第6章生物氧化中国医科大学CMU生化

ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU,第二篇物质代谢及其调节,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位（消化）,磷酸化,ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU,第六章生物氧化,BiologicalOxidation,物质在生物体内进行氧化称为生物氧化，主要是糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,*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所消耗的氧量、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（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应下逐步进行，能量逐步释放有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；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之不同点,生物氧化,体外氧化,能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,生物氧化中水的生成,1/2O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O-,2H+,生物氧化中CO2的生成,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ATP,三磷酸腺苷（ATP）,ATP是人体内能量的直接供给者,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,一些生物学重要的有机磷酸化合物水解时释放的标准自由能,ATP分子中的高能磷酸键,键G014.3KJ键G027.6KJ键G030.5KJ,ATP可以连续提供2个高能磷酸键,AMPPPAMPP+Pi(ATPADP+Pi)AMPPAMP+Pi(ADPAMP+Pi)AMPPPAMP+PP(ATPAMP+PPi)PP2Pi(PPi2Pi),腺苷激酶ATP+AMP2ADP核苷二磷酸激酶ATP+GDPADP+GTPATP+UDPADP+UTP,几种常见的高能化合物,高能磷酸键的储存,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式,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),ATP循环能量的储存和利用都以ATP为中心,底物水平磷酸化,与脱氢反应偶联，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，称为底物水平磷酸化（substrate-levelphosphorylation）。此过程不经过电子传递。,在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，因此又称偶联磷酸化。是细胞内主要的ATP生成方式。,氧化磷酸化(OxidativePhosphorylation),第二节生成ATP的氧化磷酸化体系,OxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing,呼吸链,代谢物脱下的成对氢原子(2H2H+2e)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。逐步释放的能量可驱动ATP生成。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（oxidativerespiratorychain），又称电子传递链（electrontransferchain，ETC）。,2.1呼吸链的组成,呼吸链递氢体递电子体NAD+Fe-SFMN细胞色素FADCoQ,NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又叫辅酶（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，又叫辅酶（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VitPP。,NAD+（CoI）,NAD+（CoI）结构,NicotinamideAdenineDinucleotide,NAD+,NADP+（CoII）结构,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在烟酰胺五价氮和三价氮之间,黄素辅基,FMN：黄素单核苷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN和FAD中异咯嗪环上1、10位氮之间的共轭双键可加氢、脱氢，起递氢体作用。异咯嗪及核醇部分为VitB2（核黄素）。,FMN/FAD+2e-+2H+FMNH2/FADH2,FMN和FAD中异咯嗪环上1、10位氮之间的共轭双键可加氢、脱氢，起递氢体作用。,NAD+是辅酶FAD是辅基,辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物。可在线粒体内膜中迅速扩散。分子中的苯醌结构能可逆地结合2个H，为递氢体。,辅酶Q，又称泛醌,Q+2e-+2H+QH2,铁硫蛋白（Fe-S）,分子中含有非卟啉铁和对酸不稳定的硫，又叫铁硫中心。各种铁硫蛋白含FeS的数目不同，有Fe2S2和Fe4S4。铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。分子中通过一个Fe的氧化还原而传递电子，为单电子传递体。Fe2+Fe3+e,铁硫蛋白(iron-sulfurprotein),细胞色素（Cytochrome,Cyt）,是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的电子传递蛋白。血红素中的铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子,属单电子传递体。根据与铁卟啉连接的侧链和吸收光谱的不同，呼吸链中的细胞色素可分为a、b、c三类。,细胞色素b辅基,细胞色素a辅基,呼吸链中含有的Cyta和Cyta3结合的非常紧密，几乎不能分开，写成Cytaa3。,细胞色素c辅基,CytC呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离。,人线粒体呼吸链复合体,复合体:NADH-泛醌还原酶,功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),复合体的功能,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,一些含有FAD的脱氢酶也可将底物中的电子传递给泛醌。,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,Q循环,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O2,2.2呼吸链的顺序,标准氧化还原电位法,抑制剂法,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,1.NADH氧化呼吸链NADH复合体Q复合体Cytc复合体O22.