第08章生物氧化.ppt

第 八 章,生 物 氧 化 Biological Oxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化，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。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,* 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。 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。,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。 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；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,能量是突然释放的。 产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 生物氧化的一般过程,第一节 氧化呼吸链 Oxidative respiratory chain,定义 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)。 组成 递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e）,一、呼吸链,（一）呼吸链的组成,四种具有传递电子功能的酶复合体(complex),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。,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,1. 复合体: NADH-泛醌还原酶,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone),FMN：黄素单核苷酸,NAD+和NADP+的结构,R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,NAD+：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADP+ ：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,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。,+ 2H+ + 2e,FMN（黄素单核苷酸）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FMNH 。,Vit B2,FMN,AMP,FAD,铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。, 表示无机硫,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。,复合体的功能,2. 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,FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸,细 胞 色 素,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。,3. 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,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,其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。,由以下实验确定 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,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,*体内两条氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,电子传递链,第二节 氧化磷酸化,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。 AH2 2H（2H+2e） H2O 氧化反应 ADP + Pi ATP 磷酸化反应,呼吸链 ½ O2,能量,A,氧化磷酸化,ATP合酶,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 Gº'=-nFEº',1、P/O 比值,指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所需磷酸的摩尔数，即所能合成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,二、 氧化磷酸化的偶联机理,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,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,2. ATP合酶,由亲水部分F1（33亚基 ）和疏水部分 F0（ab2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,F1：催化生成ATP F0:形成跨膜质子通道,三、影响氧化磷酸化的因素,（一）抑制剂,A. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。 B. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：二硝基苯酚、解偶联蛋白 C. ATP合酶抑制剂 如：寡霉素,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,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,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,（二）ADP的调节作用 ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快。 （三）甲状腺激素 诱导Na+,K+ATP酶生成，加速ATP的分解，ADP增多促进氧化磷酸化。 （四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。,四、ATP,高能磷酸键与高能磷酸化合物,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,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。,ATP的生成和利用,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。,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。,线粒体内膜的主要转运蛋白,（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。 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（脑和骨骼肌）,-磷酸甘油脱氢酶,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,2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌）,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转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联,第三节 其他氧化与抗氧化体系,一、线粒体氧化呼吸链可产生活性氧（ROS）,·O2 -、 OH、H2O2、1O2、LOO及LOOH等含氧的活性物质都具有较氧活泼的化学性质，统称为ROS。,（一）过氧化氢酶(catalase) 又称触酶，其辅基含4个血红素,二、抗氧化酶体系,（二）超氧化物歧化酶,SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase),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,（三） 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,谷胱甘肽过氧化物酶,四、微粒体中的酶类,（一）单加氧酶(monoxygenase),* 催化的反应：,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase) 或羟化酶(hydroxylase)。,上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。,