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1、第 八 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,生物氧化的核心内容从能量代谢角度阐释生命现象,相关关键问题: 能量的主要来源? 能量如何生成? 能量如何存在? 能量如何转运、利用?,第一节 概 述 Introduction,物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化,主要指糖、脂肪、蛋白质三大营养素在生物体内氧化分解并逐步释放能量,最终生成CO2 和H2O的过程。 亦称“组织呼吸”或“细胞呼吸”。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、生物氧化的概念,* 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。
2、 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。,二、生物氧化的特点,是在细胞内温和的有水环境中(体温,pH接近中性),经一系列酶促反应逐步缓慢进行,能量逐步释放,以ATP形式储存和转运,有利于机体捕获能量,提高ATP生成的效率。 物质的氧化方式是脱氢反应,脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O;二氧化碳(CO2 )是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物(有机酸)直接脱羧或氧化脱羧产生。,* 生物氧化与体外氧化之不同点,生物氧化,体外氧化,在高温、高压、干燥条件下进行,是剧烈的自由基反应,能量突发式释放。产生的能量以光与热的形式散
3、发在环境中。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,场所:真核细胞在线粒体内膜,原核细胞在质膜上进行。,第二节 生物氧化的方式,1、-单纯脱羧,2、-氧化脱羧,一、生物氧化中二氧化碳的生成方式,4、-氧化脱羧,3、-单纯脱羧,二、生物氧化中物质的氧化方式,遵循普通化学中的氧化还原规律。 方式加氧 脱氢/加水脱氢 失电子 氧化还原系统失去电子或氢原子的物质 称为供电子体或供氢体;接 受电子或氢原子的物质称为 受电子体或受氢体。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,第三节 线粒体氧化体系,定义 在生物氧化过程中,从代谢物
4、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,这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。 组成:递氢体和电子传递体(2H = 2H+ + 2e), 存 在于线粒体内膜上,一、呼吸链的定义,线粒体的结构,嵴,二、呼吸链的成分和作用,呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(由相应酶和传递体共同组成) 和两种单独成分。,* Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc) 未包含在上述四种复合体中。,线粒体呼吸链酶复合体,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,烟酰胺核
5、苷酸类NAD+/NADP+:,主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+,大多脱氢酶以NAD+为辅酶。 电子和氢离子一起被接受,还原型Co将氢移到NADH(黄素)脱氢酶上。,呼吸链中包括5类电子载体:,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3: NADP+,NAD+(NADP+)和NADH(NADPH)相互转变,黄素蛋白,含FMN或FAD的蛋白质,每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶,以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,FMN结构中含核黄素,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FMN 。,FAD
6、的结构,铁硫蛋白,在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合,通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递并转给辅酶Q ,有2Fe-4S和4Fe-4S两种类型。,辅酶Q,又称泛醌(ubiquinone,CoQ),可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为二氢泛醌(CoQH2),处在呼吸链的中心地位。 CoQH2接受黄素蛋白与铁硫蛋白传递来的2H,将其中的电子传递给后续细胞色素bc1复合体,H+释出。,细胞色素(cytochromes),分子中含有血红素铁,以共价形式与蛋白结合,通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子,呼吸链中有5类,即:细胞色素a、a3、b、c、c1。根据它们吸收光谱不同而分类。,作用靠铁的变
7、价传递电子由CoQ传到氧。 a、cyt bc1复合体:含cty b 、cty c1及铁-硫蛋白。 b、cyt氧化酶:含cty a和cty a3 。 除含铁还含铜( Cu 2 + Cu + ) c、cyt c:在cty bc1复合体和cty氧化酶间传递电子。,传递体 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 递氢体 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+) 递氢体 黄素蛋白(辅基为 FAD和 FMN) 递氢体 铁硫蛋白(Fe-S) 单电子传递体 辅酶Q 递氢体 细胞色素类 单电子传递体,复合体: NADH-Q(泛醌)还原酶,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),由以上五
8、种电子传递体组成4个复合体和2个单独成分。,复合体的功能,复合体: 琥珀酸-Q(泛醌)还原酶,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,复合体: QH2(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: 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Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,三、呼吸链主要成分的排列顺序,实验依据: 1)根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序,氧化还原电位逐渐增加,该值越大,说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端,越小,说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。 2)电子亲和力增加的顺序排列; 3)吸收光谱变化,氧化程度逐渐增高; 4)利
