大连理工大学生物化学课件--生物氧化.ppt

1,生物氧化(BiologicalOxidation),2,一、生物氧化的特点和方式二、线粒体电子传递体的组成及传递机理三、氧化磷酸化作用四、氧化磷酸化机制五、其它氧化体系（自学）,重点内容,3,CO2+H2O+能量,O2,ADP+Pi,ATP,热能,糖、脂肪、蛋白质,生物氧化（biologicaloxidation）：主要指糖类、脂肪、蛋白质等有机物在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程，其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。,一、生物氧化的特点和方式,4,1、生物氧化与体外氧化的异同点,5,2、生物氧化过程中CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：-脱羧和-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧,6,3、生物氧化过程中H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢，由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,12O2,例：,7,糖原,三酯酰甘油,蛋白质,葡萄糖,脂肪酸、甘油,氨基酸,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,4、生物氧化的三个阶段,小分子化合物分解成共同的中间产物（丙酮酸、乙酰CoA）,中间产物进入TCA氧化，脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放大量能量，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,8,二、线粒体电子传递体系,1、线粒体结构特点2、电子传递呼吸链的概念3、呼吸链的组成4、机体内两条主要的呼吸链及其能量变化,9,1、线粒体结构,10,2、呼吸链概念,定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）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，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2以质子和电子的形式转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,11,3、呼吸链的组成,具有传递电子功能的酶复合体(complex),*泛醌和Cytc不包含在上述四种复合体中,递氢体和电子传递体（2H2H+2e-）,12,NADH呼吸链,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物II,复合物IV,复合体I,复合物III,NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶),细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-Q还原酶,FADH2呼吸链,电子传递中的电子载体及其顺序,13,呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置及电子传递,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,14,NADH呼吸链电子传递和水的生成,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c-c1-aa3,2H+,2e,15,FADH2呼吸链电子传递和水的生成,16,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸等,复合物II,复合体I,细胞色素还原酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,电子传递链标准氧化还原自由能变化,细胞色素氧化酶,复合物III,复合物IV,NADH-Q还原酶,p121,ATP形成部位,17,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应:NADH+H+1/2O2NAD+H2OG=-nFE=-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1,总反应：FADH2+1/2O2FAD+H2OG=-nFE=-296.50.82-(-0.18)=-193.0千焦mol-1,FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化,18,1.复合体:NADH-泛醌还原酶（NADH脱氢酶）,功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),NAD+和NADP+的结构,R=H:NAD+;R=H2PO3NADP+,19,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化-还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间,20,FMN：结构中含核黄素，功能部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN,异咯嗪,21,铁硫蛋白：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe-S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)主要有三种类型，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+e反应传递电子,：无机硫,22,泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）：由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人:CoQ10），使其在线粒体内膜的脂双层中迅速扩散，氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。,23,复合体的功能：将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone),24,2.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,25,3.复合体:泛醌-细胞色素c还原酶,细胞色素：是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,26,细胞色素c：存在于线粒体膜间质的可溶性蛋白,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c,27,4.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和铜离子（CuB）形成的活性部位将电子交给O2,28,氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化；底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程；光合磷酸化(photophosphorylation)植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化腺二磷（ADP）与磷酸形成腺三磷（ATP）的反应。,生成ATP的氧化体系（TheOxidationSystemofATPProducing）,三、氧化磷酸化作用,29,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,30,氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：复合体、根据自由能变化和P/O比值：G=-nFE,P/O比：在氧化磷酸化中，每1/2O2被还原时生成ATP的摩尔数,实验测得的一些底物的P/O比值,31,丙酮酸、脂肪酸氧化为CO2，同时使NAD+和FAD还原为NADH和FADH2电子从NADH和FADH2传至线粒体内膜上形成跨膜质子泵将贮存于电化学质子梯度的能量由内膜上的F0F1ATP合酶（F0F1ATPase）复合体合成ATP,1、线粒体内膜的功能,32,2、氧化磷酸化的偶联机理,（1）化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，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与Pi生成ATP。,基质,线粒体膜,化学渗透假说示意图,33,化学渗透假说,34,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,35,（2）ATP合酶,ATP合酶结构模式图,组成：亲水部分F1（33亚基）疏水部分F0（a1b2c912亚基）,36,ATP合酶的工作机制,开放形式对底物的亲和力极低,对底物的结合较松没有催化能力,与底物结合紧密有催化活性,当H+顺浓度递度经F0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。,37,影响氧化磷酸化的因素,1.呼吸链抑制剂阻断呼吸链中某些部位电子传递。2.解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白；2,4-二硝基苯酚（DNP）3.氧化磷酸化抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素,（一）抑制剂,38,可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成,寡霉素(oligomycin),（二）ADP的调节作用呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加（四）线粒体DNA突变与线粒体DNA病及衰老有关,39,电子传递链及氧化磷酸化系统概貌,H+m：内膜基质侧H+H+c：内膜胞液侧H+H+：跨膜质子电化学梯度,40,ATP的生成和利用,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,41,肌酸激酶的作用,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式,42,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。,43,线粒体内膜的主要转运蛋白,44,（一）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),45,1.-磷酸甘油穿梭机制,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,NADH+H+,46,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,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,NADH+H+,47,48,（二）腺苷酸转运蛋白(adeninenucleotidetransporter)参与ADP与ATP反向转运,ATP4-,H+,H+,49,（三）线粒体蛋白质的跨膜转运,外膜表面解折叠外膜上的受体识别转移到总插入蛋白从氨基端开始通过线粒体内、外膜之间的接触位点进入线粒体基质切除导向序列,50,（一）需氧脱氢酶和氧化酶,五、其他氧化酶系（TheOthersOxidationEnzymeSystems）,51,（二）过氧化物酶体中的酶类,1、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素,2、过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物,52,反应氧族超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称,3、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD),2O2+2H+,SOD,H2O2+O2,H2O+O2,过氧化氢酶,53,谷胱甘肽过氧化物酶,H2O2(ROOH),H2O(ROH+H2O),2GSH,GSSG,NADP+,NADPH+H+,*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,4、含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,54,（三）微粒体中的酶类,1、加单氧酶(monoxygenase)又称混合功能氧化酶(mixed-functionoxidase)或羟化酶(hydroxylase),催化的反应：,RH+NADPH+H+O2,ROH+NADP+H2O,反应需要细胞色素P450(CytP450)参与,55,56,2、加双氧酶（diox