第6章 生物氧化

第6章 生物氧化,biological-oxidation,1.掌握水的生成方式，NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链，ATP的生成方式。2.熟悉生物氧化的概念、特点；影响氧化磷酸化的因素；胞浆中NADH 的氧化。3.了解CO2的生成方式；化学渗透学说，ATP 合酶；ATP的储存和利用；其他氧化体系。,目的与要求,生物氧化与体外氧化的相同点： 方式均为脱电子、脱氢、加氧，其耗氧量、终产物（CO2、H2O）和释放能量的数值均相同。,物质在生物体内进行氧化称为生物氧化,第一节 概述,不同点： 1、氧化在体内近中性、37、有水的环境中进行，为酶促反应 2、能量逐步释放，利用率高，能量用于合成ATP及维持体温 3、水由底物脱下的氢经氧化呼吸链传递电子、泵出质子，最后与氧结合生成(内生水) ，CO2由有机酸脱羧产生。 4、氧化速率受生理功能需要和内外环境变化调控,1.脱电子反应,A3+,B2+,e,一、氧化反应的类型,2.脱氢反应,A,BH2,2H,3.加氧反应,RH + 1/2O2R-OH,CH2CHCOOH,NH2,CH2CHCOOH,NH2,OH,+ 1/2O2,线粒体氧化体系：与ATP生成密切相关非线粒体氧化体系：与ATP生成无关,(主要指营养物在体内分解时逐步释放能量，最终生成水和CO2的过程),生物氧化分类：,营养物的代谢分为3个阶段：,营养物质分解为其基本单位,基本单位转变为乙酰CoA,三羧酸循环及氧化磷酸化,线粒体生物氧化的过程,意义：提供能量,一、呼吸链(位于线粒体内膜上) 代谢物脱下的成对氢原子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。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为氧化呼吸链,第二节 线粒体氧化体系（生成ATP）,(电子传递链),O2-,O,2H+,传递H的称递氢体，传递电子的称电子传递体,线粒体内膜,CONH2,N,R,+ H + H+ + e,CONH2,N,R,+,H,H,+ H+,H,NAD+或NADP+,NADH+H+或NADPH+H+ NADH或NADPH,P72,H3C,H3C,N,N,N,NH,O,O,R,H,H,+ 2H+ + 2e,FAD或FMN,FADH2或FMNH2,异咯嗪环,H3CO,H3CO,CH3,OH,OH,R,+ 2H+ + 2e,CoQ（泛醌）,CoQH2,铁硫蛋白含铁硫簇（Fe-S）：,细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类,细胞色素C氧化酶除含铁外，还含铜离子：,线粒体内膜,基质侧,胞浆侧,CoQ,（一）呼吸链的组成4种酶复合体+2个游离的电子传递体(CoQ、Cyt c),Cyt c,4种酶复合体,1. 复合体I（NADH-泛醌还原酶）： 含NADH脱氢酶(辅基FMN)、铁硫蛋白(Fe-S)、与Q/QH2池相连 功能：经FMN、Fe-S、Q/QH2池传递NADH+H+的两个H+和电子到Q，使之转变为QH2。,NADH+H+,NAD+,FMN,FMNH2,2Fe3+,2Fe2+,FeS,CoQH2,CoQ,基质,内膜,膜间隙,2. 复合体II（琥珀酸-泛醌还原酶）： 辅基FAD、Fe-S，与Q/QH2池相连 功能：催化琥珀酸脱氢，使其辅基FAD变为FADH2，后者再经铁硫蛋白传电子而把氢传给Q，生成QH2。,琥珀酸,延胡索酸,FAD,FADH2,2Fe3+,2Fe2+,FeS,基质,内膜,膜间隙,CoQ,CoQH2,3. 复合体III（泛醌-细胞色素C还原酶）：,2Fe2+,含CytbH、CytbL、Cytc1、Fe-S和QH2结合位点功能：传递电子给Cytc细胞色素C（Cytc）为在内膜外表面可移动的亲水性球蛋白（非复合体成份）。作用是把电子由复合体传到复合体（为单电子传递体）,2Fe2+,2Fe3+,FeS,基质,内膜,膜间隙,CoQH2,CoQ,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,Cytb,Cytc1,Cytc,4. 复合体（细胞色素C氧化酶）： 结构：Cyta、Cyta3、Cu2+ 功能：最终将电子传递到Cyta3-CuB2+活性中心，使氧原子还原为氧离子，结合H+生成水。