课件：第4章--生物氧化-2014.ppt

1,第四章 生物氧化（biological oxidation ） p141,2,第一节 生物氧化 Biological Oxidation,一 、生物氧化的概念 二 、生物氧化的特点,3,一、生物氧化的概念 物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化。主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。,4,（一）与体外氧化的共同点 耗氧;生成CO2和水;释放的总能相等 （二）不同点 1.条件 体外：高温、干燥 体内：酶催化、 温和 2.能量形式、放能方式： 体外：热能,骤然释放 体内：热能+ATP（40），逐步释放,二、生物氧化特点,5,3. CO2和水的生成方式 体外：碳、氢直接与氧结合生成。 生物氧化： CO2：脱羧 水：底物脱氢 氧化呼吸链 与氧结合,6,* 生物氧化的一般过程,7,第二节 呼吸链（respiratory chain),8,一、概念 呼吸链（respiratory chain）：代谢物脱下的氢原子通过多种酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水的传递链。也叫电子传递链 。（ electron transfer chain ）。 递氢体：传递氢的酶或辅酶 电子传递体：传递电子的酶或辅基/辅酶,9,二、线粒体的膜结构,1.外膜：5000的分子和离子可跨膜扩散 2.内膜： 多数小分子和离子不能自由通过 呼吸链复合物、ATP合成酶位于内膜及嵴上 3.“膜间隙”：可溶性酶、底物、辅助因子 4.基质：丙酮酸脱氢酶系、TCA及脂肪酸氧化的大多数酶、鸟氨酸循环（肝脏）中的部分酶,10,三、呼吸链的组成,4种复合体、CoQ、Cytc组成两条主要的呼吸链： NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）,11,12,13,（一）复合体（NADH-CoQ 还原酶）,1. 是NADH + H的电子进入呼吸链的入口,14,2.辅基或辅酶 FMN （黄素蛋白的辅酶） :传递电子和H Fe-S中心(铁硫蛋白的辅基) :传递电子 3.电子传递途径,15,16,NADH+H+ FMN Fe2+S CoQ NAD+ FMNH2 Fe3+S CoQH2 电子在复合体的传递途径,17,4.复合体的两个功能 催化NADH+H+Q NAD+QH2 (放能) 将4个H+从线粒体基质（N side）泵到膜间隙（P side） （吸能）,18,(二）复合体（琥珀酸-辅酶Q还原酶）,1.另一条呼吸链的入口 2.将电子和氢从琥珀酸传递给CoQ 3.辅基： FAD Fe-S簇 heme b 4.电子传递途径,琥珀酸 FAD，Fe-S簇 CoQ 复合体的电子传递,19,琥珀酸 FAD 延胡索酸 FADH2 FADH2 Fe3+S Fe2+S Fe3+S CoQH2 FAD Fe2+S Fe3+S Fe2+S CoQ 复合体上的电子传递途径,20,是TCA的一步反应,21,22,复合体将电子和氢从琥珀酸传递给泛醌 复合体不能泵出氢质子,23,（三）辅酶Q （泛醌）,脂溶性醌类化合物 位于内膜的脂质双层中 可以移动的电子传递体 电子和氢的受体,24,多个异戊二烯,半醌型泛醌,二氢泛醌,泛醌,25,26,(四）复合体（CoQ-CytC 还原酶）,1. 接受CoQ传递来的电子，并泵出4个H+ /2e 2. 还原酶的辅基： 血红素b L 血红素bH FeS 血红素c1,27,4.复合体中的电子传递途径,Cytc,28,（五）Cytc,接受复合体传递来电子，并传递给复合体 辅基：血红素C 位于膜间隙，是可以移动的水溶性电子,29,将电子从Cyt c传递给分子氧，催化分子氧还原为H2O, 泵出2个H /2e 。 辅基：Cu-Cu中心（CuA ） 血红素a，血红素a3 FeCu中心（ CuB ）,(六）复合体 （Cytc氧化酶 ）,30,31,复合体中的电子传递途径: Cytc CuA Cyt a Cyt a 3 C uB O2,32,电子传递链,33,34,（七）总的方程式：,每传递一对电子，复合体I、分别泵出4、4、2个H+。 