生物氧化课件

Genetics MolecularBiologyMengLieSu孟列素 Chapter11Biologicaloxidation 生物氧化的概念 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化 主要是指糖 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 此过程需耗氧 又在活细胞中进行 故又称细胞呼吸 1 糖 脂类和蛋白质分解为葡萄糖 脂肪酸 甘油及氨基酸2 进一步分解为二碳化合物即乙酰CoA3 三羧酸循环 生物氧化的方式 加氧 脱氢 失电子 生物氧化的特点 A 温和条件下的酶促反应 B 反应过程中脱下的氢最终与氧生成水 以脱羧方式产生CO2 C 能量逐步释放 部分能量以ATP的形式贮存 D 氧化速率可由细胞自动调节控制 生物氧化体系 A 生成ATP的氧化体系E g 线粒体内 耗氧并产生二氧化碳 伴有ATP生成 B 不生成ATP的氧化体系E g 内质网微粒体 与代谢物 药物或毒物的生物转化有关 第一节生物能学的基本原理 生物系统遵循热力学定律 一 热力学第一定律 二 热力学第二定律 熵 entropy 表示一个系统的无序或随机程度 自由能 G H T S G E T S G 当反应物浓度为1mol L 反应温度为25 压力为1大气压时 用 G 表示标准自由能变化 G 生物化学反应时 将pH定为7 0 这种状态下的标准自由能变化用 G 表示 二 体内吸能过程与放能过程偶联进行 一 代谢物释放的自由能提供另一代谢物的转变 二 一个热力学上不利的反应可被热力学有利的反应驱动 A C B D 热能 三 放能反应时生成高能化合物提供吸能反应所需的自由能 三 ATP在能量循环中的核心作用 一 高能磷酸化合物的磷酰基水解时释放出大量自由能高能磷酸化合物 G0 ATP的磷酸化合物 水解时释放能量 21kJ mol的磷酸化合物 高能磷酸化合物E g ATP ADP CP 1 3 DPG PEP 氨基甲酰磷酸等高能硫酯化合物E g 乙酰 CoA 琥珀酰 CoA 脂肪酰 CoA 二 ATP将热力学上不利的过程和有利的反应相偶联 三 腺苷酸激酶催化腺嘌呤核苷酸之间相互转变 四 核苷二磷酸激酶催化其它NTP生成 ATPUDP CDP GDP 二磷酸核苷激酶ADPUTP CTP GTP ADPADP腺苷酸激酶ATPAMP 五 磷酸肌酸作为肌和脑中能量的一种储存方式 ATP肌酸 C 肌酸激酶 CK ADP磷酸肌酸 C P 第二节氧化磷酸化 细胞内ATP形成的方式 氧化磷酸化 主要 oxidativephosphorylation底物水平磷酸化substrate levelphosphorylation substrate levelphosphorylationADP或者其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接偶联的反应过程 oxidativephosphorylation代谢物脱下的氢 2H 2e 经呼吸链传给氧生成H2O的放能过程 与ADP磷酸化生成ATP的吸能过程相偶联 称为氧化磷酸化 SH2H2 1 2O2 H2O氧化S能量ADP PiATP磷酸化 氧化呼吸链oxidativerepiratorychain 在线粒体内膜中由一系列具有电子传递功能的酶复合体按一定顺序排列成链锁性的氧化还原体系 又称电子传递链 electrontransferchain 一 呼吸链的组成 4种酶复合体用胆酸 脱氧胆酸处理线粒体内膜 可将呼吸链分离得到 1 呼吸链的各种组分 1 NAD 或NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸nicotimamideadeninedinucleotide烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸nicotimamideadeninedinucleotidephosphate 