9、用电子传递抑制剂选择性阻断;,呼吸链(电子传递链),电子亲和力递增的顺序,ATP,FADH2,ATP,ATP,1. NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢,大部分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。 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 一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作为这条呼吸链的最初供体。,四、体内两条重要的呼吸链,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,区别:从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+, 而直接传递给
10、黄素酶,五、胞液中NADH的氧化,胞液中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 (-glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),1. -磷酸甘油穿梭机制,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,M-磷酸 甘油脱氢酶,-磷酸甘油穿梭系统,说明: 1) S-磷酸甘油脱氢酶 和M-磷酸甘油脱氢酶是同工酶,前者的辅酶是NAD+,后者的辅基是FAD,因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻
11、底氧化可产生2个ATP。 2)该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,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,M-苹果酸 脱氢酶,苹果酸穿梭系统,说明: 1)S-苹果酸脱氢酶和M-苹果酸脱氢酶是同工酶,均以NAD+作为辅酶。 2)一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产生3个ATP。 3)该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。,小 结,1. 生物氧化/组织呼吸/细胞呼吸的概念 2. 生物氧化与体外氧化的不同点 3. 物质氧化方式的种类 4. 生
12、物氧化的一般过程及其阶段划分 5. 呼吸链/电子传递链 6. 呼吸链的组成成分 7. 呼吸链中包括5类电子载体 8. 递氢体和电子传递体的种类 9. 什么是NADH氧化呼吸链;什么是琥珀 酸氧化呼吸链或FADH2氧化呼吸链 10. 什么是-磷酸甘油穿梭机制和苹果酸 -天冬氨酸穿梭机制,第四节 生物氧化与能量代谢,高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”,水解时释放能量,常用符号表示。,一、高能化合物,1、高能化合物的概念: 在标准条件下(pH=7, 25, 1mol/L),水解时释放的能量大于30KJ/mol的含磷酸酯键或硫酯键的化合物统称为高能化合物。,2、高能化合物的类型: 高能磷酸
13、化合物 高能硫酯化合物,二、高能磷酸化合物ATP的形成,ATP的生成: 主要由:ADP+pi+能量ATP 少数情况:AMP+ ppi+能量ATP,ATP是生命活动的直接供能物质,体内能量的生成就是ADP经磷酸化生成ATP的过程。,体内磷酸化主要有两种方式: 底物磷酸化和氧化磷酸化,能量贮存在ATP的高能磷酸键中。,1、底物水平磷酸化,定义:底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配,能量集中产生高能键,然后使ADP磷酸化生成ATP的过程。,底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物,通过酶
14、的作用使ADP生成ATP。,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,O=CSCoA COO- CH2 CH2 CH2 CH2 COO- COO- 琥珀酰-CoA 琥珀酸,琥珀酰-CoA合成酶,GDP+Pi,GTP,+CoA,2、氧化磷酸化:,1)定义 在生物氧化过程中,底物脱氢产生NADH和FADH2经呼吸链传递给氧生成水的同时,所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP,这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),又称为偶联磷酸化。,氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失电子的过程,而磷酸化是指ADP
15、与Pi合成ATP的过程。在结构完整的线粒体中两个过程紧密偶联在一起,即氧化释放的能量用于ATP合成,氧化是磷酸化的基础,而磷酸化是氧化的结果。 氧化磷酸化产生人体80%的ATP。,定义 是指每消耗1mol氧原子时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷,即产生多少摩尔的ATP。 代谢物脱氢以NAD+作为受氢体时,P/O比值为3,即生成3个ATP; 而代谢物以FAD作为受氢体时, P/O比值为2,即生成2个ATP。,2) 磷氧比(P/O),呼吸链上氧化磷酸化偶联部位或位点: 复合体、复合体、复合体 NADHCoQ;CoQCyt c; Cyt cO2,3)电子传递链的自由能变化,自由能:是指在热力学过
16、程中,系统减少的内能中可以转化为对外做功的 “有用能量”。 化学反应中自由能的变化决定了反应是释能还是吸能。 G0时,反应不能自发进行,须吸能进行。,氧化磷酸化偶联部位,NADHCoQ; Cyt bCyt c; Cyt aa3O2。,三、氧化磷酸化的偶联机理,化学偶联假说 1953年E.C.Slater提出 构象偶联假说 1964年P.D.Boyer提出 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis), 1961年由P.Mitchell 提出,化学渗透假说: 电子传递链像一个质子泵,电子传递过程中所释放的能量,可促使质子由线粒体基质移位到线粒体内膜外膜间空间形成质子电化学梯度,
17、即线粒体外侧的H 浓度大于内侧并蕴藏了能量。当电子传递被泵出的质子,在H 浓度梯度的驱动下,通过F0F1ATP酶中的特异的H 通道或“孔道”流动返回线粒体基质时,则由于H 流动返回所释放的自由能提供给F0F1ATP酶催化ADP与Pi偶联生成ATP。,证据:,1)线粒体膜上的ATP合酶(ATP synthase): “生物体内最酷机器排行榜”亚军 1960年美国科学家Efraim Racker从线粒体中提取出了”F0-F1ATPase” 即ATP synthase。 ATP合酶是受质子动力推动的酶。可催化ATP水解放能;又可从质子动力势获能,合成ATP。,F1由33构成,(亚基有催化位点)。和交
