiquinone，Q）,在呼吸链传递过程中，泛醌接受黄素蛋白和铁硫蛋白复合物传递来的质子和电子还原成还原型，又可脱去质子和电子成氧化型，故泛醌在呼吸链中属于递氢体。,52,泛醌是脂溶性化合物，在呼吸链中不与蛋白质结合而以游离的形式存在，能在线粒体内膜中自由扩散，将呼吸链传递过程联系起来。,53,细胞色素（cytochromes，Cyt）,细胞色素是一类含血红素样辅基的单电子传递蛋白，根据它们吸收光谱不同而分类。各种细胞色素的主要差别在于辅基卟啉环的侧链以及血红素所处分子环境各有不同
14、。,54,55,呼吸链中包括细胞色素a、a3、b、c和c1，其电子传递顺序是Cyt bCyt c1 Cyt c Cyt aa3 O2。,Fe2+ Fe3+e Cu+ Cu2+e,由于Cyt a和Cyt a3结合紧密，很难分开，故将Cyt a和Cyt a3 合称为Cyt aa3。 Cyt aa3中除了有两个血红素辅基外，还有2个铜原子可进行传递电子的反应。,56,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,57,呼吸链中的组成,58,1. 复合体: NADH-泛醌氧化还原酶,（一）氧化呼吸链的组成,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白、疏水蛋白 复合体的电子传递：,还原型Fe-S
15、,氧化型Fe-S,Q,QH2,还原型Fe-S,氧化型Fe-S,Q,QH2,复合体有质子泵功能，每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧,59,2. 复合体: 琥珀酸-泛醌氧化还原酶,功能: 将电子从FADH2传递给泛醌 组成：黄素蛋白、铁硫蛋白 复合体的电子传递：,还原型Fe-S,氧化型Fe-S,Q,QH2,复合体II没有质子泵功能,60,复合体 I 及复合体 II 的电子传递,61,3. 复合体: 泛醌-细胞色素氧化还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 组成：细胞色素b(b562,b566) 细胞色素c1、铁硫蛋白 复合体的电子传递：,泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递
16、到复合体。,62,复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 复合体也有质子泵作用，每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+。 Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。,63,QH2,Q循环,64,4. 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,Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每传递2个电子使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。,65,复合体的电子传递过程,66,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,人线粒体呼吸链的组成及功能,* 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中,68,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. FADH2氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,69,人线粒体呼吸链的组成及功能,* 泛醌 和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中,