作用 递氢2HNAD NADH H NADP NADPH H 2 黄素辅基 FMN或FAD 黄素单核苷酸FMN flavinmononucleotide黄素腺嘌呤二核苷酸FAD flavinadeninedinucleotide 作用 递氢2HFMNFMNH2FADFADH2 3 铁硫蛋白 FeS或Fe S ironsulfurprotein含有非血红素铁和对酸不稳定的硫种类 FeS4Fe2S2Fe4S4 作用 递电子 单电子传递体 e Fe3 S Fe2 S 4 泛醌 Ubiquinone 辅酶QCoenzymeQ CoQ Q脂溶性醌类化合物人 CoQ10 Q10 作用 递氢2HCoQCoQH2 5 细胞色素cytochromes Cyt以血红素为辅基的结合蛋白质分类 Cyta a a1 a2 a3Cytb b b1 7 P450Cytc c c1 5 作用 递电子 单电子传递体 eCyt Fe3 Cyt Fe2 传递顺序 CoQH2 Cytb FeS Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 CoQ2Cty Fe2 1 2O22eb Fe S C1 C aa32Cyt Fe3 O 22e2H2H CoQH2H2O 2 四种复合体 1 Complex NADH 泛醌还原酶电子传递顺序 NADH FMN Fe S CoQ 2 Complex 琥珀酸 泛醌还原酶组成 4个亚基70kD 30kD 2个小的疏水亚基 功能70kD 与FAD相连30kD 含有3个铁硫中心疏水亚基 锚定复合体 传递顺序琥珀酸 FAD Fe S CoQ 3 Complex 泛醌 细胞色素C还原酶细胞色素bc1电子传递顺序 QH2 Cytb Fe S Cytc1 Cytc 4 Complex 细胞色素C氧化酶结构 二聚体 每个单体包括13个亚基 其主要作用的是亚基I II III 四个氧化还原中心 cyta cyta3 CuB CuA 电子传递顺序 还原型Cytc Cytaa3 O2 FMN Fe S FAD Fe S Cytb C1 Fe S Cytaa3Cu2 NADH 琥珀酸 CoQ CytC O2 二 呼吸链组分的排列顺序1 NADH氧化呼吸链NADH 复合体 CoQH2 复合体 Cytc 复合体 O2 2 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸 复合体 CoQH2 复合体 Cytc 复合体 O2 3 呼吸链组分排列顺序的确定标准氧化还原电位体外拆解和重组阻断剂阻断传递链缓慢氧化 观察各组分氧化顺序 琥珀酸FAD苹果酸 Fe S 羟脂酰CoA 羟丁酸NAD FMNCoQbc1caa3O2谷氨酸 Fe S 异柠檬酸FADFADFAD Fe S 硫辛酸丙酮酸 酮戊二酸 磷酸甘油脂肪酰CoA线粒体内某些代谢物氧化时的呼吸链 二 氧化磷酸化oxidativephosphorylation 代谢物脱下的氢 2H 2e 经呼吸链传给氧生成H2O的放能过程 与ADP磷酸化生成ATP的吸能过程相偶联 称为氧化磷酸化 SH2H2 1 2O2 H2O氧化S能量ADP PiATP磷酸化 一 氧化磷酸化偶联部位 偶联部位指氧化过程 放能过程 与磷酸化过程 吸能过程 相关的部位 即ATP生成的部位 1 P O比值P O比值指物质氧化时 每消耗1mol原子O所消耗的无机磷的mol数 即生成ATP的mol数 羟丁酸 抗坏血酸 实验验证 2 自由能 琥珀酸FADFe SNADH FMN Fe S CoQ b c1 c aa3 O2ADP PiATPADP PiATPADP PiATP部位1部位2部位3 2H经NADH氧化呼吸链被氧化生成水时 产生2 5个ATP 