,2Cu2+,2Cu+,内膜,膜间隙,2Fe3+,2Fe2+,2Cu2+,2Cu+,Cytaa3,基质,O,H2O,2Fe2+,2Fe3+,Cytc,O2,线粒体内膜,基质侧,胞浆侧,FADH2,NADH+H+,CoQ,（二）呼吸链成分的排列顺序4种酶复合体+2个游离的电子传递体（CoQ、Cyt c）,Cyt c,H2O,1/2O2,1.NADH氧化呼吸链 ： NADH复合体Q复合体 Cyt c复合体O2 2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链) 琥珀酸复合体 Q复合体 Cyt c复合体O2,由复合体、构成的电子传递链称为长呼吸链或NADH氧化呼吸链由复合体、构成的电子传递链称为短呼吸链或琥珀酸氧化呼吸链或FADH2氧化呼吸链,1.NADH氧化呼吸链,SH2, ,Cyt,FeS,H2,SH2,2.琥珀酸氧化呼吸链, ,H2,Cyt,FeS,代谢物脱氢经呼吸链与氧生成水（如何选择呢？）,二、氧化磷酸化,在呼吸链电子传递过程中伴有ADP磷酸化生成ATP，这一过程称为氧化磷酸化，是细胞内生成ATP的主要方式，又称偶联磷酸化。,生成ATP的另一种方式：底物水平磷酸化,生成ATP的数量： NADH氧化呼吸链2.5(3)ATP琥珀酸氧化呼吸链1.5(2)ATP,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（或ADP摩尔数）,（一）氧化磷酸化偶联部位,NAD+ CoQ Cytc O, CoQ Cytc O,2.5,1.5,呼吸链的组成,ATP数目,Cytc O,1,（二）氧化磷酸化偶联的机制,化学渗透假说：复合体、均有在传递电子的同时偶联把质子从基质穿过内膜泵出到膜间隙的功能，使基质成为负电性空间，膜间隙成为正电性空间，形成化学梯度，蕴藏着化学势能，当质子回流到基质时释放能量合成ATP,线粒体内膜,基质侧,胞浆侧,NADH+H+,Q,H2O,cytc,4H+,2H+,4H+,化学渗透假说：复合体、均有在传递电子的同时偶联把质子从基质穿过内膜泵出到膜间隙的功能，使基质成为负电性空间，膜间隙成为正电性空间，形成化学梯度，蕴藏着化学势能，当质子回流到基质时释放能量合成ATP,基质,内膜,膜间隙,ATP合酶（复合体V）,ATP合酶,（三）影响氧化磷酸化的因素,1.ADP的调节作用（最主要）: ADP/ATP比值升高,氧化磷酸化增快。下降，则减慢。调节关键物质是ADP。 2. 甲状腺激素： (1)活化钠泵，分解ATP (2)诱导解偶联蛋白合成，使氧化正常进行(产能),但不能磷酸化(ATP),增快氧化磷酸化,其能量以热能散失。,3. 呼吸链抑制剂（抑制电子传递）： 鱼藤酮、粉蝶霉素A、异戊巴比妥等：抑制复合体I递电子 抗霉素A、二巯基丙醇：阻断复合体递电子。 CO、氰化物（CN-、N3-、H2S）：抑制复合体即细胞色素C氧化酶/Cyt aa3递电子。是常见的细胞窒息病因,4. 解偶联剂：使氧化与磷酸化偶联过程脱离, 2，4-二硝基酚（DNP）、双香豆素等：在膜间隙结合质子、穿内膜入基质后释出质子,基质,内膜,膜间隙,H+,H+,H+,解偶联蛋白-1（UCP-1，也称产热素）：存在于棕色脂肪组织线粒体内膜，可被游离脂肪酸激活，将膜间隙质子转运到基质。产生的热能可维持体温，新生儿缺乏导致新生儿硬肿症,基质,内膜,膜间隙,5. 氧化磷酸化抑制剂：寡霉素：抑制ATP合酶阻止质子回流，从而抑制ATP的生成,同时大量的H+又抑制了氧化呼吸链。,基质,内膜,膜间隙,H+,H+,ATP合酶,线粒体DNA（mtDNA）是人和动物细胞中唯一核外DNA，为封闭的双链环状结构，可表达13种参与构成复合体和ATP合酶部分亚基的蛋白质。若mtDNA突变或大片段丢失，皆可使氧化磷酸化下降，因其无损伤修复机制，甚至导致线粒体衰老、疾病或细胞凋亡。 人mtDNA为母性遗传（卵子含几十万mtDNA ，而精子中仅含几百个），故有家族性。,6.线粒体DNA突变的影响：,机体内的能量大约有40%是以化学能形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中ATP是体内能量生成、储存、转移和直接利用的最重要形式，体内还存在其他高能化合物。