生物化学生物氧化课件

第六章 生物氧化BiologicalOxidation 主要内容 线粒体氧化体系 生成ATP氧化体系 功能 为细胞提供能量 与细胞生物氧密切相关 其它氧化体系 内质网 微粒体 过氧化酶体功能 代谢物 药物 毒物的生物转化有关 物质在生物体内进行氧化称生物氧化 主要指糖 脂肪 蛋白质等在体内分解时逐步释放能量 最终生成CO2和H2O的过程 CO2和H2O O2 能量 ADP Pi ATP 热能 生物氧化的概念 生物氧化与体外氧化之相同点 生物氧化中物质的氧化方式 加氧 脱氢 失电子 遵循氧化还原反应的一般规律 物质的消耗与生成 所消耗的氧量最终产物 CO2 H2O 释放能量均相同 1 反应条件 温和的环境中 体温 pH接近中性 2 反应实质 酶促反应3 能量释放 逐步进行4 产物生成 H2O由脱下的氢与氧结合产生 CO2是有机酸脱羧产生 生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 高温单纯化学反应能量是突然释放的CO2 H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合产生 乙酰CoA TAC 2H 呼吸链 H2O ADP Pi ATP CO2 生物氧化的一般过程 第一节生成ATP的氧化体系TheOxidationSystemofATPProducing 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氧化还原连锁反应逐步传递 最终与氧结合生成水 逐步释放能量驱动ATP生成 这一过程与细胞呼吸有关 这一系列酶和辅酶氧化还原组成的传递链称为呼吸链 respiratorychain 又称电子传递链 electrontransferchain 一 呼吸链 递氢体 能传递氢的酶或辅酶 2H 2H 2e 呼吸链组成 电子传递体 传递电子的酶或辅酶 位置 酶或辅酶组成的蛋白复合体按一定的顺序排列在线粒体内膜上 呼吸链 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 1 复合体 NADH 泛醌还原酶 功能 将电子从NADH传递给泛醌 ubiquinone 组成 黄素蛋白 FMN 铁硫蛋白 Fe S NAD 和NADP 的结构 R H NAD Co R H2PO3 NADP Co 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 黄素蛋白的辅基为FMN FMN结构中含核黄素 发挥功能的部位是异咯嗪环 FMNH 铁硫蛋白 简写为Fe S 是一种与电子传递有关的蛋白质 分子中所含的铁和硫构成活性中心 称为铁硫中心 铁硫蛋白中辅基铁硫簇 Fe S 含有铁原子和硫原子 其中铁原子可进行Fe2 Fe3 e反应传递电子 泛醌 辅酶Qcoenzyme 复合体 的功能 H 2H 2H FMN 2 复合体 琥珀酸 泛醌还原酶 功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌 组成 黄素蛋白 FAD 铁硫蛋白 Fe S Cytb560 铁卟啉 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 铁卟啉中的铁原子可进行电子传递 Fe2 Fe3 e 3 复合体 泛醌 细胞色素c还原酶 功能 将电子从泛醌传递给细胞色素c 组成 Cytb562 566Cytc1铁硫蛋白 Fe S 泛醌 细胞色素c传递电子的过程 Q循环 第一阶段 线粒体基质侧 线粒体内膜胞液侧 e QH2 e 2Fe 2S C1 C e e Q b566 b562 e e Q Q Q 第二阶段 e e Q 线粒体基质侧 线粒体内膜胞液侧 特点 1 消耗2分子的QH2 产生1分子1分子Q 净消耗分子的QH2 2 传递电子给C1至C的是2Fe 2S 3 b566 b562产生半醌型Q 2个半醌型Q 结合为QH2 4 复合体 细胞色素c氧化酶 组成 13个亚基组成 线粒体基因编码 具有Cu和Fe离子结合位点 Cua Cub Cyta Cyta3Cu2 e Cu Fe2 Fe3 e Cua与Cyta Cub与Cyta3构成双核中心 传递电子的功能单位 复合体 还原型Cytc O2 CuA a a3 CuB 功能 将电子从细胞色素c传递给氧 Cytc Q 胞液侧 基质侧 线粒体内膜 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置 由以下实验确定 标准氧化还原电位 由低向高 拆开和重组 体外进行 特异抑制剂阻断 阻断前后吸收光谱的改变 还原状态呼吸链缓慢给氧 观察各组分氧化顺序 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 Cytc 复合体 O22 琥珀酸氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体 Cytc 复合体 O2 二 根据各组分排列顺序 NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链 Cytc Cytaa3 细胞生成ATP方式 底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 是直接将代谢物分子中的能量转移至ADP GDP 生成ATP 或GTP 的过程 氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 定义氧化磷酸化是指在代谢物脱下的还原当量呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化 生成ATP 又称为偶联磷酸化 生成ATP的主要形式 一 氧化磷酸化偶联部位 根据P O比值自由能变化 P O比值 指物质氧化时 每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数 即生成的ATP的摩尔数 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 4 2 82 5 Cyt c 复 合 