《动物生物化学》PPT课件.ppt

第五章 生物氧化 (Biological Oxidation),生物氧化的概念： 有机物在生物体细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程称为生物氧化（bioligical oxidation）。 由于此过程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在组织细胞内进行，所以生物氧化也叫做细胞呼吸或组织呼吸。,代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段： 1 糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基； 2 乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢，生成CO2并使NAD+ 和FAD还原成NADH+H+、FADH2； 3 NADH+H+和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成。,一 有关的几个概念 1 自由能 G = H - ST G = H - ST,2 ATP( Adenosine Triphosphate) ADP (Adenosine Diphosphate) AMP (Adenosine Monophosphate) ATP+H2O ADP+Pi ATP+H2O AMP+PPi ATP+AMP ADP+ADP ATP+GDP ADP+GTP ATP+GMP ADP+GDP UDP+ATPUTP+ADP CDP+ATPCTP+ADP dNDP+ATPdNTP+ADP,ATP以偶联的方式推动体内非自发反应,3 氧化还原酶类,1）需氧脱氢酶 需氧脱氢酶可以催化底物脱氢，并且将脱掉的氢立即交给分子氧，生成H2O2。此酶大多以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基，称为黄素酶类。它们常需要某些金属离子，如Mo2+和Fe2+等。 属于需氧脱氢酶的有黄嘌呤氧化酶、L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶及醛氧化酶等。需氧脱氢酶不被氰化物（CN-）和CO的抑制。在无氧的条件下，某些色素，如甲烯兰可代替氧接受氢而被还原。,需氧脱氢酶催化的反应是：,2）不需氧脱氢酶 不需氧脱氢酶可使底物脱氢而氧化，但脱下来的氢并不直接与氧反应，而是通过呼吸链传递最终才与氧结合生成H2O。这些酶的辅酶包括NAD+、NADP+和FAD等。例如，在葡萄糖的分解代谢中的3-磷酸甘油醛脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等都属于不需氧脱氢酶。,3）氧化酶,主要的氧化酶有处于呼吸链末端的细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase），又称细胞色素aa3，可以催化细胞色素C的氧化，将电子直接传递给氧，生成O2-，后者再接受H+生成H2O。氧化酶可被氰化物（CN-）和CO抑制。酶分子需要Cu2+等金属离子。 L-和D-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶等需氧脱氢酶，虽然也冠以“氧化酶”的名称，但并不是真正意义上的氧化酶，它们催化生成的氧化产物是过氧化氢，而不是水。,4）其他氧化酶,（1）过氧化氢酶和过氧化物酶,过氧化氢酶（catalase）催化过氧化氢分解成水和氧，消除其对细胞的毒性，而过氧化物酶( peroxidase)催化过氧化氢氧化其他物质，如酚类和胺类，同时生成水。这两种酶主要存在于过氧化物酶体中，因为过氧化氢主要在这里产生，也在这里分解。在血液和乳中这两种酶也有较高的活性，它们的辅基是铁卟啉。,（2）加氧酶（oxygenase） 包括加单氧酶（monooxygenase）和转氧酶（transoxygenase）两种。加单氧酶又称为羟化酶（hydroxylase），存在于内质网膜，它可催化一些脂溶性物质，如脂溶性药物、毒物和类固醇物质的氧化，使之转化为极性物质而通过体液代谢排出体外。这些反应需要有NADPH+H+和细胞色素P450参加。,（3）超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD） 是一类广泛存在于动、植物及微生物中的含金属酶类。真核细胞浆内的SOD含有Cu2+ 和Zn2+等元素，相对分子质量为32 000，由2个亚基组成。线粒体内的SOD含Mn2+，4个亚基。含Fe2+的SOD呈黄色。牛肝中的另一类SOD含Co2+和Zn2+。,体内常见的自由基，除超氧离子自由基外，还有羟基自由基和氢过氧自由基等。它们是机体正常或异常代谢的产物，化学性质非常活跃，可以引起其它自由基的生成，对机体产生危害，主要是生成脂质过氧化物，交联蛋白质、脂类、核酸及糖类，使生物膜变性，致使组织破坏和老化。 在正常生理状态下，自由基不断生成，并且不断被清除。SOD能促进超氧化物的歧化反应，通过生成H2O和O2而清除自由基，阻止自由基的连锁反应，对机体起到保护作用。SOD在临床上已经用于延缓人体衰老，抗慢性多发性关节炎和放射治疗后的炎症等，还应用于化妆品以保护皮肤和抗衰老。,4 生物氧化的特点,1)反应条件温和 2)氧化方式底物脱氢，脱氢后经一系列的传递才与氧结合生成水 3)逐步放能 4)CO2由含羧基的化合物直接脱羧或氧化脱羧产生,二 氧化磷酸化作用 1 两条主要的呼吸链 呼吸链(respiratory chain)是由一系列的递氢体(hydrogen transfer)和递电子体(electron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。,由于氢原子可以看作是由H+和e组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅助因子。,(1) NADH呼吸链 NADH-Q还原酶复合物 FMN、 FeS 辅酶Q QH2-细胞色素c还原酶复合物 细胞色素b和c1(血红素)，FeS 细胞色素c氧化酶复合物 细胞色素a，a3 (血红素A)，Cu,（2）FADH2呼吸链 琥珀酸-Q还原酶复合物 FAD FeS 辅酶Q QH2-细胞色素c还原酶复合物 细胞色素b和c1(血红素)，FeS 细胞色素c氧化酶复合物 细胞色素a，a3 (血红素A) ，Cu,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) Nicotinamide Adenine Dinucleotide 或称辅酶I(CoI) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate 又称辅酶(Co),黄素单核苷酸(FMN) Flavin Mononucleotide 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) Flavin Adenine Dinucleotide,NADH脱氢酶以FMN为辅基，是呼吸链的组分之一，介于NADH与其它电子传递体之间；琥珀酸脱氢酶、线粒体内的甘油磷酸脱氢酶的辅基为FAD。