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第八章 生物氧化 Biological Oxidation,2,一、生物氧化的概念 物质在体内的氧化分解过程，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。,摄氧 产能（ATP+热能） 产生H2O+ CO2,3,二、生物氧化特点 需O2 释放能量 产生H2O+ CO2,4,三、生物氧化中物质氧化的方式,氧化反应 还原反应,脱电子 脱氢 加氧 得电子 加氢 脱氧,5,氧化剂： 还原剂： 递电子 （递氢）体：,接受电子，H （还原反应） 供给电子，H （氧化反应） 酶/辅酶在电子传递中： 供电子（供氢）体 + 受电子（受氢）体,Fe2+ Fe3+ （供电子体） （受电子体） （还原剂） （氧化剂）,6,一、 呼吸链（respiratory chain) 概念： （1）代谢脱下的成对氢原子（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； （2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜； 传递氢的酶和辅酶递氢体 传递电子的酶和辅酶递电子体 （3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电 子传递体。,第一节 生成ATP的氧化体系,7,线粒体的结构,呼吸链,8,1、呼吸链中的组成,复合体 复合体 复合体 复合体 复合体,酶名称 NADH-Q 还原酶 琥珀酸-Q还原酶 Q-CytC 还原酶 CytC 氧化酶,辅基 FMN，Fe-S FAD， Fe-S 铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，Cu,9,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,10,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,酶/蛋白 体内大多数酶 黄素蛋白 铁硫蛋白 CoQ10,辅酶/辅基 NAD+/NADP+ FMN Fe2+/Fe3+,11,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,NAD+、NADP+,12,FMN,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,13,Fe-S,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,Fe2S2, Fe4S4,Fe4S4,作用： Fe2+ Fe3+e 单电子传递,14,泛醌（ubiquinone , Q） 亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 人体中： CoQ10 A、结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性 3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子 载体（无蛋白）,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,15,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,泛醌（ubiquinone , Q） B、作用：递氢体 C、递氢机制： 是多种底物进入呼吸链的中心点,16,17,酶/蛋白 琥珀酸 黄素蛋白 铁硫蛋白 细胞色素b560 泛醌,辅酶/辅基 FAD Fe2+/Fe3+ Fe2+/Fe3+,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,18,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,细胞色素b560 细胞色素cytochrome,Cyt A、结构：一类含铁卜啉辅基的色素蛋白 B、分类: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1,19,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,细胞色素b560 细胞色素cytochrome,Cyt C、区别： 铁卜啉辅基侧链不同 铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同,20,21,22,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,细胞色素b560 细胞色素cytochrome,Cyt D.作用： Cytb,c -单电子传递 Fe2+ Fe3+e Cytaa3 -以O2为电子受体,23,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,24,酶/蛋白 CoQ 细胞色素b562 /b566 细胞色素c1 铁硫蛋白 细胞色素c,辅酶/辅基 Fe2+/Fe3+ Fe2+/Fe3+ Fe2+/Fe3+ Fe2+/Fe3+,（3） 复合物 Q-cytc还原酶,25,Cytc 呈水溶性 与线粒体内膜外表面结合不紧密 易与线粒体内膜分离,（3） 复合物 Q-cytc还原酶,26,（3） 复合物 Q-cytc还原酶,27,蛋白(13条多肽) 1条含Cu多肽CuA 细胞色素aa3 另1条含Cu多肽CuB,辅酶/辅基 Cu+/Cu2+ Fe2+/Fe3+ Cu+/Cu2+,（4）复合物 Cytc 氧化酶,28,（4）复合物 Cytc 氧化酶,29,呼 吸 链 简 图,30,2、呼吸链中电子传递体的排列顺序,根据标准氧还电位E0的高低排列 e EO（小） EO（大） 根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测 利用阻断剂研究分析 四种复合物的电子传递再造实验,31,32,体内两条重要的呼吸链： （1）NADH 氧化呼吸链 （2）琥珀酸氧化呼吸链,33,三、氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation）,概念： 呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸 化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是 体内产生ATP的主要方式。