第6章 生物氧化.ppt

第 6 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化分解称为生物氧化(biological oxidation) ，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。,定义：,分为： 线粒体内：ATP生成 线粒体外：无ATP生成， 生物转化,生物氧化又称为细胞呼吸或组织呼吸。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,生物氧化的特点,1.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。,反应环境温和，酶促反应逐步进行，能量逐步释放，能量容易捕获，ATP生成效率高。 通过加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,能量突然释放。 物质中的碳和氢直接与氧结合生成CO2和H2O 。,第1节 生成ATP的氧化体系,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。,一、呼吸链,由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链(respiratory chain)。,呼吸链,递氢体,递电子体,电子传递链,(一) 呼吸链的组成,黄素蛋白,NAD+和NADP+的结构,（一）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）,NAD+的主要功能是接受从代谢物上脱下的2H。,NAD+（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。,FMN结构中含有核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。,（二）黄素蛋白,1,10,FAD结构中也含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环。,1,10,（三）铁硫蛋白（Fe-S）,（四）泛醌,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10）,氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,（五）细胞色素体系,1. 是位于线粒体内膜的含铁的电子传递体。其辅基为铁卟啉。,2. 根据吸收光谱的不同可分为a、b、c三类。每一类又可分为几种亚类。,3. 线粒体的电子传递链含五种不同的细胞色素：Cytb、Cytc、Cytc1、Cyta、Cyta3。,Cyta与Cyta3是电子传递链中最后一个载体，很难分开，二者以复合物形式存在，又称为细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase)。,Cyta3可将电子直接传递给氧分子。,在呼吸链中具有四种传递电子功能的酶复合体(complex),人线粒体呼吸链复合体,复合体又称NADH-泛醌还原酶。 复合体电子传递：NADHFMNFe-S CoQ Fe-S CoQ。 每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体有质子泵功能。,1、复合体作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)。,复合体的功能,复合体是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。 电子传递：琥珀酸FAD几种Fe-S CoQ 复合体没有H+泵的功能。,2、复合体功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。,3、复合体功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。,复合体又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562, b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieske protein)。 泛醌从复合体、募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体。 电子传递过程：CoQH2(Cyt bLCyt bH) Fe-S Cytc1Cytc,复合体又称细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase)。 电子传递：Cyt cCuACyt aCyt a3CuBO2。 Cyt a3CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。,4、复合体将电子从细胞色素c传递给氧,复合体的电子传递过程,标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,（二）呼吸链成分的排列顺序,由以下实验确定:,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,复合体,复合体,复合体,复合体,CoQ,CytC,（三）主要的呼吸链,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,二、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),定义： 代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放能量用以使ADP磷酸化生成ATP，由于是代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，故称为氧化磷酸化。,1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 琥珀酰CoA 琥珀酸,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) ： 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP（GDP）磷酸化生成ATP （GTP）的过程。,(一) 氧化磷酸化的耦联部位,1、P/O比值测定,P/O比值指每消耗一摩尔氧原子所需的无机磷的摩尔数。,在氧化磷酸化过程中，无机磷酸是用于ADP磷酸化生成ATP的，所以无机磷的原子数可间接反映ATP的生成数。,通过测定离体线粒体内几种物质氧化时的P/O比值，可大体推测出偶联部位。,2.电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,(二) 氧化磷酸化耦联机制,1、化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis),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。,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜； 线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的； 电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度； 增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。,胞液侧,基质侧,电子传递过程复合体 (4H+) 、 (4 H+)和 (2H+)有质子泵功能。,2. ATP合酶,F1：亲水部分 （33亚基复合体），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。 F0：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道 。,1、呼吸链抑制剂,复合体抑制剂：鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥与铁硫蛋白结合阻断电子传递。,三、影响氧化磷酸化的因素,(一)抑制剂,复合体抑制剂：抗霉素A、二巯丙醇抑制cytb与cytc1之间电子传递。 复合体抑制剂：CO、CN、H2S抑制细胞色素c氧化酶，阻断电子传递给O2。,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,2、解偶联剂,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ； 解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。,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,3.氧化磷酸化抑制剂,这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。,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(oligomycin),寡霉素,ATP合酶结构模式图,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。,化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响,（二）ADP 的调节作用,ADP或ADP/ATP比率是调节氧化磷酸化速率的主要因素。,ADP，氧化磷酸化速率 ADP，氧化磷酸化速率,Na+，K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。,（三）甲状腺激素,甲亢患者基础代谢率高，产热增加，喜冷怕热，易出汗。,四、ATP,（一）ATP与高能磷酸化合物,高能磷酸键 水解时释放的能量大于20KJ/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。,由酰基和硫醇基构成的高能化合物，称为高能硫酯化合物。,(二)ATP的转换、贮存和利用,1. 参与糖、脂类及蛋白质的生物合成过程,ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP,核苷二磷酸激酶,2. 磷酸肌酸是肌肉和脑组织中能量的贮存形式,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。,ATP的生成和利用,五、通过线粒体内膜的物质转运,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。,线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运,（一）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。,-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),转运机制：,1、-磷酸甘油穿梭,主要存在于脑和骨骼肌中,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭,主要存在于肝和心肌中,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,磷酸甘油 脱氢酶,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,（二）ATP-ADP转运,ADP/ATP,氧化磷酸化,ADP,ATP,