,铁硫蛋白(ironsulfur proteins, Fe-S),铁硫蛋白中的铁可以呈两价(还原型)，也可呈三价(氧化型)，由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用。在呼吸链中它多与黄素蛋白或细胞色素b结合存在。,泛醌(ubiquinone,UQ或Q) 亦称辅酶Q(coenzyme Q)，为一脂溶性苯醌，带有一很长的侧链，是由多个异戊二烯(isoprene)单位构成的，不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由10个异戊二烯单位组成。 泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。,细胞色素体系 Keilin于1926年首次使用分光镜观察昆虫飞翔肌振动时，发现有特殊的吸收光谱，因此把细胞内的吸光物质定名为细胞色素。细胞色素是一类含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体。线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、（红色细胞素）aa3（绿色细胞素）。不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异。,细胞色素C的辅基与酶蛋白的联接方式,细胞色素c为一外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧。Cyt c的辅基血红素(亚铁原卟啉)通过共价键(硫醚键)与酶蛋白相连(见图)，其余各种细胞色素中辅基与酶蛋白均通过非共价键结合。,血红素A结构式,细胞色素a和a3不易分开，统称为细胞色素aa3。和b、c1、c不同，细胞色素aa3的辅基不是血红素，而是血红素A(见图)。细胞色素aa3可将电子直接传递给氧，因此又称为细胞色素氧化酶。,NADH氧化呼吸链,FADH2呼吸链,一摩尔ATP水解生成ADP与Pi所释放的能量为7.3千卡，凡氧化过程中释放的能量大于7.3千卡，均有可能生成1摩尔ATP，就是说可能存在有一个偶联部位，根据公式计算，当n=2时，EO=0.1583V时可释放7.3千卡能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电位的变化大于0.1583V的部位均可能存在着一个偶联部位。,呼吸链中电子对传递时自由能的变化,在NADCoQ, Cyt bCyt c和Cyt aa3O2处可能存在着偶联部位。,偶联部位示意图,NADH+H+2.5ADP+2.5Pi+1/2O2NAD+2.5ATP+3.5H2OFADH2+1.5ADP+1.5Pi+1/2O2FAD+1.5ATP+2.5H2O,2.体内ATP生成有两种方式 (1) 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指ADP与Pi合成ATP的过程。在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。 ,电子传递与质子传递偶联(注：复合物未显示),氧化磷酸化的化学渗透学说,线粒体内膜上三联体(三分子体)结构示意图,P/O： 每消耗1摩尔原子氧有多少摩尔的原子磷被酯化为有机磷。 呼吸控制： ADP的水平决定氧化磷酸化的速率。 呼吸商 = 产生CO2的量/消耗O2的量,能荷： 细胞中ATP的含量（包括以1/2ATP计算的ADP）与3种腺苷酸ATP、ADP、AMP含量总和的比值。 能荷=ATP+1/2ADP/ ATP+ADP+AMP,(2) 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 底物分子中的能量直接以高能键形式转移给ADP生成ATP，此过程称为底物水平磷酸化，这一磷酸化过程在胞浆和线粒体中进行，包括：,3.氧化磷酸化抑制剂 (1)呼吸抑制剂 这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化。 鱼藤酮(rotenone)专一抑制NADHCoQ的电子传递。抗霉素A(actinomycin A) 由霉菌中分离得到，专一地抑制CoQCyt c 的电子传递。 CN-、CO、NaN3和H2S均能抑制细胞色素氧化酶。,(2)磷酸化抑制剂 这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定会抑制氧化。 寡霉素(oligomycin)可与F0的OSCP结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。 二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCC)可与F0的DCC结合蛋白结合，阻断H+通道，抑制ATP合成。 栎皮酮(quercetin)直接抑制参与ATP合成的ATP合成酶。,(3)解偶联剂(uncoupler) 解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成。 常用的解偶联剂有2，4-二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使动物体温升高。,4.细胞液中NADH的氧化磷酸化 线粒体是糖、脂肪、蛋白质等能源物质的最终氧化场所，但是糖、蛋白质和脂肪的全部氧化过程并不是都在线粒体内进行（如糖酵解作用在细胞液中进行，真核生物细胞液中的NADH不能通过正常的线粒体内膜），细胞液中NADH不能通过线粒体内膜进入线粒体内进行氧化磷酸化，必须通过两种“穿梭”途径。,原理：线粒体外的NADH可将其所带之H转交给某些能透过线粒体内膜的化合物（甘油-3-磷酸、苹果酸等），进入线粒体内后再氧化。 (1)-磷酸甘油穿梭 该穿梭机制主要在脑及骨骼肌中，它是借助于-磷酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原转移还原当量，使线粒体外来自NADH的还原当量进入线粒体的呼吸链氧化。,(2) 苹果酸，天冬氨酸穿梭 这种穿梭机制主要在肝、肾、心中发挥作用。,苹果酸天冬氨酸穿梭 GOT：谷草转氨酸；MDH：苹果酸脱氢酶,磷酸肌酸,Biological oxidation Repiratory chain Flavin mononucleotide FMN Flavin adenine dinucleotide FAD Nicotinamide adenine dinucleotide NAD Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate- NADP Peroxisome Oxidoreductases Monooxygenase Dioxygenase,Superoxide dismutase SOD Uridine triphosphate UTP Adenosine triphosphate ATP Guanosine