生物的氧化

第 八 章,生 物 氧 化Biological Oxidation,The biochemistry and molecular biology department of CMU,主要指糖、脂肪、蛋白质等物质在生物体内逐步氧化分解时释放能量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,生物氧化的概念,生物氧化与体外氧化的相同点,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时的耗氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化与体外氧化的不同点,生物氧化,体外氧化,能量是突然释放的。CO2、H2O由物质中的碳或氢直接与氧结合生成。,生物氧化中水的生成,1/2 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O-,2H+,生物氧化中CO2的生成,生物氧化的一般过程,三羧酸循环,氧化磷酸化,乙酰CoA,线粒体,胞液,第一节氧化呼吸链是由具有电子传递功能的复合体组成,生物体将NADH+H+和FADH2彻底氧化生成水和ATP的过程与细胞的呼吸有关，需要消耗氧，参与氧化还原反应的组分由含辅助因子的多种蛋白酶复合体组成，形成一个连续的传递链，因此称为氧化呼吸链（oxidative respiratory chain）,也称电子传递链(electron transfer chain)。,递氢体：传递氢的酶蛋白或辅助因子电子传递体：传递电子的酶蛋白或辅助因子氧化呼吸链 递氢体 电子传递体 NAD+ Fe-S FMN 细胞色素 FAD CoQ,一、氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成,NADH+H+,NAD+,1/2O2+2H+,H2O,胞液侧,基质侧,mt内膜,4H+,4H+,2H+,电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置,复合体作用是将NADHH中的电子传递给泛醌,每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞质侧。,（1） NAD+ 与NADP+,NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫Co，主要在还原性生物合成中作为供氢体。二者的递氢部位是烟酰胺部分，为Vit PP。,（2）黄素辅基,FMN：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide)FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide)FMN和FAD中异咯嗪环起递氢体作用。 异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。,（3）铁硫蛋白辅基(Fe-S),又叫铁硫中心 含有等量铁原子和硫原子(Fe2S2、Fe4S4)铁除与无机硫连接外，还与铁硫蛋白肽链中 Cys残基的-SH连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子，为单电子传递体。,（4）泛醌 (ubiquinone, UQ),即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于小分子脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。,人类的CoQ侧链有10个异戊二烯单位组成，称为CoQ10， 即Q10,复合体作用是将电子从琥珀酸传递到泛醌,复合体没有H+泵的功能。,(琥珀酸脱氢酶/琥珀酸-泛醌还原酶),复合体作用是将电子从泛醌传递给Cyt c,复合体QH2 Cyt c,bL; bH; Fe-S; c1,细胞色素（Cytochrome, Cyt）是一类含血红素样辅基的电子传递蛋白。呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及血红素所处分子环境不同。Cyt c是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体。血红素样辅基中的铁离子通过Fe2+ Fe3+ +e反应传递电子，为单电子传递体。,细胞色素(cytochrome, Cyt),复合体将电子从Cyt c传递给氧,1、NADH氧化呼吸链NADH 复合体CoQ 复合体Cyt c 复合体O22、琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 CoQ 复合体Cyt c 复合体O2,二、NADH和FADH2是氧化呼吸链的电子供体,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,琥珀酸,复合体 II,复合体 IV,复合体 I,复合体 III,NADH-泛醌还原酶,泛醌-细胞色素c还原酶,细胞色素c氧化酶,琥珀酸-泛醌还原酶,FAD,Fe-S,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,1. NADH氧化呼吸链,2. 琥珀酸氧化呼吸链,第二节氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联,体内ATP生成的方式：,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation),氧化磷酸化是由代谢物脱下的氢，经线粒体氧化呼吸链电子传递释放能量，此释能过程与驱动ADP磷酸化生成ATP相偶联，即还原当量的氧化过程与ADP的磷酸化过程相偶联，产生能量ATP，因此又称为偶联磷酸化。它是ATP生成的主要方式。,底物水平磷酸化 直接将高能代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程。,一、氧化磷酸化偶联部位在复合体、内,偶联部位即ATP生成的部位。1. 根据P/O比值 P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1/2摩尔O2所消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。,1.线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,三个偶联部位：,ATP,ATP,ATP,NADH与CoQ之间；CoQ与Cyt c之间；Cyt aa3与氧之间。