NADH+11H+N+1/2O2 NAD+10H+P+H2O FADH2+6H+N+1/2O2 FAD+6H+P+H2O,35,FAD FADH2 脂酰CoA 2反烯脂酰CoA 脂酰CoA脱氢酶,36,四、呼吸链组分排列顺序的确定,1.根据标准氧化还原电位E0的高低排列 e EO（小） EO（大） 物质的标准氧化还原电位越低，则该物质失去电子的倾向越大，也就越容易成为还原剂而处于呼吸链的前面。,37,2.检测电子传递体氧化的顺序 电子传递体还原态和氧化态时的吸收光谱不同 利用完整的离体线粒体进行研究 检测前使所有电子传递体均处于还原态 向检测体系中缓慢给氧 判断：先由还原态变为氧化态的位于呼吸链的？面,38,39,3.体外将呼吸链的各复合体进行拆分和重组,40,4.利用阻断剂研究分析 完整的离体线粒体 实验前使所有电子传递体均处于还原态 给氧,41,42,第三节 氧化磷酸化,氧化磷酸化：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸 化，生成ATP的过程。,2019/8/23,43,可编辑,44,一、自由能变、偶联反应及高能磷酸化合物 （一）化学反应中的G（自由能变化） AB CD G:产物自由能与反应物自由能之间的差值 G0，需要外界提供能量才能进行，耗能 G0，可逆反应,45,（二）偶联反应,偶联反应：一个热力学上不能自发进行的反应可在另一个能够自发进行反应的驱动下而进行，这两个结合在一起同时进行的反应称为偶联反应。 实例 G+PiG-6-P+H2O G=3.3 kCal/mol ATP+H2OADP+ Pi G=-7.3 kCal/mol G+ ATPG-6-P+ ADP G=-4 kCal/mol,46,（三）高能化合物,1.高能化合物 高能化合物：1mol水解可释放出5.0kcal以上自由能的化合物。 1）磷氧键型(OP )：ATP、GTP等 2）氮磷键型(NP ）：磷酸肌酸 等 3）硫脂键型：琥珀酰CoA等 2. ATP（三磷酸腺苷） 生物能的主要载体 含一个磷酸酯键和二个磷酸酸酐键,47,48,（四）ATP生成的方式 1氧化磷酸化（主要方式）：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的过程。 高势能电子从NADH+H+或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中,所释放的能量驱动ADP形成ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联。,49,2底物磷酸化（次要方式）：高能键断裂偶联ADP磷酸化为 ATP（或GDP/GTP) 的过程。,50,二、氧化磷酸化的偶联部位,NADH与CoQ之间 CoQ与Cytc之间 Cytc与O2之间,51,1、根据P/O比值推测 P/O比值：物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷酸的mol数. 分离线粒体-体外模拟实验 底物：-羟丁酸,琥珀酸,还原型Cytc,52,位置 NADH Q CoQ Cytc Cytc O2,E0 E0 = 0.36v E0 = 0.21v E0 = 0.53v,2. 根据标准氧化还原电位差计算自由能变,53,位置 NADH Q Ctyb Cytc Cytaa3 O2,G0 G0 = -69.5 kJ/mol G0 = -40.5 kJ/mol G0 = -102.3 kJ/mol,1molADP ATP: G0 = 30.5 kJ/mol,G0 = -nFE0 F=96.5kJ/mol.V,54,每传递一对电子合成ATP的量,NADH氧化呼吸链：2.5ATP/ NADH+H+ （3ATP） 琥珀酸氧化（FADH2）呼吸链 ：1.5ATP/ FADH2（2ATP-旧版本）,55,三、氧化磷酸化偶联机制,1.化学渗透学说 电子经呼吸链传递时，可以将氢质子由线粒体基质泵到线粒体膜间隙，产生跨膜的质子电化学梯度（电位差和H+浓度差），质子顺梯度回流时会驱动ATP的形成。 由Peter Mitchell提出的，1978年获诺贝尔化学奖。,56,化学渗透学说的要点 1. 电子沿呼吸链传递时，泵出H+ 形成跨膜电化学梯度 跨膜电位差 H+浓度梯度 2. H+ 顺电化学梯度回流，释放能量会偶联ATP的生成。 