18、替排列。贯穿复合体(相当于发电机的转子),并与F0接触,帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构(相当于发电机的定子)。 F0由ab2c12构成,嵌入内膜,12个c亚基形成环形结构,具有质子通道,可使质子由膜间隙流回基质。,ATP合酶结构模式图,AATP酶利用质子动力势,产生构象的改变,改变与底物的亲和力,催化ADP与Pi形成ATP。 BF1具有三个催化位点,但在特定的时间,三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象(loose),ADP、 Pi与酶疏松结合在一起;在T构象(tight)底物(ADP、 Pi)与酶紧密结合在一起,在这种情况下可将两者加合在一起;在O
19、构象(open)ATP与酶的亲和力很低,被释放出去。 C质子通过F0时,引起c亚基构成的环旋转,从而带动亚基旋转,由于亚基的端部是高度不对称的,它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化(L、T、O),不断将ADP和Pi加合在一起,形成ATP。,ATP合成酶的工作机制,2)H +泵分布在膜上:,NADH脱氢酶 细胞色素bc1复合体 细胞色素氧化酶 与这三个复合体有 关的自由能变化足以将 H +泵出,从而形成膜基 质与膜间隙的H+梯度。,四、影响氧化磷酸化的因素,1. 呼吸链电子传递抑制剂 是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质或化学药品。 呼吸链中断使底物的氧化作用受阻,偶联的磷酸化作
20、用无法进行,ATP的生成随之减少。 这类物质和化学药品绝大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极强的毒性。,(一)生物氧化抑制剂,根据在呼吸链上的作用部位,可分为三类: 抑制第一位点: 阿米妥(异戊巴比妥)、 鱼藤酮、粉蝶霉素A等; 抑制第二位点: 抗霉素A和二巯基丙醇; 抑制第三位点: CO、H2S和CN-、N3-。其中,CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+,而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,鱼藤酮 杀粉蝶菌素(粉蝶霉素A) 阿米妥(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 不抑制呼吸链的递
21、氢或递电子过程,而是抑制由ADP+Pi生成ATP的磷酸化作用,使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化。即使氧化与磷酸化偶联过程脱离。,如:解偶联蛋白、双香豆素、2,4-二硝 基苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。,机制:呼吸链传递电子时泵出的H+不经ATP合酶的F0质子通道回流,而通过线粒体内膜中其他途径返回,破坏了跨膜H+梯度的形成。,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 直接干扰ATP的形成,因偶联而抑制电子传递。 代表是寡霉素。,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,
22、(二)ADP、Pi与ATP的调节作用 负反馈调节: 当ATP高时,ADP、AMP下降,氧化磷酸化速度减慢,NADH堆积,TCA循环速度减慢,ATP合成降低;当ATP低时,ADP、AMP升高,氧化磷酸化速度加快,TCA循环速度加快,ATP合成增加。 ADP/ATP是限制氧化磷酸化速度的因素。通过ATP浓度对氧化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制。,(三)甲状腺激素(激素的调节) 激活Na+, K+ATP酶ADP氧化磷酸化; 诱导解偶联蛋白基因表达增加耗氧及产热 ; (四)线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌,H+ 跨膜质子电化学梯度;H+m内膜基质侧
23、H+;H+c 内膜胞液侧H+,目 录,五、ATP的利用,G,GTP,磷酸肌酸激酶,ATP循环: 也称细胞能量循环。指物质氧化分解时释放能量使ADP磷酸化生成ATP;而ATP水解释能并放出一个磷酸基团后又变回ADP的不断循环反应过程。 ATP循环是生物体内能量转换的基本方式。,第五节 非线粒体氧化体系,一、需氧脱氢酶和氧化酶,二、过氧化物酶体中的酶类,(一)过氧化氢酶(catalase) 又称触酶,其辅基含4个血红素,O2 O2- H2O2 HO H2O,超氧化阴离子,H2O2对机体有双重作用:,参与 杀菌;参与生物合成; 是强氧化剂,对细胞有毒害作用,(二)过氧化物酶(perioxidase)
24、 以血红素为辅基,催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物。,谷胱甘肽过氧化物酶,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,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,反应氧族 超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。,三、超氧化物歧化酶,2O2+ 2H+,SOD,H2O2 + O2,H2O + O2,过氧化氢酶,SOD:超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),四、微粒体中的酶类,主要催化许多脂溶性药物和毒物的氧化,与体内正常代谢物的氧化也有密切关系。 催化
25、直接将氧加到底物分子上的反应。,(一)加单氧酶(monoxygenase),催化在底物分子中加入1个氧原子,又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase)。,反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,* 催化的反应:,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,目 录,(二)加双氧酶,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。,反应通式:,R=R + O2 R=O + R=O,小 结,1.高能化合物、如何书写 2.常见高能化合物的种类 3.底物水平磷酸化、氧化水平磷酸化 4.磷氧比(P/O) 5.氧化磷酸化偶联部位或位点 6.化学渗透假说的主要内容 7.生物氧化抑制剂的分类、举例 8. ATP循环 9.微粒体酶类与药物毒物代谢密切相关,ATP合酶结构模式图,F1由33构成,(亚基有催化位点)。和交替排列。贯穿复合体(相当于发电机的转子),并与F0接触,帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构(相当于发电机的定子)。 F0由ab2c12构成,嵌入内膜,12个c亚基形成环形结构,具有质子通道,可使质子由膜间隙流回基质。,ATP合酶结构模式图,
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