,三、ATP,其他高能化合物,磷氧键型： 1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙 酮酸、 ATP 等氮磷键型：磷酸肌酸（CP）、磷酸精氨酸硫酯键型：酰基辅酶A、3-磷酸腺苷5-磷酸硫酸甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸（SAM ）,ADP,ATP,磷酸肌酸（CP）是能量的一种储存形式不能被直接利用,COOH,CH2,H3CN,NH,NH2,C,COOH,CH2,H3CN,NH,NH,C,P,肌酸,磷酸肌酸,由其对脑和肌肉意义重大,生物体内能量的储存和利用都是以ATP为中心,四、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体是生物氧化最主要的场所，生命活动所需要的能量95来源于此，被喻为“动力工厂”。 线粒体外膜通透性远远大于内膜，所以内膜上有几种特异的转运载体。,例：腺苷酸载体,基质,内膜,膜间隙,腺苷酸载体,ATP,ADP,ATP,ADP,（一）胞浆中的NADH的氧化,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,NAD+NADH+H+,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,2,胞浆,生成1.5(2)ATP,1，3二磷酸甘油酸,3磷酸甘油醛,线粒体,（一）胞浆中的NADH的氧化,脑、骨骼肌,线粒体,1，3二磷酸甘油酸,3磷酸甘油醛,生成2.5(3) ATP,肝、心肌,葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 - 1 -1 6-磷酸果糖 1,6-双磷酸果糖 - 1 -1 ( 3-磷酸甘油醛脱氢酶反应 NADH) 2 +3(或+5) +4(或+ 6 ) ( 1,3-二磷酸甘油酸 3-二磷酸甘油酸 ) 2 + 2 +2 (磷酸烯醇型丙酮酸丙酮酸)X2 + 2 +2 ( 丙酮酸 乙酰CoA ) 2 + 5 +6 ( 乙酰CoA CO2 + H2O ) 2 + 20 +24 总 计 30（或32） 36（或38）,葡萄糖有氧氧化生成的ATP,反 应 ATP,第三节 线粒体外氧化体系,不伴有磷酸化，不能生成ATP,CCH2CHCOOH NH2,（一）加单氧酶：催化向底物加氧原子,需要CytP450参与,RH + NADPH+H+ + O2R-OH + NADP+ + H2O,NH,CH2CHCOOH NH2,NHCHO,O,O2,（二）加双氧酶：催化向底物加氧分子,一、微粒体中的酶类,二、过氧化物酶体中的酶类,2H2O2 2H2O +O2,过氧化氢酶,（一）过氧化氢酶,（二）过氧化物酶,O2 + Cu2+-SOD O2 + Cu+-SOD,2H+ + O2 + Cu+-SOD H2O2 + Cu2+-SOD,（三）超氧化物歧化酶（SOD）,清除自由基,2GSH + H2O2 GSSH+2H2O,谷胱甘肽过氧化物酶,氧化脱羧单纯脱羧,生物氧化中CO2的生成：有机酸脱羧,C,H,R,COOH,NH2,C,H,R,H,NH2,氨基酸脱羧酶,CO2,氨基酸,胺,-单纯脱羧,CH3C OCOOH,丙酮酸,CH3C OSCoA,乙酰CoA,HS-CoA NAD+,丙酮酸脱氢酶系,+ NADH+H+,CO2,- 氧化脱羧,COOHC OCH2COOH,COOHC OCH3,丙酮酸,CO2,草酰乙酸,丙酮酸羧化酶,-单纯脱羧,COOHC OCH3,丙酮酸,苹果酸,CH,OH,COOH,CH2COOH,苹果酸酶,+ NADPH+H+,NADP+,CO2,-氧化脱羧,生物氧化的酶类,氧化酶类脱氢酶类加氧酶类过氧化物酶类,需氧脱氢酶不需氧脱氢酶,生物氧化的酶类,2e,2e,（一）氧化酶：催化底物脱氢脱电子，由辅基铜离子把电子传给氧，使之变为氧离子,再与质子结合成水的酶类。如细胞色素C氧化酶,AH2,A,2Cu2+,2Cu+,1/2O2,O2-,2H+,H2O,（二）需氧脱氢酶：催化底物脱氢，经FMN或FAD传给氧而生成H2O2的酶类。如黄嘌呤氧化酶。,SH2,S,FMN 或 FAD,FMNH2或FADH2,O2,H2O2,（三）不需氧脱氢酶：催化底物脱氢，通过NAD+或NADP+等传递给另一作用物