ADP ATP ATP合酶 3.H+由ATP合成 酶的F0亚单位回流时才会偶联ATP的生成。,能量,57,58,2.ATP合成酶,ATP合成酶：F0、F1两个亚单位 F1：位于基质侧，催化ATP合成 F0：跨越内膜,是H+通道,59,17个亚基,60,H+ 回流，亚基旋转，3个亚基的构象发生改变 疏松型（L）： ADP和Pi与亚基 结合 紧密结合型（T）：ADP和Pi生成ATP 开放型（O）：释放ATP,61,2,1,62,63,四、影响氧化磷酸化的因素,（一）抑制剂 1.呼吸链抑制（阻断）剂 （1） 抑制复合体（与铁硫蛋白结合） 鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥 (2)抑制复合体 抗霉素A (Cyt b Cytc1) (3)抑制复合体 CO、CN 、H2S ：与FeCu中心结合,64,65,2.解偶联剂（ uncoupler） ：使氧化与磷酸化偶联过程脱离。 (1)机理：使H+不经ATP合酶的F0回流 (2)多为脂溶性的弱酸 例: 2,4-二硝基苯酚,66,(3)解偶联蛋白 是线粒体内膜上的质子通道 新生儿及冬眠动物棕色脂肪组织较多：产热御寒 新生儿硬肿症（缺乏棕色脂肪组织 成年人棕色脂肪少，体内残存的数量因人而异 棕色脂肪的活力需要寒冷激发,67,3. 氧化磷酸化抑制剂 寡霉素（结合在ATP合成酶的Fo亚单位的通道上） 抑制ADP磷酸化 抑制电子传递,68,（二）ADP的调节作用 氧化磷酸化的速率主要受ADP浓度的调节 （三）甲状腺激素 1.诱导细胞膜上Na+，K+ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi 2.解偶联蛋白基因表达增加 基础代谢率增高,（四）线粒体DNA（mtDNA)突变 mtDNA ：含编码复合体中13条多肽链、22个tRNA、2个rRNA的基因 在哺乳动物中大小一般在15kb18kb之内，呈双链环状 动物mtDNA为母系遗传,69,70,五 、 NADHH+穿梭,胞液中的NADHH+进入线粒体内有两种穿梭方式： 磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭,71,（一）磷酸甘油穿梭,1,2,1,2,1.穿梭机制,72,2.甘油-3-磷酸脱氢酶 胞液甘油-3-磷酸脱氢酶- NAD+ 线粒体内膜甘油-3-磷酸脱氢酶-FAD,73,3. 生成能量 ： 1.5ATP/ NADHH+ 4. 骨骼肌、神经细胞胞质中的NADHH+主要通过这种穿梭机制,74,（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,1.穿梭机制,75,76,1.酶：苹果酸脱氢酶（ 辅酶：NAD+ ）、天冬氨酸转氨酶 2.两种转运蛋白：-酮戊二酸转运蛋白和酸性氨基酸转运蛋白 3.进入NADH氧化呼吸链 ：2.5ATP（3ATP-旧版本） 4. 肝脏、心肌细胞,77,78,第五节 其他生物氧化体系,一、氧化酶和需氧脱氢酶 氧化酶：含铜离子，产物中有H2O。如抗坏血酸氧化酶 需氧脱氢酶：辅基是FMN或FAD，产物中有H2O2,79,二、过氧化氢酶和过氧化物酶 过氧化氢酶：2H2O2 2H2O + O2 过氧化物酶(peroxidase)： R + H2O2 RO + H2O RH2 + H2O2 R + 2H2O,80,三、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD） 超氧离子 ：O2- SOD 2 O2- + 2H H2O2 + O2,81,四、加单氧酶和加双氧酶,1.加单氧酶（羟化酶）（monooxygenase）：催化一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢还原成水。 单加氧酶需要NADH或者NADPH作为另一原子氧的氢供体。 单加氧酶催化的反应： 1）芳香环单羟基化 2）双碳键断裂形成环氧化合物 3）结合氧原子,2.加双氧酶（dioxygenase） 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 ； 反应通常也消耗NADH或者NADPH，也可能依赖于FAD或Fe2+； 双加氧酶催化反应： 1)芳香环双羟基化 2