生物氧化 ppt课件

物质在生物体内进行氧化称生物氧化，主要 指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内分解时逐 步释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。 糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2 能量 ADP+Pi ATP 热能 * 生物氧化的概念 生命活动 维持体温 生物氧化体外氧化 氧化 糖原 脂肪 蛋白质 葡萄糖 脂酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TAC TAC NADH+HNADH+H + + FADH FADH 2 2 呼吸链 H H2 2 O O ADP+Pi ATP COCO2 2 * 生物氧化的一般过程 生成ATP的氧化体系 The Oxidation System of ATP Producing 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，此传递链称为(氧化)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 细胞呼 吸 （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 Cytc Q NADH+H+ NAD+ FAD FADH2 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 e e e e e 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 * 泛醌 和 Cytc 均不包含在上述四种复合体中。 1. 复合体: NADH-泛醌还原酶 u 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体 NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 黄素蛋白 铁硫蛋白 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。 FMNH 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 FMNH 。 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。 表示无机硫表示半胱氨酸硫 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 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2 还原型Fe-S 氧化型Fe-S Q QH2 2. 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 u 功能: : 将电子从琥珀酸等传递给泛醌 复合体 琥珀酸 CoQ FAD; Fe-S1 ; Fe-S2 ; Fe-S3; b560 黄素蛋白铁硫蛋白 细胞色素b560 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 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体 QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 铁硫蛋白细胞色素b 细胞色素c1 复合体的电子传递通过“Q循环”实现。 复合体每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个 H+，复合体也有质子泵作用。 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。 4. 复合体: 细胞色素c氧化酶 u 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体 还原型Cyt c O2CuAaa3-CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。 每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移 。 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 交汇点交汇点 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 （FADH2氧化呼吸链） 乳酸、丙酮酸、异柠檬酸、 -酮酮戊二酸、苹果酸、 -羟羟脂 酰酰CoA、 -羟丁酸等 琥珀酸、-磷酸甘油(线线粒体)、脂 酰酰CoA等 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、能量逐步释放并偶联ADP 磷酸化生成ATP，因此又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是因脱氢、脱水等作用使能量在因脱氢、脱水等作用使能量在 分子内部重新分布而形成高能磷酸化合物，然后分子内部重新分布而形成高能磷酸化合物，然后 将能量转移给将能量转移给ADPADP形成形成ATPATP的过程。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比值而确定 G=-nFE G:标准自由能 n:转移的电子数 F:法拉第常数 96.5KJ/mol/V E:标准氧化还原电位 ATP ATP 氧化磷酸化偶联部位 19.3KJ19.3KJ ATP 电电子传递链传递链 自由能变变化 线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值 底 物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数 -羟丁酸NAD+复合体CoQ复合体2.5 2.5 Cyt c复合体O2 琥珀酸复合体CoQ复合体1.5 1.5 Cyt c复合体O2 抗坏血酸Cyt c复合体O20.88 1 细胞色素c (Fe2+) 复合体O20.61-0.68 1 P/O 比值 指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生 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）。 （二） 氧化磷酸 化的偶联机理 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 英国的P. Mitchell经过大量实验后于1961年首先提出的。 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。 线粒体基质 线粒体内膜 + + + + - - - - H+ 1/2O2 H2O H+ e- ADP + Pi ATP 化学渗透假说 简单示意图 F 0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图 4H+ + 2H + + 4H + （三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶 利用催化ATP合成 F1：亲水部分 （动物：33亚基复合体， OSCP、IF1 亚基），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 。 nATP合酶结构组成 由亲水部分 F1和 疏水部分 F0组成。 F1：33亚基 F0：a1b2c912亚基 ATP合酶结构模式图 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基 之间回流时，亚基发生旋转，3个亚基 的构象发生改变。 估计每生成1分子ATP需3个H+回流。 ATP合酶的工作机制 三、影响氧化磷酸化的因素 1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。 2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 如：解偶联蛋白 、二硝基苯酚 3. 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。 如：寡霉素 （一）抑制剂 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 寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP 生成 寡霉素寡霉素 ATP合酶结构模式图 解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体） F F 0 0 F F1 1 Cyt c Q 胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白 热能 H H+ + H H+ + ADP+Pi ATP （二）ADP的调节作用 ADP可促进氧化磷酸化 （三）甲状腺激素 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 。 （四）线粒体DNA突变 (mtDNA) 影响氧化磷酸化，使ATP 生成减少而致病。 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 H+；H+c 内 膜胞液侧H+ 高能化合物 进行水解反应时伴随的标准自由能变化进行水解反应时伴随的标准自由能变化大于大于 2121KJ/molKJ/mol的化合物。生物学中的标准状态为的化合物。生物学中的标准状态为0.1MPa0.1MPa、 2525、pH=7.0pH=7.0。 大多数高能化合物都含有可水解的磷酸基团，所以又大多数高能化合物都含有可水解的磷酸基团，所以又 称为称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。如。如ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、UTPUTP、 PEPPEP、CPCP、乙酰磷酸、乙酰磷酸等等。但也不是所有含磷酸基团的等等。但也不是所有含磷酸基团的 化合物都属于高能磷酸化物，如化合物都属于高能磷酸化物，如6-6-磷酸葡萄糖。磷酸葡萄糖。 另外还有另外还有高能硫酯化合物，高能硫酯化合物，由酰基和巯基构成，如由酰基和巯基构成，如 乙酰乙酰CoACoA、脂酰、脂酰CoACoA、琥珀酰、琥珀酰CoACoA等。等。 四、ATP在能量的生成、利用、转移和储存中 起核心作用 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP 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 肌酸 磷酸 肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P P P 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 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 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜 膜间隙 线粒体 基质 -磷酸甘油 脱氢氢酶 呼吸链 磷酸二羟丙酮 -磷酸甘油 胞浆 2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制 NADH +H+ NAD+ NADH +H+ NAD+ 谷氨酸- 天冬氨酸 转运体 苹果酸-酮酮 戊二酸转转运体 苹果酸 草酰乙酸 -酮酮戊二酸 谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶 胞液 线 粒 体 内 膜 基质 呼吸链 天冬氨酸 （二） 腺苷酸转运蛋白 腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter)，