Chap.6 生物氧化(20111021).ppt

第六章生物氧化BiologicalOxidation CourseContent 1 TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducingOxidationrespiratorychainoxidativephosphorylationNADHtransporter glycerophosphateshuttlemalate asparateshuttle2 TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 热能 生物氧化的概念 营养物在生物体内进行氧化称生物氧化 主要指糖 脂肪 蛋白质等在体内分解时逐步释放能量 最终生成CO2和H2O的过程 生物氧化的一般过程 生物氧化的特点 37 近于中性水环境 酶催化 逐步释放出能量 相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来 第一节生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing 一 氧化呼吸链 Oxidationrespiratorychain 在线粒体内膜上 由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的 与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链 respiratorychain 又称电子传递链 electrontransferchain 胞液侧 基质侧 一 呼吸链的组成 复合体 1 复合体 NADH 泛醌还原酶 NAD 和NADP 的结构 R H NAD R H2PO3 NADP NADH还原酶 NAD NADH 黄素蛋白 FMN FAD FADH2 铁硫蛋白的分子结构 铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基硫原子与铁离子形成的铁硫中心 一次可传递一个电子Fe4S4 泛醌的分子结构 2 复合体 琥珀酸 泛醌还原酶 琥珀酸脱氢酶 2FAD Fe S 2 Cytb560 细胞色素类 Cytochrome 以铁卟啉为辅基的蛋白质 单电子传递体可存在于线粒体内膜 也可存在于微粒体 存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3 Cytb b560 b562 b566 Cytc Cytc1 而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5 细胞色素C CytochromeC 3 复合体 泛醌 细胞色素c还原酶 2Cytb Cytc1 Fe S 4 复合体 细胞色素c氧化酶 Cytaa3Cyta Cyta3 铜离子 二 氧化呼吸链成分的排列顺序 组成电子传递体的酶复合物的排列顺序 1 NADH氧化呼吸链 2 琥珀酸氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链 二 氧化磷酸化 在线粒体中 底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧 在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP 这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 1 3 二磷酸甘油酸 底物水平磷酸化 3 磷酸甘油酸激酶 3 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶 烯醇式丙酮酸 琥珀酰CoA 琥珀酰硫激酶 琥珀酸 ADP ATP GDP Pi GTP 一 氧化磷酸化的偶联部位 在氧化磷酸化过程中 氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系 反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P O比值 合成1molATP时 需要提供的能量至少为 G0 30 5kJ mol 相当于氧化还原电位差 E0 0 2V 故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP 2 5 而在琥珀酸氧化呼吸链中 只有两处可生成ATP 1 5 近年来很多实验结果都证明 以NADH作为电子供体时 测得的P O比值大于2 以琥珀酸作为电子供体时 侧得的P O比值大于1 所以P O比值不一定是整数 例如 羟丁酸经过NADH途径的P O比值为2 4 2 6 产生的ATP数目为2 5 而琥珀酸经过FADH2的P O比值为1 7 产生的ATP数目为1 5 氧化磷酸化的偶联部位 二 氧化磷酸化的偶联机制 英国生物化学家PeterDMitchell在1961年提出化学渗透假说 由于该假说提出后逐渐拥有越来越多的实验证据 因而成为目前解释氧化磷酸化偶联机理最为公认的一种假说 并且PeterMitchell因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 基本要点 氧化呼吸链存在于线粒体内膜上 当氧化反应进行时 H 通过氢泵作用被泵到线粒体内膜外侧 从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差 这种形式的 势能 可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶 ATPsynthase 利用 生成高能磷酸基团 并与ADP结合而合成ATP NADH H NAD 胞液 线粒体内膜 线粒体基质 1 2O2 2H H2O 2H 化学渗透假说 胞液侧 基质侧 三 ATP合酶 ATPsynthase 当质子从膜间腔返回基质中时 这种 势能 可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP 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 L松弛型O开放型T紧密型 ATP合酶工作机制 1 呼吸链的抑制剂 阻断剂 抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂 抑制第一位点的有异戊巴比妥 粉蝶霉素A 鱼藤酮等 抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇 抑制第三位点的有CO H2S和CN N3 其中 CN 和N3 主要抑制氧化型Cytaa3 Fe3 而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3 Fe2 三 氧化磷酸化的影响因素 一 氧化磷酸化抑制剂 2 解偶联剂 不抑制呼吸链的递氢或递电子过程 但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂 主要的解偶联剂有2 4 二硝基酚 3 ATP合酶抑制剂 对电子传递和ATP生成均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂 如寡霉素 二硝基苯酚 抗霉素A二巯基丙醇 CN COH2S 寡霉素 抑制剂作用部位 蒌锈灵 二 ATP ADP比值 呼吸控制率 respiratorycontrolratio RCR ATP ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素 ATP ADP 氧化磷酸化 ATP ADP 氧化磷酸化 NADH NAD 三 甲状腺激素 四 线粒体DNA突变与线粒体DNA病变及衰老有关 甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度 Na K ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加 四 ATP 高能磷酸键的储存与释放 一 高能磷酸键的类型 生物化学中常将水解时释放的能量 20kJ mol的磷酸键称为高能磷酸键 生物体内的高能磷酸键主要类型 1 磷酸酐键 如NDP NTP及PPi等 30 5kJ mol 2 混合酐键 由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键 如1 3 二磷酸甘油酸等 3 烯醇磷酸键 磷酸烯醇式丙酮酸 4 磷酸胍键 磷酸肌酸 磷酸肌酸 C P 是肌肉和脑组织中能量的贮存形式 但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用 而必须先将其高能磷酸键转移给ATP 才能供生理活动之需 这一反应过程由肌酸磷酸激酶 CPK 催化完成 二 ATP循环 生成和利用 ATP是生物界普遍使用的供能物质 ATP分子中含有两个高能磷酸酐键 均可以水解供能 ATP水解为ADP并供出能量之后 又可通过氧化磷酸化重新合成 从而形成ATP循环 ATP ADP 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 三 多磷酸核苷间的能量转移 在生物体内 除了可直接使用ATP供能外 还用使用其他形式的高能磷酸键供能 如UTP用于糖原的合成 CTP用于磷脂的合成 GTP用于蛋白质的合成等 胞液中的3 磷酸甘油醛或乳酸脱氢 均可产生NADH 这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化 产生H2O和ATP 五 线粒体内膜的物质转运 一 胞液中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 glycerophosphateshuttle 苹果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle FAD FADH2 1 磷酸甘油穿梭系统 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体 只产生1 5分子ATP 脑 骨骼肌 胞液 线粒体 2 5ATP 2 苹果酸穿梭系统 胞液中NADH H 的一对氢原子经此穿梭系统可生成2 5分子ATP 肝脏 心肌 胞液 线粒体 ATP4 ADP3 H2PO4 二 腺苷酸转运蛋白 adeninenucleotidetransporter 参与ADP与ATP反向转运 ATP ADP转位酶ATP ADP载体 第二节其他不生成ATP的氧化体系 TheOthersOxidationEnzymeSystemswithoutATPProducing 一 抗氧化酶体系 清除反应活性氧类 反应活性氧类 reactiveoxygenspecies ROS ROS主要来源 线粒体 超氧阴离子O2 是体内O2 的主要来源 O2 在线粒体中再生成H2O2和 OH 过氧化酶体 FAD将从脂肪酸等底物获得的电子交给O2生成H2O2和羟自由基 OH 胞浆需氧脱氢酶 如黄嘌呤氧化酶等 也可催化生成O2 细菌感染 组织缺氧等病理过程 环境 药物等外源因素也可导致细胞产生活性氧类 需氧脱氢酶和氧化酶 抗氧化酶体系 1 过氧化氢酶 catalase 又称触酶 其辅基含4个血红素 可去除细胞生长和代谢产生的H2O2和过氧化物 R O OH 是体内防止活性氧类损伤主要的酶 2 谷胱甘肽过氧化物酶 glutathioneperoxidase GPx H2O2 2GSH 2H2O GS SG2GSH R O OH GS SG H2O R OH 谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2 ROOH H2O ROH H2O 2G SH G S S G NADP NADPH H 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 3 超氧化物歧化酶 2O2 2H SOD H2O2 O2 H2O O2 过氧化氢酶 SOD 超氧化物歧化酶 superoxidedismutase 防御内外环境中超氧离子的损伤 保护生物膜及血红蛋白 二 微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化 上述反应需要细胞色素P450 CytP450 参与 细胞色素P450单加氧酶 cytochromeP450monooxygenase 又称混合功能氧化酶 mixed functionoxidase 或羟化酶 hydroxylase 细胞色素P450单加氧酶作用机制 小结 物质在生物体内氧化称为生物氧化 生物氧化主要指供能物质在体内分解时 逐步释放能量 以维持生合活动 并最终生成CO2和H2O的过程 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 呼吸链呼吸链分4种功能复合体 NADH 泛醌还原酶 复合体I