2H经琥珀酸氧化呼吸链被氧化生成水时 产生1 5个ATP 二 氧化磷酸化偶联机制 化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说 化学渗透假说H 不断出进线粒体内膜的循环式运动 将电子传递过程中的自由能转变为ATP分子中的化学能 证据 氧化磷酸化需要完整封闭的线粒体内膜线粒体内膜对H OH K Cl 不通透电子传递链驱动质子出线粒体 形成可测定的电化学梯度在线粒体内膜增加使质子通过的物质 ATP合成减少 二 ATP合酶催化生成ATP 由F1 亲水部分 和F0 疏水部分 组成 F1具ATP合成酶活性 3 3 OSCP 寡霉素敏感蛋白 IF1 调节亚基 F0质子通道由a1b2c9 12组成动物线粒体F0还有d e f g A6L F6亚基 质子通过ATP合酶F0顺浓度梯度回流使F1 亚基旋转 亚基旋转使 亚基构象改变导致ATP合成和释放 三 影响氧化磷酸化的因素 一 抑制剂1 呼吸链抑制剂可阻断呼吸链中某些部位的电子传递 鱼滕酮 安密妥 粉蝶霉素A等 复合体 FeS CoQ 萎锈灵 丙二酸等 复合体 抗霉素A 复合体 cytbH CoQ 粘噻唑菌醇 标桩霉素CoQ Fe2S2 氰化物 叠氮化物cyta a3 CuB CO H2Sa3 O2 2 解偶联剂 2 4 二硝基酚 DNP FCCP等 解偶联蛋白 UCP 缬氨霉素 短菌杆肽等3 氧化磷酸化抑制剂寡霉素 二环己基碳二亚胺 二 ADP的调节作用 ADP 氧化磷酸化 呼吸控制率respiratorycontrolratio RCR当过量底物存在时 加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时耗氧速率之比 三 甲状腺素 诱导Na k ATP酶生成 ADP 氧化磷酸化 使解偶联蛋白表达增加 四 线粒体DNA突变 线粒体DNA突变 ATP 疾病 四 线粒体内膜对物质的转运 线粒体外膜 线粒体孔蛋白线粒体内膜 转运蛋白 线粒体内膜转运蛋白大多含有3个100个氨基酸残基为单位的重复结构 每个单位存在2个跨膜段 有利于形成跨膜转运通道 一 胞液中NADH的氧化 磷酸甘油穿梭 glycerophosphateshuttle 苹果酸 天冬氨酸穿梭 malate asparateshuttle 1 磷酸甘油穿梭部位 脑 骨骼肌 1分子NADH H 通过该穿梭生成ATP分子1 5个 1分子G在脑和骨骼肌有氧氧化生成ATP分子30个 2 苹果酸 天冬氨酸穿梭部位 肝 心肌 1分子NADH H 通过该穿梭生成ATP分子2 5个 1分子G在肝和心肌有氧氧化生成ATP分子32个 二 腺苷酸转运蛋白 又称ATP ADP载体 反向转运ADP与ATP 三 Ca2 通过线粒体内膜的机制 四 线粒体蛋白质的跨膜转运 第三节其它氧化途径 一 微粒体中的酶类 1 加单氧酶 monooxygenase 催化氧分子中的1个氧原子加到底物分子上 另1个被氢还原成水 需要CytP450 在肝和肾的微粒体中含量最多 参与类固醇激素 胆汁酸 胆色素等合成 VD3羟化 以及药物和毒物的生物转化 2 加双氧酶催化2个氧原子加到底物带双键的2个碳原子上 二 参与活性氧代谢的酶类 活性氧reactiveoxygenspecies ROS 含氧且性质活泼的几种物质的总称 脂质过氧化物 ROOH激发态氧分子自由基 含有一个不成对电子的原子或原子团 又名游离基 一 ROS的产生 呼吸链电子传递过程中产生 NADPH 黄嘌呤等氧化产生 细菌感染时吞噬细胞通过磷酸戊糖途径生成NADPH 进一步生成ROS 二 适量活性氧的理性作用 H2O2在白细胞中可杀死吞噬进来的细胞 甲状腺中H2O2参与甲状腺素的合成 最近发现 ROS具有信息分子的作用 使生物膜磷脂分子中的多烯脂肪酸氧化成过氧化脂质破坏生物膜的结构与功能 破坏核酸结构 导致细胞变异 三 ROS的损伤作用 使蛋白质交联 变性 引起脂褐素 与