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,NADH氧化呼吸链,FADH2氧化呼吸链,NADH氧化呼吸链：是体内主要的呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）：是体内次要的呼吸链,线粒体内重要代谢物氧化的途径,氧化磷酸化底物水平磷酸化,ATP生成方式,2.3氧化磷酸化,1.氧化磷酸化偶联部位,P/O比值自由能变化:G=-nFE,氧化磷酸化偶联部位：复合体、,P/O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷酸的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。,（1）P/O比值,一些底物的P/O比值,（2）自由能变化,根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(G0)与还原电位变化(E0)之间有以下关系：,n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/molV),G0=-nFE0,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值约为2.5，即产生2.5molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值约为1.5，即产生1.5molATP。,呼吸链的偶联部位,PeterMitchell在20世纪60年代提出“化学渗透假说”，并因此于1978年获诺贝尔化学奖。,2.氧化磷酸化偶联机制,化学渗透假说的基本要点,电子经呼吸链传递时，可将H从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外H浓度梯度和跨膜电位差，以此电化学梯度储存能量。当H顺电化学梯度回流时，驱动ADP的磷酸化生成ATP。,氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH、K、Cl离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。,化学渗透假说已经得到广泛的实验支持：,A.L.Lehninger于1948年提出线粒体是真核生物进行氧化磷酸化的部位。,线粒体内膜是半透膜,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,4H+从线粒体基质侧泵到胞浆侧,复合体I,复合体III,4H+从线粒体基质侧泵到胞浆侧,Q循环,复合体IV,2H+从线粒体基质侧泵到胞浆侧,复合体,3.ATP合酶,ATP合酶（复合体）,F1：亲水部分（动物：33亚基复合体，OSCP、IF1亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。F0：疏水部分（ab2c912亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。,ATP合酶结构组成,ATP合酶,质子通过ATP合酶Fo顺浓度梯度回流使F1亚基旋转,ATP合酶Fo中a亚基和c亚基结构示意,通过C环的旋转，质子从内膜胞浆侧进入胞浆半通道，通过基质半通道释放进入线粒体基质。,C环与、亚基紧密相连，当C环旋转时会带动亚基旋转，使每个亚基活性中心构象循环改变,亚基旋转使亚基构象改变导致ATP合成和释放,当H+顺浓度递度经Fo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。,化学计算估计每生成1分子ATP需3个H从线粒体内膜外侧回流进入基质中。,ATP合酶的工作机制,4.腺苷酸转运蛋白,又称ATP-ADP转位酶，介导ATP和ADP的反向转运，同时消耗线粒体基质侧的1个H,腺苷酸转运蛋白磷酸盐转运蛋白,ATP4-,ADP3-,H2PO4-,每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷，相当于多1个H+转入线粒体基质。,因此每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H+回流进入线粒体基质中。,按此计算：NADH氧化呼吸链每传递2H泵出10H+，生成10/4=2.5分子ATP到线粒体外被利用；琥珀酸氧化呼吸链每传递2H泵出6H+，生成6/4=1.5分子ATP到线粒体外被利用。,结论,2.4影响氧化磷酸化的因素,抑制剂ADP激素甲状腺激素线粒体DNA突变,1.抑制剂,呼吸链抑制剂解偶联剂ATP合酶抑制剂,（1）呼吸链抑制剂,能阻断呼吸链上某些部位电子传递，使细胞呼吸停止。,鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥,抗霉素A二巯基丙醇,CO、CN-、N3-及H2S,各种呼吸链抑制剂的阻断位点,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。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。,（2）解偶联剂,2,4-二硝基苯酚（DNP）,哺乳类动物体内的棕色脂肪组织，线粒体内膜中存在解偶联蛋白（UCP），可提供质子再进入线粒体基质的另一个通道，使得质子电化学梯度储存的能量以热量的形式释放。,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,对电子传递及ADP的磷酸化均有抑制作用，如寡霉素（oligomycin）,（3）ATP合酶抑制剂,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,正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。ADP氧化磷酸化ADP氧化磷酸化,2.ADP,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,甲状腺激素可使氧化磷酸化增强，使机体耗氧和产热均增加。甲状腺激素诱导Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达增加。,3.甲状腺激素,线粒体DNA的突变可影响氧化磷酸化的功能，引起线粒体病。,4.线粒体DNA突变,2.5线粒体内膜对物质的选择性转运,线粒体基质与胞浆之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质通透的选择性不强，内膜依赖各种跨膜转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,线粒体内膜中的一些转运蛋白对代谢物转运,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。转运机制主要有:-磷酸甘油穿梭(-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle),-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中,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,苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中,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,两种穿梭进入呼吸链方式不同，使胞质中NADH+H+生成不同量的ATP分子：经-磷酸甘油穿梭途径，生