沈阳药科大学生物化学—— 生物氧化PPT课件

1、物质在生物体内进行氧化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化，主，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能* * 生物氧化的概念生物氧化的概念 第1页/共72页* * 生物氧化与体外氧化之相同点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。的一般规律。 质在体内外氧化时所消耗的氧量

2、、最终产物（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）和释放能量均相同。均相同。第2页/共72页w是在细胞内温和的环境中（体是在细胞内温和的环境中（体温，温，pH接近中性），在一系列接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能释放有利于有利于机体捕获能量，提高量，提高ATP生成的效率。生成的效率。w进行广泛的加水脱氢反应使物进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产的机会；脱下的氢与氧结合产生生H2O，有机酸脱羧产生，有机酸脱羧产生CO2。* * 生物氧

3、化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w能量是突然释放的。能量是突然释放的。 w产生的产生的CO2、H2O由物质由物质中的碳和氢直接与氧结中的碳和氢直接与氧结合生成。合生成。第3页/共72页糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP * * 生物氧化的一般过程第4页/共72页第一节第一节 生成生成ATP的氧化体系的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing第5页/共72页定义定义代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种

4、）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与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氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)又称又称电子传递链电子传递链(electron transfer chain)。组成组成递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 一、呼吸链一、呼吸链第6页/共72页（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) * * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合

5、体中。人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，F

6、e-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 第7页/共72页呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第8页/共72页 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-第9页/共72页1. 复合体: NADH-泛醌还原酶u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3;

7、 Fe-SN-2 第10页/共72页NAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+第11页/共72页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。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。第12页/共72页FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是应时不稳定中间产物是FMN 。第13页/共72页铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行子可进行F

8、e2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。 表示无机硫表示无机硫 第14页/共72页 铁硫蛋白 无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫第15页/共72页泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。第16页/共72页复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2第17页/共72页2. 复合体: : 琥珀酸- -泛醌还原酶u 功能功能 将电子从琥珀酸

9、传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 第18页/共72页细细 胞胞 色色 素素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。吸收光谱不同而分类。第19页/共72页第20页/共72页第21页/共72页3. 复合体: 泛醌-细胞色素c还原酶 u 功能：功能：将电子从泛醌传递给细胞色素将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1第22页/共72页第23页/共

10、72页4. 复合体: 细胞色素c氧化酶u 功能：功能：将电子从细胞色素将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。第24页/共72页第25页/共72页 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序第26页/共72页1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22.

11、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2第27页/共72页NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链第28页/共72页氧氧化化还还原原对对E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0

12、.82呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位第29页/共72页电子传递链第30页/共72页 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化* 定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP

13、的过程。的过程。第31页/共72页（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值比值G=-nFE 第32页/共72页线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.8 3Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细

14、胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 1第33页/共72页ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能第34页/共72页（二）（二） 氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesi

15、s) 电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外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质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 第35页/共72页线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图第36页/共72页化学渗透假说目 录第37页/共72页 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀

16、酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图第38页/共72页2. ATP合酶合酶由 亲 水 部 分由 亲 水 部 分 F1（33亚基亚基 ）和疏）和疏水部分水部分 F0（a1b2c912亚亚基）组成。基）组成。ATP合酶结构模式图第39页/共72页当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间亚基之间回流时，回流时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基的构象发生亚基的构象发生改变。改变。ATP合酶的工作机制第40页

17、/共72页三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制剂第41页/共72页鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点第

18、42页/共72页不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响第43页/共72页解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 第44页/共72页 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图第45页/共72页（二）（二）ADP的调节作用的调节作用呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)（三）甲状腺激素（三）甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达

19、均增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。第46页/共72页电子传递链及氧化 磷酸化系统概貌H+ 跨膜跨膜质子电化学质子电化学梯度；梯度；H+m内膜基质侧内膜基质侧H+；H+c 内内膜胞液侧膜胞液侧H+目 录第47页/共72页四、四、ATP高能磷酸键与高能磷酸化合物 u高能磷酸键高能磷酸键水解时释放的能量大于水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为的磷酸酯键，常表示为 P。u高能磷酸化合物高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物含有高能磷酸键的化合物第48页/共72页第49页/共72页 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP

20、ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP第50页/共72页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。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。第51页/共72页 ATP的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温

21、) )生物体内能量的储存和利用都以生物体内能量的储存和利用都以ATP为中为中心。心。第52页/共72页五、通过线粒体内膜的物质转运五、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。对各种物质的转运。第53页/共72页 线粒体内膜的主要转运蛋白 胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果

22、酸苹果酸 -酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱胞胞 浆浆线粒体基质线粒体基质磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+磷酸盐转运蛋白磷酸盐转运蛋白H2PO4H+H2PO4H+酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸酸性氨基酸转运蛋白酸性氨基酸转运蛋白谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸 -酮

23、戊二酸酮戊二酸 -酮戊二酸转运蛋白酮戊二酸转运蛋白苹果酸苹果酸 -酮戊二酸酮戊二酸腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白ADPATP 丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-丙酮酸转运蛋白丙酮酸转运蛋白丙酮酸丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸三羧酸转运蛋白三羧酸转运蛋白苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸碱性氨基酸转运蛋白碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱肉碱转运蛋白肉碱转运蛋白脂酰肉碱脂酰肉碱肉肉碱碱转运蛋白转运蛋白功功

24、能能第54页/共72页（一）（一） 胞浆中胞浆中NADH的氧化的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)第55页/共72页1. - -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制 第56页/共72页 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体 内膜 线粒体 外膜膜间隙 线粒体 基质-磷酸甘油 脱氢酶 呼吸链

25、 磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH第57页/共72页2. 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制第58页/共72页NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ 谷氨酸-天冬氨酸 转运体苹果酸-酮 戊二酸转运体 -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O-酮戊二

26、酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸 苹果酸 脱氢酶 谷草转 氨酶 胞液 线粒体内膜 基质 呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H第59页/共72页 （二）（二） 腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter) 参与参与ADP与与ATP反向转运。反向转运。第60页/共72页ATP4- F0 F1 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 腺苷酸腺苷酸转运蛋白转运蛋白磷酸磷酸转运蛋白转运蛋白 ADP3- H2

27、PO4- ATP4- H+ H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 第61页/共72页（三）线粒体蛋白质的跨膜转运（三）线粒体蛋白质的跨膜转运外膜表面解折叠外膜表面解折叠 被位于外膜上的受体识别被位于外膜上的受体识别 转移到总插入蛋白转移到总插入蛋白 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 进入线粒体基质进入线粒体基质 切除导向序列切除导向序列 第62页/共72页第二节第二节 其他氧化酶系其他氧化酶系The Others Oxidation Enzyme Systems第63页/共72页一、需氧脱氢酶和氧化酶 受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2O受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2O第64页/共72页二、过氧化物酶体中