《生物化学生物氧化》PPT课件.ppt

第6章,生物氧化,Biological Oxidation,营养物质在活细胞内彻底氧化分解生成水和二氧化碳，并释放能量的过程，称生物氧化(biological oxidation) ，又称 细胞呼吸(cellular respiration)。,生物氧化的概念,生 物 氧 化 的 三 个 阶 段,H2O,阶段,TAC,线粒体,第一节 生物氧化的特点及其酶类,酶促反应：体内、近中性、 37、有水环境； CO2：脱羧产生； 水：底物脱氢经呼吸链传递电子、泵出质子，与氧结合生成。 能量：逐步释放，利用率高，合成ATP及维持体温； 氧化速率：受生理功能需要和内外环境变化调控,二、生物氧化中CO2的生成,（一）-脱羧 1. -单纯脱羧,R R H2N CCOOH H2NCH H H,CO2,2.-氧化脱羧,CH3 C=O + HSCoA+NAD+ COOH,CH3CO SCoA+NADH+H+,CO2,丙酮酸脱氢酶系,氨基酸脱羧酶,氨基酸 胺,丙酮酸 乙酰辅酶A,(二）-脱羧,1.-单纯脱羧,2.-氧化脱羧,CH2-COOH CH-COOH OH,+NADP+,CH3 C-COOH O,+ NADPH+H+,CO2,苹果酸酶,苹果酸 丙酮酸,三、生物氧化的酶类,（一）氧化酶（辅基多为含铁和铜的金属离子）,（二）需氧脱氢酶（辅基为FMN或者FAD）,(三）不需氧脱氢酶,NADH+H+,（四）加氧酶,加单氧酶 RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O 加双氧酶,（五）过氧化物酶系,第二节 生成ATP的生物氧化体系,(The Oxidation System of ATP Producing),一、线粒体内膜的转运作用,（一）线粒体的结构（structure of mitochondria),内膜,外膜,基质,胞浆,膜间隙,H+,H+,H+,H+,e-,e-,e-,e-,（二） 线粒体外NADH+H+转运进入线粒体,苹果酸-天冬酸穿梭作用（malate-aspartate shuttle）,可生成2.5分子ATP 主要存在于肝和心肌,2. -磷酸甘油穿梭 (-glycerophosphate shuttle）,可生成1.5分子ATP 主要存在于脑和骨骼肌,苹果酸-天冬酸穿梭,：酸性氨基酸载体；：-酮戊二酸载体； ：天冬氨酸转氨酶；：苹果酸脱氢酶,-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中,内膜,外膜,膜间隙,基质,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二 羟丙酮,-磷酸 甘油,NADH+H+,-磷酸甘油脱氢酶,磷酸二 羟丙酮,-磷酸 甘油,二、氧化呼吸链(oxidative respiratory chain),线粒体内膜中由一系列电子传递复合体按一定顺序排列成的链锁性氧化还原体系称为氧化呼吸链,又称电子传递链(electrotranfer chain).,（一）、呼吸链的组成及作用,泛醌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,1、复合体(NADH-泛醌氧化还原酶)作用 -将NADH+H+中的电子传递给泛醌,(1) 结构：“L”型,膜间隙,辅基递电子的机理,FMN或FAD中的异咯嗪接受1e、1个H+成半醌型FMN 或FAD，再接受1个e、1个H+成还原型FMN或FAD 。,铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。属于单电子传递体。, 表示无机硫,铁硫簇主要以(Fe-S)、(2Fe-2S)或(4Fe-4S) 形式存在，铁硫簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白.,Fe,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。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。,(2) 传递电子的机理,4Fe-4S,2Fe-2S,经FMN、2Fe-2S、Q、4Fe-4S传递NADH+H+的两个电子到Q，使之摄取基质2个H+转变为QH2。,琥珀酸脱氢FAD几种Fe-S CoQ QH2 经-磷酸甘油穿梭生成的FADH2，也在此 递氢给Q生成QH2。,2、复合体功能（琥珀酸-泛醌还原酶） -将电子从琥珀酸传递到泛醌,3、复合体功能（泛醌-细胞色素C还原酶） -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,细胞色素(cytochrome, Cyt),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。,Q循环：复合体III把2分子QH2的2个e传给CytC ，另2个e传给Q生成1分子Q和1分子QH2，并偶联泵出 4个H+到膜间隙的过程。,功能：通过Q循环传递电子、泵出质子,4、复合体（细胞色素C氧化酶） - 将电子从细胞色素C传递给氧,13个亚基组成的跨膜酶蛋白；亚基I、II、 为功能所必需； I：Cyta、Cyta3-CuB2+活性中心, II ：2个CuA2+组成的铜中心， ：结构不详；,铜中心传递4个Cyt C的4e给4个Cyt a 4个Cyt a再传此4e到Cyt a3-CuB2+中心，使1个O2还原为2个 O2- ，结合4H+生成 2H2O，同时把基质中4H+泵入膜间隙。 