药学本科《生物化学》6生物氧化

第六章,生物氧化BiologicalOxidation,物质在生物体内进行氧化称生物氧化主要指糖、脂肪、蛋白质等营养物质在体内氧化分解时逐步释放能量，并最终生成CO2和H2O的过程,概述,生物氧化与体外氧化之相同点：,物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同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,生物氧化中物质的氧化方式：,（一）加氧,（二）脱氢(最主要),（三）失电子,生物氧化与体外氧化的不同点,反应条件温和剧烈反应过程逐步进行的酶促反应一步完成能量释放逐步进行瞬间释放CO2生成方式有机酸脱羧碳和氧结合,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,生物氧化这一章主要解决的问题,水如何生成?能量如何生成?CO2如何生成?,-呼吸链,-ATP的生成,-有机酸脱羧,第一节生成ATP的氧化体系,代谢物脱下的成对氢原子，经线粒体内膜中按次序排列的多种酶和辅酶所催化的连锁递氢和递电子反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)，或电子传递链(electrontransferchain)组成递氢体和电子传递体（2H2H+2e）,一、呼吸链,R=H:NAD+;（辅酶I，COI）R=H2PO3:NADP+；（辅酶II，COII）,1.烟酰胺辅酶,(一)呼吸链的组成,烟酰胺辅酶的作用原理,2H,NAD(P)+,NAD(P)H,2.黄素蛋白,黄素辅基的作用原理,+H,+H,-H,-H,3.铁硫蛋白,蛋白质,4.泛醌（CoQ,UQ,Q）,5.细胞色素类（cytochroes,Cyt）一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可在Fe2+和Fe3+之间转变而传递电子细胞色素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,人线粒体呼吸链复合体,复合体,酶名称,复合体,复合体,II,复合体,III,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,39,4,11,13,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,4,13,(二)呼吸链成分的排列顺序,复合体、和完全镶嵌在线粒体内膜中复合体镶嵌在内膜的内侧,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,1.复合体:NADH-泛醌还原酶,将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),复合体I,注意！复合体I不包含泛醌每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质,底物,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,复合体II,每传递一对电子，由基质到胞质无H+泵出,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,复合体,注意！复合体III不包含Cytc,每传递一对电子，由基质泵出4H+到胞质,CoQH2,CoQH2,4.复合体:细胞色素c氧化酶,功能：将电子从细胞色素c传递给氧,其中Cyta3和CuB形成的活性部位将电子交给O2,复合体,每传递一对电子，由基质泵出2H+到胞质,细胞色素的传递方向,笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3,洗一洗,1NADH氧化呼吸链,(三)主要的呼吸链,2.琥珀酸氧化呼吸链(又称FADH2氧化呼吸链),(FAD),琥珀酸脂酰CoA-磷酸甘油,(Fe-S),CoQ,b(Fe-S),c1,c,aa3,1/2O2,复合体III,复合体IV,复合体II,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,笔洗一洗AA散b、c1、c、aa3,两种呼吸链的比较:,相同点:1.将2H传递给O2生成H2O2.2H和O2消耗，其它可反复使用3.CoQ是两种呼吸链的汇合点,不同点:NADH呼吸链FADH2呼吸链普遍程度较普遍次要起始物NADHFADH2ATP2.51.5,Why?,二、ATP,(一)高能键的转移和贮存,磷酸肌酸（CP）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激酶（CPK）催化完成,(二)ATP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,(三)ATP的生成方式,1.底物水平磷酸化把底物分子中高能磷酸键（或高能硫酯键）的能量转交给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的过程主要存在于三个反应步骤,底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：,氧化磷酸化是指在物质代谢过程中脱下的氢，经呼吸链递氢递电子释放能量，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程，又称为偶联磷酸化,2.氧化磷酸化,呼吸链,能量,氧化,磷酸化,偶联,H2O,在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化,三、ATP的偶联生成(氧化磷酸化),P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷的mol数,即生成ATP的mol数,实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数,(一)氧化磷酸化的偶联部位,(1)测定P/O值,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,比较1、2，第一个偶联部位NADHCoQ之间,比较2、3，第二个偶联部位CoQCytc之间,比较3、4，第三个偶联部位Cytaa3O2之间,(2)计算自由能变化,G0=-nFE0,G00吸能G0=0无能变化,呼吸链电子传递时G0的变化,部位E0G0(kJ/mol),NAD+-CoQ0.36V-69.5能CoQ-Cytc0.31V-40.5能Cytaa3-O20.58V-102.3能,能否生成ATP,氧化磷酸化偶联部位：,合成1ATP，需要消耗4H+的跨膜势能,NADH氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出10H+，可生成2.5ATP,琥珀酸氧化呼吸链每传递一对电子，共泵出6H+，可生成1.5ATP,(二)氧化与磷酸化的偶联机制,呼吸链中复合体I、III、IV具有质子泵功能电子经呼吸链传递时，可将质子从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP生成ATP,化学渗透假说,Cytc,CoQ,NADH+H+,NAD+,延胡索酸,琥珀酸,H+,1/2O2+2H+,H2O,ADP+Pi,ATP,H+,H+,H+,内膜外侧,基质侧,+,-,化学渗透学说详细示意图：,ATP合酶：,ATP合酶结构模式图,具酶活的F133亚基,质子通道F0a1b2c912亚基,当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间的通道回流时，回流能量驱动亚基发生旋转，3个亚基的构象发生周期性改变,ATP合酶的工作机制,四.影响氧化磷酸化的因素,（一）ADP（二）甲状腺激素（三）抑制剂,（一）ADP,ADP/ATP：抑制氧化磷酸化，ATP生成ADP/ATP：促进氧化磷酸化，ATP生成,H2O+NAD+,ADP+Pi,ATP,氧化磷酸化,（二）甲状腺激素甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速度加快,（三）抑制剂,1.氧化磷酸化抑制剂使ATP合酶构象改变阻断质子回流如：寡霉素2.解偶联剂破坏内膜两侧的电化学梯度如：解偶联蛋白3.电子传递抑制剂在特异部位阻断呼吸链的电子传递如：鱼藤酮、抗霉素A、CO、CN-等,鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥,抗霉素A二巯基丙醇,CO、CN-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点：,Cytc,CoQ,NADH+H+,NAD+,延胡索酸,琥珀酸,H+,1/2O2+2H+,H2O,ADP+Pi,ATP,H+,H+,H+,内膜外侧,基质侧,线粒体内2H的氧化磷酸化：,CoQ,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：1.-磷酸甘油穿梭2.苹果酸-天冬氨酸穿梭,五、通过线粒体内膜的物质转运,（一）胞浆中NADH的氧化,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,-磷酸甘油穿梭机制,(1.5ATP),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,(2.5ATP),第二节其它氧化体系,参与体内正常物质代谢，如羟化、合成等参与体内生理活性物质的灭活、药物或毒物的解毒转化和代谢清除反应，保护机体,1.加单氧酶（混合功能氧化酶、羟化酶）,RH+NADPH+H+O2,单加氧酶,ROH+NADP+H2O,一、微粒体中的氧化酶类,上述反应需要细胞色素P450(CytP450)参与,2.加双氧酶,色氨酸,甲酰犬尿氨酸,1、过氧化氢酶,2、过