,Cyt c,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位， P/O比值等于2.5，即1molNADH+H+产生2.5molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位， P/O比值等于1.5，即1molFADH2产生1.5molATP。,实验证实,NADH氧化呼吸链每传递2H共生成 2.5分子ATP到线粒体外被利用。 FADH2氧化呼吸链每传递2H共生成 1.5分子ATP到线粒体外被利用。,结论,四、ATP在能量代谢中的核心作用,细胞内代谢反应都是依序进行、能量逐步得失。,ATP称之为高能磷酸化合物，可直接为细胞的各种生理活动提供能量，同时也有利于细胞对能量代谢进行严格调控。,生物体能量代谢有其明显的特点。,ATP是人体内能量的直接供给者。,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。,一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能,（一）ATP是体内能量捕获和释放利用的重要分子,ATP是体内最重要的高能磷酸化合物，是细胞可直接利用的能量形式。,ATP在生物能学上最重要的意义在于，通过其水解反应释放大量自由能和需要供能的反应偶联，使这些反应在生理条件下完成。,ATP可以连续提供2个高能磷酸键,AMPPP AMPP + Pi (ATP ADP + Pi)AMPP AMP + Pi (ADP AMP + Pi)AMPPP AMP + PP (ATP AMP + PPi)PP 2 Pi (PPi 2Pi),键 G0 14.3KJ键 G0 27.6KJ 键 G0 30.5KJ,（二）ATP是体内能量转移和磷酸核苷化合物相互转变的核心,体内ATP消耗过多时，ADP累积，在腺苷酸激酶催化下由ADP转变成ATP被利用。ATP需要量降低时，AMP从ATP中获得P生成ADP。,为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得P。,ATP+UDPADP+UTP ATP+CDPADP+CTP ATP+GDPADP+GTP,（三）ATP通过转移自身基团提供能量,因为ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多，易释放Pi、PPi基团，很多酶促反应由ATP通过共价键与底物或酶分子相连，将ATP分子中的Pi、PPi或者AMP基团转移到底物或酶蛋白上而形成中间产物，经过化学转变后再将这些基团水解而形成终产物。,（四）磷酸肌酸是高能键能量的储存形式,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式,ATP的生成、储存和利用,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),生物体内能量的生成和利用都以ATP为中心。,第三节 氧化磷酸化的影响因素,一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率,氧化磷酸化是机体合成能量载体ATP的最主要的途径，因此机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节ATP的生成量。ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素，ADP或ATP/ADP ，氧化磷酸化。,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,（一）呼吸链抑制剂阻断电子传递过程,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,（二）解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程,解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。 二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP)脂溶性，可在线粒体内膜自由移动。,Q,胞液侧,基质侧,解偶联剂,哺乳类动物体内棕色脂肪组织的线粒体内膜中存在解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)， UCP1在内膜上形成易化质子通道，H+经此通道返回线粒体基质，通过氧化磷酸化解偶联释放热能。 新生儿硬肿症缺乏棕色脂肪组织,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP生成,例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。,二、抑制剂可阻断氧化磷酸化过程,（三）ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP生成,寡霉素(oligomycin) 可阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧的质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，进而抑制电子传递。,寡霉素,各种抑制剂对电子传递链的影响,黏噻唑菌醇,三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。四、线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能 线粒体DNA (mtDNA)呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNA。,五、线粒体的内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物,线粒体外膜线粒体孔蛋白，允许分子量小于10KDa的物质通过。线粒体内膜转运蛋白(transporter)，决定了线粒体物质通过的选择性。,（一）胞质中NADH的穿梭进入线粒体,胞质中生成的 NADH+H+ 不能自由透过线粒体内膜，因此线粒体外 NADH+H+ 所携带的氢必须通过某种机制才能进入到线粒体，然后再经呼吸链进行氧化磷酸化过程。,转运机制主要有 -磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-