1QH2只能传2e，故上述过程只生成1H2O，泵出2个H+,功能,复合体把4个Cyt c传来的4个e给O2生成2H2O， 并把4H+由基质泵出到膜间隙。,过程：,质子泵（proton pump） 氧化呼吸链中在传递电子的同时能把质子从基质泵出到膜间隙的电子传递复合体，有复合体、。,哺乳动物氧化呼吸链的组成及功能,呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位,（二）呼吸链的种类,（二）氧化呼吸链各传递体排列顺序：,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,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,每对氢通过此呼吸链生成 2.5mol ATP; 又称主要呼吸链; 以NADH的方式进入;,每对氢通过此呼吸链生成1.5mol ATP; 又称次要呼吸链和 FADH2氧化呼吸链 以FADH2 的方式进入;,三、氧化磷酸化,氧化磷酸化营养物质脱氢生成的NADH+H+或FADH2，经氧化呼吸链传递电子、泵出质子形成质子梯度而蕴藏的电化学势能，被ADP利用、磷酸化生成ATP的过程，是体内生成ATP的主要方式。 底物水平磷酸化 代谢物脱氢或脱水引起分子内部能量聚集，高能键直接转移给ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。,ATP生成方式,实质：氧化呼吸链氧化释能和ADP磷酸化储能的偶联,（一）氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化中每消耗1mol氧原子时，所消耗无机磷的摩尔数，表示氧化呼吸链产生ATP的效率。,磷氧比值（P/O）,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,1. ATP合酶 2. 化学渗透假说,（二）氧化磷酸化偶联机制,ATP合酶结构模式,F1的功能是催化ATP生成 F0的作用是构成质子的通道,亲水F1：基质中， 9个亚基(33)； 33为有中间孔隙的头部； 在此孔隙中，可转动； 与1个，与连接；,疏水F0： 跨越内膜， 12-15个亚基（ab2C9-12）； C9-12排成对称C环； 基质侧连接,外侧连接a; b2连接a与;,ATP合酶a、c亚基结构,（2）化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis） 跨内膜质子梯度使膜间隙成正电性空间，基质为负电性空间，而蕴藏电化学势能。当H+从膜间隙回流到基质时释出能量，驱动ATP合成。,ATP合酶亚基经“结合变构”机制合成ATP,（3）结合变构机制：,未接触时为L型，可结合ADP和Pi；接触后变构为T 型，催化ADP和Pi合成ATP；离开变构为O型，释出ATP后，恢复为L型。,ATP合酶的C环逆时针方向转动,H+由膜间隙向基质 回流推动C环逆时针转动，带动在头部中央孔隙转动；,四、氧化磷酸化的调节及影响因素,（一）调节：,1、ADP/ATP调节作用（最主要）:,ADP/ATP比值,氧化磷酸化增快,呼吸控制（respiratory control）： 由于ATP/ADP比值变化对氧化磷酸化的调节效应 ， 称呼吸控制 ，调控的关键物质是ADP。,呼吸控制,氧化磷酸化减慢,2. 甲状腺激素：,甲状腺激素,Na+,K+ATP酶合成,解偶联蛋白合成,需要ATP合成,ATP合成,氧化磷酸化增快,（二）线粒体DNA突变的影响：,1. 呼吸链抑制剂： 鱼藤酮、抗霉素A 、氰化物等,（三）某些化学试剂及药物的影响：,2.氧化磷酸化解偶联剂： 2，4-二硝基酚(DNP)：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,3. 氧化磷酸化抑制剂： 寡霉素：可共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。,NAD,CoQ,Cyt c,O2,药物和试剂作用的 氧化磷酸化位点,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。,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,2,4-二硝基酚 双香豆素 氟羰基氰苯腙 缬氨霉素,寡霉素,五、ATP在能量代谢中的核心作用,ATP循环,ATP,ADP,氧化磷酸化 底物水平磷酸化,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),体内能量储存、 转 移和直 接利用 的最重要形式,营养物质氧化,H2O + CO2,第三节 非线粒体氧化体系,一、微粒体加单氧酶系（羟化酶、混合功能氧化酶）,* 催化的反应：,RH + NADPH + H+ + O2,ROH + NADP+ + H2O,NADP-细胞色素还原酶 细胞色素P450 铁氧还蛋白,组成,羟化酶,参与类固醇激素、胆汁酸等生物合成及生物转化,功能,细胞色素P450单加氧酶作用机制,二、超