体 O 2 琥 珀 酸 复 合 体 CoQ 复 合 体 1 71 5 Cyt c 复 合 体 O 2 抗 坏 血 酸 Cyt c 复 合 体 O 2 0 88 0 5 细 胞 色 素 c Fe 2 复 合 体 O 2 0 61 0 680 5 2 5 氧化磷酸化偶联部位 Cytc Cytaa3 电子传递链自由能变化 生成每摩尔ATP需30 5KJ的能量 呼吸链氧化磷酸化偶联部位 复合体 NADH CoQ还原酶 复合体 CoQ 细胞色素C还原酶 复合体 细胞色素C氧化酶 二 氧化磷酸化的偶联机理 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 化学渗透假说 目录 胞液侧 基质侧 化学渗透假说详细示意图 ATP合酶复合体 ATP合酶结构模式图 疏水部分F0 a1b2c9 12亚基 质子通道 亲水部分F1 3 3 催化功能 亚基 生成ATP 寡霉素敏感蛋白 IF1 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 ATP合酶的工作机制 T型 紧密型 催化生成ATPL型 疏松型 结合ADP PiO型 开放型 释放ATP ATP合酶的工作机制 三 影响氧化磷酸化的因素 一 抑制剂 二 ADP的调节作用 三 甲状腺激素 四 线粒体DNA突变 1 呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递 2 解偶联剂破坏电子传递链建立的质子梯度 使氧化与磷酸化偶联过程脱离 如 解偶联蛋白 二硝基苯酚 DNP 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 各种呼吸链抑制剂的阻断位点 Cytc 萎锈灵 Cytb562 Q CN N3 Cyta cub cyta3 解偶联蛋白作用机制 棕色脂肪组织线粒体 Q 胞液侧 基质侧 解偶联蛋白 二硝基苯酚 DNP 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 ATP合酶结构模式图 谷氨酸残基 二 ADP调节作用正常氧化磷酸化的速率主要受ADP调节 ADP增多 氧化磷酸化增强 反之 三 甲状腺激素诱导Na K ATP酶生成 ATP分解增加 ADP增多使解偶联蛋白基因表达增加 耗氧 产热增多 四 线粒体DNA突变影响氧化磷酸化功能 使ATP生成减少 13亚基 22tRNA 2rRNA 不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响 四 ATP在能量的生成 利用 转移和储存中起核心作用 ATP 高能磷酸键与高能磷酸化合物 高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ mol的磷酸酯键 常表示为 P 高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物 ATP的贮存 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转移 细胞ATP相对恒定 ATP AMP 2ADP ATP需要量低时 ATP再生 ATP的生成和利用 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 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 保证生物氧化的顺利进行 线粒体外膜通透性高 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 线粒体内膜的主要转运蛋白 一 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 磷酸甘油穿梭 glycerophosphateshuttle 存在于脑 骨骼肌中 进入琥珀酸氧化呼吸链 生成1 5个ATP苹果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle 存在于肝脏 心肌中 进入NADH氧化呼吸链 生成2 5个ATP NADH H FADH2 NAD FAD 线粒体内膜 线粒体外膜 膜间隙 线粒体基质 磷酸二羟丙酮 磷酸甘油 1 磷酸甘油穿梭机制 磷酸甘油穿梭机制 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭机制 NADH H NAD 谷氨酸 天冬氨酸转运体 苹果酸 酮戊二酸转运体 苹果酸 草酰乙酸 酮戊二酸 谷氨酸 胞液 线粒体内膜 基质 天冬氨酸 苹果酸 天冬氨酸穿梭机制 二 ATP ADP转位酶 腺苷酸转运蛋白 adeninenucleotidetransporter 参与ADP与ATP反向转运 ATP4 ADP3 H2PO4 二 ATP ADP转位酶 2个亚基 ATP生成需4个H 第二节其他氧化酶系TheOthersOxidationEnzymeSystems 一 抗氧化酶体系 功能 具有清除反应活性氧的功能 反应活性氧 O2 e O2 2H e H2O2 OH H2O H e H e H2O 呼吸链传递过程中 可产生超氧离子 O2 并进一步生成H2O2 羟自由基 OH 化学性质活泼 可以使磷脂中的不饱和脂肪酸氧化 生成过氧化脂质 损伤生物膜 过氧化脂质可与蛋白质结合形成复合物 积累成棕褐色的色素颗粒 称为脂褐素 与组织老化有关 活性氧的危害 引起蛋白质 DNA等各种生物大分子损伤 一 过氧化氢酶 catalase 又称触酶 其辅基含4个血红素 H2O2作用 杀死入侵的细菌甲状腺激素的合成 谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2 ROOH H2O ROH H2O 2G SH G S S G NADP NADPH H 谷胱甘肽还原酶 二 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 是体内防止活性氧损伤的主要酶 三 超氧化物歧化酶 SOD SOD 超氧化物歧化酶 superoxidedismutase 是人体防御内 外环境中超氧离子损伤的重要酶