,34,1、氧化磷酸化的偶联部位,NADH与Q之间 Ctyb 与 Cytc之间 Cytaa3 与 O2之间,35,1、氧化磷酸化的偶联部位,*推测氧化磷酸化的偶联部位的方法: （1） P/O比值： 物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消 耗无机磷的mol数（或ADP mol数），或每 消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.,36,位置 NADH Q Ctyb Cytc Cytaa3 O2,E0 E0 = -0.36v E0 = -0.21v E0 = -0.53v,1、氧化磷酸化的偶联部位 （2） 根据标准氧化还原电位差计算能量 G0= -nFE0,37,位置 NADH Q Ctyb Cytc Cytaa3 O2,G0 G0 = -69.5 KJ/mol G0 = -40.5 KJ/mol G0 = -102.3 KJ/mol,1、氧化磷酸化的偶联部位 （2） 根据标准氧化还原电位差计算能量 G0= -nFE0,1molADP ATP: G0 = 30.5 KJ/mol 三个部分释放的能量足以形成ATP,38,2、氧化磷酸化偶联机制,（1） 化学渗透学说 呼吸链传递电子和质子: 电子-释放的能量 质子-线粒体内膜的内侧（基质侧） 线粒体内膜的外侧（膜间隙侧）,39,40, 形成膜化学梯度 H+浓度 pH下降 跨膜电位差 能量储存 H+顺电化学梯度回流 ADP ATP F1-F0复合体 ATP合酶,能量,41,42,（F1-F0复合体） ATP合酶 F1- 球状头部： 柄 ： F0-埋于内膜底部,含催化ATP合成的活性中心 调节质子流动及ATP合成的作用 含质子通道,43,44,45,三、影响氧化磷酸化的因素,1、抑制剂 （1）呼吸链抑制剂： 抑制电子传递,46,（2）解偶联剂： 破坏H+的跨膜电位 ：2，4-二硝基苯酚 （磷酸化破坏） ADP+Pi ATP 呼吸链正常 （3）氧化磷酸化抑制剂： 抑制 磷酸化：寡霉素 H+从质子通道回流 呼吸链：跨膜电位 质子泵,_,47,2、ADP的调节作用： 主要调节因素：ADP/ATP比值 3、甲状腺激素 Na+-K+ ATP酶活性 ATP分解 ADP/ATP 氧化磷酸化,三、影响氧化磷酸化的因素,48,4、线粒体DNA突变 裸露环状双螺旋结构，缺乏保护/修复系统 突变影响氧化磷酸化功能，ATP减少 症状取决于突变程度+各器官对ATP的需求 e.g DM、高血压、高胆固醇、Mg+降低 母系遗传病，随年龄增长而出现,三、影响氧化磷酸化的因素,49,50,四、ATP,1、 ATP分子中的高能磷酸基的来源 （1） 氧化磷酸化： 主要来源 （2） 底物水平磷酸化 在反应过程中,由于分子内部能量重新 分配，形成高能磷酸化合物，进一步将高 能磷酸基转移给ADP，形成ATP。,51,举例： 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP 3-磷酸甘油酸 + ATP PEP + ADP EP + ATP PK 琥珀酰CoA + H3PO4 + GDP 琥珀酸 + CoA-SH + GTP + ADP ATP,52,（2）ATP的储存 肌肉中的储存形式： 磷酸肌酸（creatine kinase),四、ATP,53,（3） 其它核苷三磷酸 UTP、CTP、GTP中的高能磷酸基团均来自ATP,四、ATP,GDP 核苷二磷酸激酶 GTP ATP + UDP ADP + UTP CDP CTP,54,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜孔 蛋白，10kDa 的物质通过,线粒体内膜不 同的转运体,对 物质有选择性,55,五、通过线粒体内膜的物质转运,1.胞质中NADH的氧化(线粒体外NADH的氧化) 机制: -磷酸甘油穿梭 (glycerophosphate shuttle) 苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),56,五、通过线粒体内膜的物质转运,（1）-磷酸甘油穿梭 特点： 线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的 辅酶不同 胞液-NAD+ 线粒体-FAD FADH2经琥珀酸氧化呼吸链 2ATP 主要存在于骨骼肌、神经细胞,57,五、通过线粒体内膜的物质转运,（1）-磷酸甘油穿梭,58,五、通过线粒体内膜的物质转运,（2）苹果酸穿梭系统 特点： 苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+ 线粒体内的草酰乙酸生成天冬氨酸 再穿过线粒体膜。 通过NADH氧化呼吸链 3ATP 主要存在于肝、心肌组织中。,59,五、通过线粒体内膜的物质转运,（2）苹果酸穿梭系统,60,第二节 其他氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶,1、不需氧脱氢酶 概念：此酶能使底物产生活化的氢，以 某些辅酶（基）作为直接受氢体， 这些酶常见于呼吸链中的脱氢酶。 分类:（1）需NAD+（NADP+）脱氢酶类 （2）需FMN（FAD）脱氢酶类 （3）细胞色素体系,61,第二节 其他氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶,2、需氧脱氢酶 概念：此酶能使底物产生活化的氢，以 氧和其他试剂（甲烯兰）作为受 氢体，产物之一是H2O2，辅酶为 FAD、FMN 。 分类:（1）L-氨基酸氧化酶 （2）单胺氧化酶 （3）黄嘌呤氧化酶,62,第二节 其他氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶,3、氧化酶类 概念：此酶能使底物产生活化的氢，以 氧作为唯一受氢体，产物之一是 H2O ，辅基含铜。 分类:（1）Cytc氧化酶 （2）酚氧化酶 （3）抗坏血酸氧化酶,63,第二节 其他氧化体系 二、过氧化酶体中的酶类,1、过氧化氢酶catalase（触酶） 催化反应: 1分子H2O2 提供电子, 另1分子H2O2 接受电子 辅基: 4个血红素 作用：分布广,可消除需氧脱氢酶催化 反应产生有毒的H2O2,64,第二节 其他氧化体系 二、过氧化酶体中的酶类,2、过氧化物酶（peroxidase） 催化反应:催化H2O2直接氧化酚类/胺类化合物 辅基：血红素 举例： （1）谷胱甘肽过氧化物酶对机体起保护作用 （2）临床粪便隐血实验,65,第二节 其他氧化体系 三、超氧化物歧化酶 （superoxide dimutase, SOD）,1、活性氧化物的生成和作用： 呼吸链电子传递过程中产生超氧离子(O2-.) O2-. H2O2 + .OH 损伤生物膜、生成脂褐素,66,第二节 其他氧化体系 三、超氧化物歧化酶 （superoxide dimutase, SOD）,2、活性氧化物的去除： 超氧化物歧化酶(SOD)-CuZn-SOD/Mn-SOD SOD 2O2-. + 2H H2O2 + O2 是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的 重要酶,67,四、微粒体中的氧化酶类 1、加单氧酶（monooxygenase）反应体系,（1）概念： 催化一个氧原子加到底物分子上,另一 个氧原子被氢还原成水，又称混合功能氧 化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶 (Hydroxylase)。,RH+NADPH+H+O2 ROH+NADP+H2O,68,（2）组成 蛋白/酶 黄素蛋白 铁硫蛋白,四、微粒体中的氧化酶类 1、加单氧酶（monooxygenase）反应体系 亦称NADPH-CytP450还原酶,辅酶/辅基 NADP+ FAD Fe2S2 CytP